CN112119205A - 具有离心力优化的接触面的转子 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃气涡轮机的转子，该转子具有转子盘(01)，在该转子盘处在圆周上分布地布置有多个转子构件(11)。为此，转子盘(11)具有环绕的固定台肩(04)，固定台肩具有支撑面(05)。在支撑面(06)处分别贴靠有保持面(16)，该保持面分别由相应转子构件(11)的保持台肩(15)形成并且被构造为与支撑面互补。为了优化在保持台肩(15)和固定台肩(05)之间的支承应力，规定保持面(16)的半径小于支撑面(06)的半径，即保持半径是支撑半径的至少0.99倍和至多0.995倍。此外，在转子构件(11)中设置有轴向延伸的开口(12)，该开口在周向上的宽度是转子构件在周向上的宽度的25％至75％。

Description

具有离心力优化的接触面的转子
技术领域
本发明涉及一种转子，该转子具有转子盘和在圆周上固定在转子盘处的多个转子构件，其中转子盘具有朝向转子轴线的支撑面，并且每个转子构件具有与该支撑面互补的保持面。
背景技术
从现有技术中已知用于将转子构件安装在转子盘处的多种可能性。例如，EP1944471 B1示出了一种转子，转子具有转子盘，在转子盘的一个端面处布置有多个密封元件。在此，转子盘具有多个在周向上分布的叶片保持槽，以用于容纳叶片。为了在转子盘的一个端面上覆盖叶片保持槽，沿周向分布地设置有密封元件。在此，密封元件在转子旋转时在离心力的作用下直接支撑在转子盘处密封元件的朝向转子轴线的端部。为此，转子盘具有在端面之前轴向延伸的环绕的凸起，在该凸起处分别支撑有在密封元件处延伸到转子盘的固定台肩。在此，在转子盘的凸起处朝向转子轴线的支撑面几乎势必由绕转子轴线旋转的旋转面形成。固定台肩的贴靠在支撑面处的保持面基本上被实施为以匹配的半径与支撑面互补。
从EP 2344723 B1、EP 2414641 B1、EP 3077627 B1、EP 3090135 B1、EP 3129599、EP 3129600、EP 3167163和EP 3227532中也已知其他类似的实施方式，其中在EP 2399004B1、EP 2426315 B1、US 9109457 B2、EP 3071795、EP 3019706、WO 2017174355和WO2017174723中公开了在转子盘处的其他替代性固定方式。
尽管已证实可以通过将密封元件的固定台肩贴靠在转子盘处的保持凸起部来在转子盘处固定密封元件，但在高功率的流体机械中在保持凸起和固定台肩处会出现接近于允许材料特征值的载荷。
为了实现密封元件在转子盘处的均匀贴靠，在US 4,304,523中提出了将转子盘处贴靠面的半径实施为略大于密封元件处互补的贴靠面的半径。由于离心力将产生有利的均匀压力载荷。在此须考虑所提出解决方案的弯成角度的形状，这会产生更大的灵活性。然而，如果密封元件被实施得相对比较直，则会缺乏必要的灵活性，从而可能在构件的中间以更高的载荷产生相反的效果。
发明内容
因此，本发明的目的在于，在出现较大的离心力时实现转子构件到转子盘处的固定，其中在转子构件的支撑中力求尽可能均匀地压紧。
所提出的目的通过根据权利要求1的教导的根据本发明的实施方式来实现。在权利要求10中说明了用于根据本发明的转子的根据本发明的转子构件。有利的实施方式是从属权利要求的主题。
该转子特别是用于燃气涡轮机。然而，该实施方式同样可以用在其他类型的转子中，例如用在蒸汽涡轮机中。转子至少具有至少一个转子盘，在转子盘处沿周向分布地布置有多个转子构件。在此，转子限定了转子轴线，从而限定了轴向方向。
为此，转子盘具有环绕的轴向延伸的固定台肩。在此，环绕的固定台肩在朝向转子轴线的一侧形成支撑面。支撑面是环绕转子轴线的旋转面。在轴向方向上看，支撑面在转子构件与固定台肩相贴靠的长度上延伸。与旋转体的设计相对应，支撑面在相应的轴向位置处具有特定的支撑半径作为与转子轴线的距离。此外，支撑面的平均支撑半径可以被定义为沿轴向在支撑面的中间给定的半径。
