DE102013005431A1

DE102013005431A1 - Axialströmungsmaschine

Info

Publication number: DE102013005431A1
Application number: DE102013005431.1A
Authority: DE
Inventors: Emil Aschenbruck; Carsten Bennewa
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2014-10-02
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: DE102013005431B4; JP2014194217A; JP6258733B2

Abstract

Axialströmungsmaschine, nämlich Axialturbine oder Axialverdichter, mit einem Stator (2), der ein einen Strömungskanal (5) für ein zu entspannendes Arbeitsmedium oder ein zu verdichtendes Arbeitsmedium definierendes Gehäuse (4) und in den Strömungskanal (5) hineinragende Leitschaufeln (6) aufweist, und mit einem mindestens einsstufigen Rotor (3), wobei die oder jede Stufe des Rotors (3) jeweils eine radial innere Rotorscheibe (7) und in den Strömungskanal (5) hineinragende, radial äußere Laufschaufeln (8) aufweist, wobei der Rotor (3) über einen Zuganker (12), der sich in einer radial inneren Ausnehmung des Rotors (3) erstreckt, in Axialrichtung verpresst ist, wobei zwischen dem Zuganker (12) und der oder jeder Rotorscheibe (7) ein Sperrdruckkanal (15) ausgebildet ist, wobei zwischen dem Strömungskanal (5) und dem Sperrdruckkanal (15) ein Ausgleichsdruckanal (18) ausgebildet ist, und wobei der Druck im Sperrdruckkanal (15) größer als der Druck im Ausgleichsdruckanal (18) und der Druck im Strömungskanal (5) ebenfalls größer als im Ausgleichsdruckanal (18) ist, sodass Arbeitsmedium ausgehend vom Strömungskanal (5) ausschließlich in den Ausgleichsdruckanal (18) jedoch nicht in den Sperrdruckkanal (15) gelangt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Axialströmungsmaschine, nämlich eine Axialturbine oder einen Axialverdichter, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der Praxis bekannte Axialströmungsmaschinen verfügen über einen Stator und einen Rotor. Der Stator einer Axialströmungsmaschine umfasst ein Gehäuse, welches einen Strömungskanal für ein zu verdichtendes Arbeitsmedium oder für ein zu entspannendes Arbeitsmedium bereitstellt, wobei in den Strömungskanal statorseitige Leitschaufeln hineinragen. Der Rotor einer solchen Axialströmungsmaschine ist typischerweise als mehrstufiger Rotor ausgeführt, wobei jede Stufe eines solchen Rotors eine radial innere Rotorscheibe und in den Strömungskanal hineinragende, mit der jeweiligen Rotorscheibe verbundene, radial äußere Laufschaufeln aufweist. Der Rotor ist über einen Zuganker verpresst, wobei sich der Zuganker in einer radial inneren Ausnehmung des Rotors in Axialrichtung erstreckt. Insbesondere dann, wenn es sich beim Arbeitsmedium um ein aggressives Medium handelt, zum Beispiel um ein säurehaltiges Arbeitsmedium, muss gewährleistet werden, dass das Arbeitsmedium nur mit solchen Baugruppen der Axialströmungsmaschine in Kontakt kommt, die aus einem entsprechend resistenten Werkstoff gefertigt bzw. mit einem solchen Werkstoff beschichtet sind. Insbesondere muss vermieden werden, dass das aggressive Arbeitsmedium in den Bereich von Verbindungsstellen des Rotors gelangen und nach radial innen in Richtung auf den Zuganker strömen kann.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Axialströmungsmaschine zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine Axialströmungsmaschine nach Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist zwischen dem Zuganker und der oder jeder Rotorscheibe ein Sperrdruckkanal ausgebildet, wobei zwischen dem Strömungskanal und dem Sperrdruckkanal ein Ausgleichsdruckanal ausgebildet ist, und wobei der Druck im Sperrdruckkanal größer als der Druck im Ausgleichsdruckanal und der Druck im Strömungskanal ebenfalls größer als im Ausgleichsdruckanal ist, sodass Arbeitsmedium ausgehend vom Strömungskanal ausschließlich in den Ausgleichsdruckanal jedoch nicht in den Sperrdruckkanal gelangt.
