DE102004007327A1 - Rotor - Google Patents
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Abstract
Ein Rotor (11) einer thermisch belasteten Turbomaschine, insbesondere eines Kompressors (10) oder einer Gasturbine, ist um eine Rotorachse (21) drehbar gelagert und konzentrisch von einem Heißgaskanal (12) oder Kühlluftkanal umgeben. Eine deutliche Verbesserung der thermischen Belastbarkeit bei geringem materialtechnischem Mehraufwand wird dadurch erreicht, dass der Rotor (11) einen Rotorkern (22) aus einem ersten Material umfasst, dass der Rotorkern (22) konzentrisch von Abschirmringen (18) aus einem zweiten Material umgeben ist, welche den Rotorkern (22) gegen die Temperatur im Heißgaskanal (12) bzw. Kühlluftkanal abschirmen, wobei das zweite Material gegenüber dem ersten Material eine höhere Wärmefestigkeit aufweist, und dass die Abschirmringe (18) mit dem Rotorkern (22) stoffschlüssig verbunden sind.
Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Turbomaschinen. Sie betrifft einen Rotor gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- STAND DER TECHNIK
- Rotoren für den Hochtemperatureinsatz bei Gas- oder Dampfturbinen werden wegen der niedrigeren Materialkosten, der besseren Schweissbarkeit und Ultraschall-Testbarkeit und wegen der günstigeren bruchmechanischen Eigenschaften vorzugsweise aus ferritischen Stählen hergestellt. Oberhalb von 450°C fallen jedoch die mechanischen Eigenschaften von ferritischen Stählen so stark ab, dass der Einsatz von austenitischen Stählen notwendig wird.
- Seit langer Zeit wird der in Gasturbinen unterhalb des Heissgaskanals liegende Rotor durch separate Schaufeln und Hitzeschilde aus Hochtemperaturmaterialien abgeschirmt. Diese Abschirmung hat jedoch eine hochgradig segmentierte Struktur und die einzelnen Elemente sind nur durch Haken verschiedener Art am Rotor befestigt. Wenn ein ferritisches Material für den Rotor eingesetzt wird, werden relativ grosse Mengen Kühlluft von maximal 450°C zur Spülung der Zwischenräume zwischen dem Rotor und den Abschirmelementen benötigt.
- Kompressoren sind, selbst wenn sie Auslasstemperaturen von mehr als etwa 450°C hatten, bisher meist ohne irgendeine Abschirmung und Kühlung ausgelegt worden, weil die reine Abschirmung nur wenig Hilfe gegen zu hohe Spitzenlasten bringt und die Kühlung mit einer Rückführung von Kühlluft in den Kompressorkanal den Wirkungsgrad verschlechtert.
- Gleichwohl ist auch bei Kompressoren bereits der Einsatz von Hitzeschilden zur Abschirmung des Rotors vom Heissgaskanal vorgeschlagen worden (siehe die US-A-5,842,831 und die US-B1-6,416,276). Die Hitzeschilde sind bei diesen bekannten Abschirmungen formschlüssig am Rotor befestigt. Sie weisen daher dieselben Nachteile auf, die weiter oben bereits für die Gasturbinen mit segmentierter Abschirmung angeführt worden sind.
- DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
- Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Rotor für den Betrieb bei erhöhten Temperaturen zu schaffen, der die Nachteile bekannter Rotoren vermeidet und insbesondere die Verwendung eines günstigeren Materials für den Rotor ermöglicht, ohne wesentliche Abstriche bei der Betriebstemperatur und dem Wirkungsgrad der Maschine machen zu müssen.
- Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, einen Rotorkern aus einem ersten günstigen Material zu fertigen, das für die höheren Temperaturen im Heissgaskanal bzw. Kühlluftkanal nicht ausreicht, und dann den Rotorkern konzentrisch mit Abschirmringen aus einem zweiten Material zu umgeben, welche den Rotorkern gegen die höhere Temperatur im Heissgaskanal bzw. Kühlluftkanal abschirmen, wobei das zweite Material gegenüber dem ersten Material eine höhere Wärmefestigkeit aufweist. Die Abschirmringe werden dabei mit dem Rotorkern stoffschlüssig verbunden.