相反，转子构件分别具有在圆周方向上沿轴向延伸到转子盘的固定台肩，该固定台肩在固定台肩下方布置在朝向转子轴线的一侧。在此，固定台肩具有与支撑面互补的保持面。类似于支撑面，保持面同样被构造为旋转面的一部分。保持面相应地被定义为保持台肩的贴靠在转子盘的固定台肩处的表面。在此，作为旋转面的保持面在相应的轴向位置处类似地具有保持半径。此外可以确定保持面的平均保持半径，该平均保持半径在保持面的轴向中心处被给定。
由此，在转子构件中出现的离心力可以如预期地在保持面与支撑面贴靠的情况下通过保持台肩至少部分地传递到固定台肩上。
尽管在现有技术中保持面和支撑面通常由相匹配的旋转面形成并且就此而言保持半径和支撑半径一致，但根据本发明保持半径被实施为小于支撑半径。在此已表明的是，就最大负载能力的实现而言，根据本发明，与现有技术中的已知设计相比，保持半径至少是支撑半径的0.99倍并且同时最大是支撑半径的0.9995倍是特别有利的。即，较小的保持半径相对于较大的支撑半径的偏差最大允许为1％，而偏差最小为0.5‰。
支撑半径和保持半径的比较分别在相同的轴向位置处进行，即对应于保持面与支撑面的贴靠处。
为了可以实现转子构件在径向和圆周方向上的大致呈直线的设计，根据本发明进一步规定，转子构件具有沿轴向延伸穿过转子构件的开口。在此，该开口位于固定台肩的径向外侧，从而也布置在保持面的径向外侧。此外规定，该开口沿周向延伸大概超过转子构件的一半宽度。以下被视为这种情况：开口在周向上的宽度至少是转子构件在周向上的宽度的0.25倍，相对地，开口在周向上的宽度被选择为不大于转子构件在周向上的宽度的0.75倍。在此考虑相同径向位置处的宽度。
根据本发明的设计，在引入开口的情况下将转子构件的保持半径选择为略小于支撑半径，这在相组合的情况下实现了特别有利的优点，即根据本发明的在保持台肩和固定台肩之间的连接部有较高的负载能力。一方面，开口可以使得转子构件更大地变形，另一方面，通过保持面和支撑面的不同半径来补偿该变形。这样的结果是，与试图在没有开口的情况下确定合适的几何形状的尝试相比，可以以均匀的压应力实现支撑面和保持面的更均匀的贴靠。
转子构件的保持台肩与转子盘处固定台肩的支撑面相比具有不同的且较小的半径，借助于转子构件的该创造性设计并且通过引入开口实现了根据本发明的转子，同时实现了根据本发明的具有新颖性的转子构件，其具有之前所定义的特性。
如果保持半径被选择为支撑半径的至少0.999倍，则转子构件的保持台肩的设计是特别有利的。这特别是在用于燃气涡轮机的转子中时将实现有利的设计。
如果开口在圆周方向上延伸到转子构件宽度的至少0.4倍，则将特别有利地实现相应于转子构件宽度的大约一半的开口宽度。在此类似地特别有利的是，开口最大延伸到转子构件的宽度的0.6倍。
如果开口随半径增大而增加，则将实现有利的应力分布。例如可以规定，当沿轴向观察转子构件时，在周向上的两个对置侧将围成约45°的角度。因此有利的是，从第一径向位置到第二较大径向位置的宽度的增量至少是第二半径与第一半径之差的0.75倍，即B2>＝B1+0.75×(R2-R1)。然而宽度不应突然增大。为此，从第一径向位置到第二较大径向位置的宽度的增量应最大是第二半径和第一半径之差的1.25倍，即B2<＝B1+1.25×(R2-R1)。考虑到这一点，在开口的棱角处的较大倒圆可忽略不计。
当在纵截面中观察时，支撑面和互补的保持面可以不同地实施。在最简单的情况下，支撑面和保持面分别是圆柱形表面。这有利于生产并且确保了构件相对于彼此的限定位置。然而，这种设计的缺点是固定台肩和保持台肩中的应力分布。此外可以考虑的是，将支撑面和互补的保持面实施为凸球状或曲线形(沿轴向)。然而，在这种情况中，在保持最低公差的情况下制造表面是不利的。因此，已发现特别有利的是，支撑面和互补的保持面被实施为圆锥面的一部分，即圆锥形。