Das Zusammenspiel des Strömungskanals, Ausgleichsdruckkanals und Sperrdruckkanals stellt ein völlig neuartiges und effektives Dichtungskonzept für eine Axialströmungsmaschine bereit. Das Arbeitsmedium kann ausschließlich in den Ausgleichsdruckkanal strömen und demnach nicht in den Bereich von Verbindungsstellen des Rotors gelangen. Dem wirkt der Sperrdruckkanal entgegen, in welchem ein höherer Druck herrscht als im Ausgleichsdruckkanal. Sperrmedium, welches dem Sperrdruckkanal bereitgestellt wird, strömt demnach in den Ausgleichsdruckkanal. Es wird jedoch verhindert, dass Arbeitsmedium aus dem Ausgleichsdruckkanal in den Sperrdruckkanal gelangt. Das Arbeitsmedium und Sperrmedium, welches in den Ausgleichsdruckkanal gelangt, kann im Ausgleichsdruckkanal parallel zum Strömungskanal geführt und vorzugsweise an einem niederdruckseitigen Abschnitt des Strömungskanals in denselben eingeleitet werden.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung erstreckt sich der Ausgleichsdruckanal ausgehend von einem hochdruckseitigen Abschnitt des Rotors bis zu einem niederdruckseitigen Abschnitt des Rotors. Der Ausgleichsdruckanal für das Arbeitsmedium, welches ausgehend vom Strömungskanal in den Ausgleichsdruckanal strömt, bildet vorzugsweise einen Bypass, um das Arbeitsmedium im Bereich des niederdruckseitigen Abschnitts des Rotors zurück in den Strömungskanal zu leiten. Der Sperrdruckkanal erstreckt sich ebenfalls ausgehend von dem hochdruckseitigen Abschnitt des Rotors bis zu dem niederdruckseitigen Abschnitt des Rotors, und zwar in Axialrichtung zwischen dem Zuganker und der oder jeder Rotorscheibe.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1: eine erfindungsgemäße Axialströmungsmaschine im ausschnittsweisen Querschnitt.
Die Erfindung betrifft eine Axialströmungsmaschine, insbesondere eine Axialturbine oder einen Axialverdichter. 1 zeigt einen schematisierten Ausschnitt aus einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Axialströmungsmaschine 1, wobei die Axialströmungsmaschine einen Stator 2 und einen Rotor 3 umfasst.
Der Stator 2 der Axialströmungsmaschine 1 weist ein Gehäuse 4 auf, welches einen Strömungskanal 5 für ein zu entspannendes Arbeitsmedium oder ein zu verdichtendes Arbeitsmedium definiert. Bei einem Axialverdichter stellt das Gehäuse 4 einen Strömungskanal 5 für ein zu verdichtendes Arbeitsmedium und bei einer Axialturbine für ein zu entspannendes Arbeitsmedium bereit. Der Stator 2 verfügt weiterhin über statorseitige Leitschaufeln 6, die in den Strömungskanal 5 für das Arbeitsmedium hineinragen.
Der Rotor 3 des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels der Axialströmungsmaschine ist mehrstufig ausgeführt, nämlich gemäß 1 zweistufig, wobei jede Stufe des Rotors 3 eine radial innere Rotorscheibe 7 aufweist, an der in den Strömungskanal 5 für das Arbeitsmedium hineinragende, radial äußere Laufschaufeln 8 befestigt sind. Die beiden Rotorscheiben 7 der beiden Stufen sind in Axialrichtung gesehen hintereinander positioniert und im Bereich von Verbindungsstellen 9 über eine sogenannte Hirth-Verzahnung 10 miteinander gekoppelt.
Ein nabenseitiger Wellenstumpf 11 des Rotors 3 ist ebenfalls im Bereich einer Verbindungsstelle 9 über eine sogenannte Hirth-Verzahnung 10 mit einer der beiden Rotorstufen, nämlich mit der Rotorscheibe 7 der hochdruckseitigen Rotorstufe 7, verbunden.
Der Rotor 3 der Axialströmungsmaschine 1, welcher im gezeigten Ausführungsbeispiel die beiden Rotorscheiben 7 und den Wellenstumpf 11 umfasst, ist über einen Zuganker 12 verpresst, wobei sich der Zuganker 12 in Axialrichtung in einer radial inneren Ausnehmung der Rotorscheiben 7 sowie des Wellenstumpfs 11 erstreckt. Mit dem Zuganker 12 wirkt zum Verpressen des Rotors 3 eine Mutter 13 sowie eine Abschlusskappe 14 zusammen.