- Bevorzugt ist das erste Material ein ferritischer Stahl und zweite Material ein austenitischer Stahl.
- Es hat sich besonders bewährt, die Abschirmringe mit dem Rotorkern durch Löter oder Schweissen zu verbinden.
- Die Abschirmwirkung lässt sich weiter verbessern, wenn auf der Innenseite der Abschirmringe zusätzlich Kühlkanäle für das Durchströmen von Kühlluft vorgesehen sind.
- Je nach Position innerhalb des Rotors können die Abschirmringe ausschliesslich zur Abschirmung des Rotorkerns ausgebildet sein und jeweils einen flachen rechteckigen oder keilförmigen Querschnitt aufweisen, oder sie können, wenn sie den Rotorkern gegen die Temperaturen im Heissgaskanal abschirmen, zur Aufnahme von Laufschaufeln ausgebildet sein. Sie können aber auch jeweils ein Querschnittsprofil in Form eines doppelten T aufweisen, um eine grössere radiale Flexibilität und Wärmeisolierung zu erreichen.
- KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
- Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die einzige Figur zeigt in einem längsgeschnittenen Ausschnitt den Rotor eines Kompressors gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
- WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
- In der Figur ist der Ausschnitt eines Rotors
11 eines Kompressors10 im Längsschnitt wiedergegeben. Der Kompressor10 ist Teil einer Gasturbine. Der Ausschnitt umfasst die Hochdruck- und Ausgangsstufen des mehrstufigen Kompressors10 . Der Rotor11 ist innerhalb des Kompressors10 um eine Rotorachse21 drehbar gelagert. Der Rotor11 besteht aus mehreren in axialer Richtung hintereinander angeordneten Rotorringen16a ,16b ,16c , die durch Schweissnähte15 ,17 miteinander verbunden sind. Der Rotor11 ist konzentrisch von einem Heissgaskanal12 umgeben, durch den in Richtung der eingezeichneten Pfeile das komprimierte Gas (Luft) strömt. - Im Heissgaskanal
12 sind in alternierenden Reihen in axialer Richtung hintereinander Laufschaufeln13 und Leitschaufeln14 angeordnet. Die Leitschaufeln14 sind am den Heissgaskanal12 umschliessenden Gehäuse angebracht. Die Laufschaufeln13 sind am Rotor11 befestigt und drehen sich mit dem Rotor11 um die Rotorachse21 . - Der mittlere Rotorring
16b , in dessen Abschnitt sich die Hochdruck- und Ausgangsstufen des Kompressors10 befinden, und der entsprechend den höchsten Temperaturen im Heissgaskanal12 (oder im Kühlluftkanal) ausgesetzt ist, ist aus zwei unterschiedlichen Materialien aufgebaut: Hauptbestandteil ist ein massiver, zentraler Rotorkern22 aus einem ferritischen Stahl. Auf diesen Rotorkern sind in axialer Richtung hintereinander mehrere Abschirmringe18 aus austenitischem Stahl mit Doppel-T-förmigem Querschnittsprofil aufgeschoben und an der Ringinnenfläche mit dem Rotorkern22 verschweisst (Schweissverbindung19 ). In einem anderen Ausführungsbeispiel sind sie verlötet. Zwischen benachbarten Abschirmringen18 sind am äusseren Umfang Aussparungen vorgesehen, die zur Aufnahme und Halterung der Laufschaufeln13 dienen. Unterhalb der Laufschaufeln13 befinden sich zwischen den Abschirmringen18 Hohlräume. Durch den T-förmigen Fussbereich der Abschirmringe18 verlaufen kurz oberhalb der Schweissverbindungen19 in axialer Richtung zusätzliche Kühlkanäle20 , welche die thermische Entkopplung zwischen Rotorkern22 und Heissgaskanal12 bzw. Kühlluftkanal weiter verbessern. - Durch die vorliegende Erfindung wird die thermische Belastbarkeit des Rotors