在使用圆锥形的支撑面和圆锥形的保持面时，进一步有利的是，限定圆锥的张角在30°至90°之间。即在支撑面或保持面与转子轴线之间的角度有利地在15°至45°之间。如果选择至少45°的张角，则具有支撑面的固定台肩和具有保持面的保持台肩的设计是特别有利的。此外，特别有利的是，张角最大为75°。
此外有利的是，从保持台肩到开口的距离相对于开口旁边的剩余腹板的宽度不会太大。因此，基于作为从开口沿周向到最近的侧边缘的距离的腹板宽度以及在保持面中心处的参考点，有利的是，从保持面沿径向到开口的距离不大于腹板宽度。特别有利的是，径向距离在腹板宽度的0.25倍至0.75倍之间。
如果转子构件具有基本平坦的沿圆周方向和径向延伸的形状，则可以特别有利地使用转子构件与开口相组合的根据本发明的设计，该转子构件具有与支撑面相比半径略小的保持面。就此而言，当在转子构件内作用有离心力时，在转子构件中主要出现拉应力以及仅次要的弯曲应力。例如，在这种情况下，拉应力至少为弯曲应力的两倍。在此，保持台肩基本上在轴向上延伸。
为了通过将来自保持台肩的离心力支撑在固定台肩上而将转子构件固定在转子处，进一步有利的是，转子构件可以与保持台肩对置地以朝向转子轴线的内部边缘部分支撑在转子处。为此，转子盘可选地具有与转子盘的端面或与固定台肩间隔开的环绕的环形凸起。替代地可以规定，相应的环形凸起设置在与转子盘相邻的第二转子盘处。至少在转子盘或第二转子盘处的相应环形凸起形成朝向固定台肩的贴靠面，转子构件的内部边缘部分贴靠在该贴靠面处并且可以在轴向上被支撑。
根据本发明的实施方式特别有利地适用于可以安装多个沿圆周分布的转子叶片的转子盘。为此，转子盘沿圆周分布地具有在轴向上穿过转子盘的多个叶片保持槽。在此，叶片保持槽在转子盘的一个端面上至少部分地被沿圆周分布的转子构件覆盖。
附图说明
在以下附图中，绘制了在转子构件和转子盘之间的连接区域中转子的示例性实施方式。其中：
在图1中以纵截面部分地绘制了转子盘以及固定在转子盘上的转子构件。
图2以横向于转子轴线的截面示出了转子盘和转子构件的布置方式。
具体实施方式
在图1中以沿转子轴线的纵截面示意性地绘制了在转子构件11和转子盘01之间的连接区域中的转子盘01和转子构件11。可以看到，转子盘01具有位于径向外圆周处的叶片保持槽02。该叶片保持槽02用于容纳转子叶片(在此未示出)。在此，转子盘01具有固定台肩04，该固定台肩04在周向上且在轴向上延伸，并且在朝向转子轴线的一侧具有支撑面05。在该实施例中，仅示例性地将支撑面05绘制为实施得略微倾斜和略微凸出。通常，作为简单的合适形状可以将支撑面选择为圆锥形。此外，转子盘01与固定台肩04相间隔地具有在径向上向外延伸的环绕的环形凸起07。就此而言，在该实施例中，在固定台肩04下方且在环形凸起07之后形成环绕的槽。
还可以看到，固定在转子盘01处的转子构件11。为此，转子构件11具有保持台肩14，该保持台肩14同样沿周向和轴向延伸。类似地，保持台肩14形成保持面15，该保持面15设置在径向向外的一侧。在此，保持面15和支撑面05彼此互补。保持台肩14设置在转子构件11的朝向转子轴线的端部附近，其中内部边缘部分17在端部处位于朝向转子轴线的一侧。在此，该内部边缘部分17在轴向上贴靠在转子盘01的环形凸起07处。在由于转子的旋转而产生相应的离心力时，转子构件11通过具有保持面15的保持台肩14支撑在固定台肩04的支撑面05处，这会产生转子构件11中的力矩，该力矩由内部边缘部分17与环形凸起07的贴靠处来支撑。
支撑面05和保持面15的几何形状至关重要，其中当沿轴向观察时其在支承宽度10上彼此贴靠。也就是说，固定台肩04或保持台肩14的在支承宽度10上彼此贴靠的表面被视为支撑面05和保持面15。在此，支撑面05作为围绕转子轴线的旋转面具有支撑半径06。相对于此，转子构件11的保持面15同样被设计为旋转面的一部分，其相应地具有保持半径16。为了进行相应的比较，在相同的轴向位置处确定支撑半径06和保持半径16。现在至关重要的是，保持半径16小于支撑半径06，从而保持面15的旋转轴线与转子轴线相距一定距离。
此外，转子构件11具有对于该解决方案至关重要的开口12，该开口沿轴向穿透转子构件11。该开口12在径向上设置在保持台肩14的外部。在此，开口12有利地被设置为沿径向与保持面15的中心相距一定的平均距离23。
为此，在背离转子盘01的方向上观察，图2再次以横向于穿过固定台肩04和保持台肩14的转子轴线的截面绘制了转子盘01和转子构件11的布置方式。在此可看到转子部件11具有内部边缘部分17，该内部边缘部分17在轴向上贴靠在环形凸起07处。
对于本发明重要的是，现在应考虑将在朝向转子轴线的一侧设置在固定台肩04处的具有在此示出的支撑半径06的支撑面05与沿径向向外包括具有保持半径16的保持面15的保持台肩14相组合。可以看出(放大地示出)，在此规定保持半径16的值比对置的相应支撑半径06小。
当沿圆周方向观察时，最初保持面15与支撑面05不完全贴靠的这种设计在由于转子的相应旋转而产生较高离心力的情况下实现两个表面05、15之间的均匀的支承应力。
开口12位于保持台肩14的径向外部，其中相应地在开口12的两侧保留有转子构件处的两个腹板。开口12又有助于在保持面15和支撑面05之间的均匀的支承应力。此外规定，开口12具有周向上的宽度22，其约为转子构件11的宽度21的一半。相应地在两侧保留有具有腹板宽度24的腹板。在此，就开口的位置而言，应有利地考虑从保持面15的中心到开口12的径向距离23不大于腹板宽度24。
此外可以看出，开口12随着半径的增大而变宽。为了最佳的应力分布，有利的是，在开口沿周向的侧面与径向中心轴线之间的角度约为20°。此外，可以有利地规定，在该侧面的上端部和该侧面的下端部设置有较大的倒圆。

Claims (16)

1.一种转子，特别是燃气涡轮机的转子，所述转子具有一个转子轴线和一个转子盘(01)，所述转子盘(01)具有一个环绕的固定台肩(04)，所述固定台肩具有朝向所述转子轴线并围绕所述转子轴线旋转的一个支撑面(05)，并且所述转子具有周向分布的多个转子构件(11)，所述多个转子构件(11)分别具有一个保持台肩(14)，所述保持台肩(14)具有一个保持面(15)，所述保持面(15)与所述支撑面(05)互补并形成一个旋转面的一部分，其中在垂直于所述转子轴线的每个横截面中，所述支撑面(05)具有一个支撑半径(06)并且所述保持面(15)具有一个保持半径(16)，
其特征在于，
所述保持半径(16)至少是所述支撑半径(06)的0.99倍，并且最大是所述支撑半径(06)的0.9995倍，其中所述转子构件(11)沿径向在所述保持面(15)的外侧具有一个开口(12)，所述开口(12)在周向上的宽度(22)至少是所述转子构件(11)在周向上的宽度(21)的0.25倍，并且最大是所述转子构件(11)在周向上的宽度(21)的0.75倍。
2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述保持半径(16)至少是所述支撑半径(06)的0.999倍。
3.根据权利要求1或2所述的转子，其特征在于，所述开口(12)在周向上的宽度(22)至少是所述转子构件(11)在周向上的宽度(21)的0.4倍和/或至多是所述转子构件(11)在周向上的宽度(21)的0.6倍。