11 verbessert, ohne dass der Rotor vollständig aus einem austenitischen Material hergestellt werden muss. Durch die Anordnung der Abschirmringe18 aus austenitischem Material zwischen dem Heissgaskanal13 des Kompressors oder dem Kühlluftkanal der Turbine und dem Rotorkern22 aus ferritischem Material können die Temperaturen am Kompressorauslass bzw. der Kühlluft im Kühlluftkanal um etwa 100°C angehoben werden. Gleichzeitig ist nur eine geringe Menge an Kühlluft mit niedrigerer Temperatur zur Kühlung der Innenseite der Abschirmringe18 (mittels der Kühlkanäle20 ) nötig. Hierdurch lassen sich deutliche Verbesserungen im Wirkungsgrad erzielen, ohne dass der Rotor in seiner Gesamtheit aus einem anderen Material gefertigt werden muss. - Insgesamt schlägt die vorliegende Erfindung vor, einen Rotor mit einem Rotorkern aus ferritischem Material einzusetzen, der von relativ dünnen Abschirmringen aus austenitischem Material umgeben ist, die mit dem Rotorkern durch Löten oder Schweissen fest verbunden sind. Der Querschnitt der Abschirmringe kann je nach den lokalen Anforderungen unterschiedlich sein: Breite und flache rechteckige Querschnitte mit einer zylindrischen oder konischen Aussenfläche sind besonders für reine Abschirmzwecke geeignet. Einzelne Ringe können mit Haken für die Halterung von Laufschaufeln versehen sein. Ringe mit Doppel-T-Profil ermöglichen eine grössere radiale Flexibilität und Wärmeisolation. Um den ferritischen Rotorkern vor zu hohen Temperaturen zu schützen, können Kanäle für ein Kühlmedium am inneren Umfang der Abschirmringe integriert sein.
-
- 10
- Kompressor
- 11
- Rotor
- 12
- Heissgaskanal
- 13
- Laufschaufel
- 14
- Leitschaufel
- 15,17
- Schweissnaht
- 16a,b,c
- Rotorring
- 18
- Abschirmring
- 19
- Schweissverbindung
- 20
- Kühlkanal
- 21
- Rotorachse
- 22
- Rotorkern
Claims (7)
- Rotor (
11 ) einer thermisch belasteten Turbomaschine, insbesondere eines Kompressors (10 ) oder einer Gasturbine, welcher Rotor (11 ) um eine Rotorachse (21 ) drehbar gelagert und konzentrisch von einem Heissgaskanal (12 ) oder Kühlluftkanal umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11 ) einen Rotorkern (22 ) aus einem ersten Material umfasst, dass der Rotorkern (22 ) konzentrisch von Abschirmringen (18 ) aus einem zweiten Material umgeben ist, welche den Rotorkern (22 ) gegen die Temperatur im Heissgaskanal (12 ) bzw. Kühlluftkanal abschirmen, wobei das zweite Material gegenüber dem ersten Material eine höhere Wärmefestigkeit aufweist, und dass die Abschirmringe (18 ) mit dem Rotorkern (22 ) stoffschlüssig verbunden sind. - Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material ein ferritischer Stahl ist, und dass das zweite Material ein austenitischer Stahl ist.
- Rotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmringe (
18 ) mit dem Rotorkern (22 ) durch Löten oder Schweissen verbunden sind. - Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Innenseite der Abschirmringe (
18 ) Kühlkanäle (20 ) für das Durchströmen von Kühlluft vorgesehen sind. - Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmringe (
18 ) ausschliesslich zur Abschirmung des Rotorkerns (22 ) ausgebildet sind, und dass die Abschirmringe (18 ) jeweils einen flachen rechteckigen oder keilförmigen Querschnitt aufweisen. - Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmringe (
18 ) den Rotorkern (22 ) gegen die Temperaturen im Heissgaskanal (12 ) abschirmen, und dass die Abschirmringe (18 ) zur Aufnahme von Laufschaufeln (13 ) ausgebildet sind. - Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmringe (
18 ) jeweils ein Querschnittsprofil in Form eines doppelten T aufweisen.
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