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的转子，其特征在于，所述开口(12)随着半径的增大而加宽，其中在周向上的宽度差介于在径向上的宽度差的0.75倍至1.25倍之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的转子，其特征在于，所述支撑面(05)和所述保持面(06)被实施为圆锥形，其中张角在30°至90°之间，特别是在45°至75°之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的转子，其特征在于，从所述保持面(15)的中心沿径向到所述开口(12)的距离(23)最大为从所述开口(12)沿所述转子构件(11)的周向到边缘的距离(24)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的转子，其特征在于，所述转子构件(11)具有基本上在周向和径向上延伸的形状，其中所述保持台肩(14)在轴向上延伸。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的转子，其特征在于，所述转子盘(01)和/或与所述转子盘(01)相邻的第二转子盘具有与所述转子盘(01)的端面间隔开的一个环绕的环形凸起，并且所述转子构件(11)在朝向所述转子轴线的一侧具有一个内部边缘部分(17)，其中所述内部边缘部分(17)在轴向上与所述保持台肩(14)对置地支撑在所述环形凸起(07)处。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的转子，其特征在于，所述转子盘(01)具有沿圆周分布的轴向贯通的多个叶片保持槽(02)，并且所述多个转子构件(11)在所述转子盘的端面上至少部分地覆盖所述多个叶片保持槽(02)。
10.一种用于根据前述权利要求中任一项所述的转子的转子构件(11)，所述转子构件(11)具有一个保持台肩(14)，所述保持台肩(14)具有一个保持面(15)，所述保持面(15)与所述转子盘(01)的支撑面(05)互补并形成一个旋转面一部分，其中在垂直于转子轴线的每个横截面中，所述保持面(15)具有一个保持半径(16)，
其特征在于，
沿径向设置在所述保持面(15)之外的一个开口(12)，所述开口(12)在周向上的宽度(22)至少是所述转子构件(11)在周向上的宽度(21)的0.25倍，并且最大是所述转子构件(11)在周向上的宽度(21)的0.75倍，
其中所述保持半径(16)至少是常规支撑半径(06)的0.99倍并且至多是所述常规支撑半径(06)的0.9995倍。
11.根据权利要求10所述的转子构件(11)，其特征在于，所述保持半径(16)至少是所述常规支撑半径(06)的0.999倍。
12.根据权利要求10或11所述的转子构件(11)，其特征在于，所述开口(12)在周向上的宽度(22)至少是在周向上的宽度(21)的0.4倍和/或至多是在周向上的宽度(21)的0.6倍。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的转子构件(11)，其特征在于，所述开口(12)随着半径的增大而加宽，其中在周向上的宽度差介于在径向上的宽度差的0.75倍至1.25倍之间。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的转子构件(11)，其特征在于，所述保持面(06)被实施为圆锥形，其中张角在30°至90°之间，特别是在45°至75°之间。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的转子构件(11)，其特征在于，从所述保持面(15)的中心沿径向到所述开口(12)的距离(23)最大是从所述开口(12)沿周向到边缘的距离(24)。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的转子构件(11)，其特征在于，所述转子构件(11)具有基本上在周向和径向上延伸的形状，其中所述保持台肩(14)在轴向上延伸。
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