Im Sinne der Erfindung erstreckt sich zwischen dem Zuganker 12 und den Rotorscheiben 7 ein Sperrdruckkanal 15. Der Sperrdruckkanal 15 kann vorzugsweise über einen statorseitigen Dichtungsträger 16 im Sinne der Strömung 17 mit einem Sperrmedium beaufschlagt werden. Zwischen dem Strömungskanal 5 für das Arbeitsmedium und dem Sperrdruckkanal 15 ist ein Ausgleichsdruckkanal 18 ausgebildet, der vorzugsweise über Durchtrittsausnehmungen 19 in den Rotorscheiben 7 bereitgestellt ist.
Der Druck im Sperrdruckkanal 15 ist größer als der Druck im Ausgleichsdruckkanal 19. Ebenso ist der Druck im Strömungskanal 5 größer als der Druck im Ausgleichsdruckkanal 19. Arbeitsmedium, welches aus dem Strömungskanal 5 im Sinne der Strömung 20 über Dichtungen 22 in den Bereich des Ausgleichsdruckkanals 19 gelangt, verbleibt im Ausgleichsdruckkanal 19 und kann nicht weiter nach radial innen in den Bereich des Sperrdruckkanals 15 gelangen. Dem wirkt der im Vergleich zum Ausgleichsdruckkanal 19 erhöhte Sperrdruck im Sperrdruckkanal 15 entgegen. Arbeitsmedium, welches den Strömungskanal 5 durchströmen soll, kann demnach ausschließlich in den Bereich des Ausgleichsdruckkanals 18 jedoch nicht in den Bereich des Sperrdruckkanals 15 und damit nicht in den Bereich der Verbindungsstellen 9 des Rotors 3 gelangen.
Der Ausgleichsdruckkanal 18 erstreckt sich ausgehend von einem hochdruckseitigen Abschnitt des Rotors 3 bzw. der Axialströmungsmaschine 1 in Richtung auf einen niederdruckseitigen Abschnitt des Rotors 3 bzw. der Axialströmungsmaschine 1. Ebenso erstreckt sich der Sperrdruckkanal 15 ausgehend von dem hochdruckseitigen Abschnitt des Rotors 3 bzw. der Axialströmungsmaschine 1 in Richtung auf den niederdruckseitigen Abschnitt desselben. Im gesamten Ausgleichsdruckkanal 18 herrscht ein in etwa konstanter Ausgleichsdruck. Im gesamten Sperrdruckkanal 15 herrscht ein in etwa konstanter Sperrdruck.
1 visualisiert mit Pfeilen 21 die Strömung des im Sinne des Pfeils 17 über den Dichtungsträger 16 zugeführten Sperrmediums, wobei gemäß 1 ein erster Teil des Sperrmediums durch den Strömungskanal 15, also zwischen dem Zuganker 12 und den Rotorscheiben 7, strömt, wohingegen ein zweiter Teil des Sperrmediums über Dichtungen 23 des Dichtungsträgers 16 strömt. Ein Teil dieses zweiten Teils der Sperrmediumsströmung wird gemäß der Strömung 24 über den Dichtungsträger 16 abgeführt.
Die Durchtrittsausnehmungen 19 in den Rotorscheiben 7 des Rotors 3, die der Ausbildung des Ausgleichsdruckkanals 18 dienen, durchdringen die Rotorscheiben 7 in Axialrichtung des Rotors 3. Wie bereits ausgeführt, erstreckt sich der Ausgleichsdruckkanal 18 ausgehend von einem hochdruckseitigen Abschnitt bzw. hochdruckseitigen Ende des Rotors 3 in Richtung auf einen niederdruckseitigen Abschnitt bzw. ein niederdruckseitiges Ende des Rotors 3, wobei der Ausgleichsdruckkanal 18 für Arbeitsmedium, welches über die Dichtungen 22 vom Strömungskanal 5 in den Ausgleichsdruckkanal 18 gelangt, einen Bypass bildet, um das in den Ausgleichsdruckkanal 18 gelangende Arbeitsmedium im Bereich der niederdruckseitigsten Stufe des Rotors 3 bzw. im Bereich des niederdruckseitigen Endes des Rotors 3 zurück in den Strömungskanal 5 zu leiten. Der im Sperrdruckkanal 15 herrschende Druck ist demnach größer als der niedrigste Druck des Arbeitsmediums im Strömungskanal 5.
Wie bereits ausgeführt, kann Sperrmedium, welches in den Sperrdruckkanal 15 gelangt, ebenfalls in den Bereich des Ausgleichsdruckkanals 18 strömen, wobei hierzu im Bereich der Verbindungsstellen 9 des Rotors 3 sowie im Bereich der mit dem Zuganker 12 zusammenwirkenden Mutter 13 weitere Drucktrittsausnehmungen eingebracht sind, die sich in Radialrichtung des Rotors 3 erstrecken, um einen Durchtritt des Sperrmediums vom Sperrdruckkanal 15 in den Ausgleichsdruckkanal 18 zu ermöglichen.
Die Erfindung schlägt demnach ein völlig neuartiges Dichtungskonzept für eine Axialströmungsmaschine vor. Erfindungsgemäß sind drei unterschiedliche Druckbereiche ausgebildet, nämlich ein erster Druckbereich im Strömungskanal 5, ein zweiter Druckbereich im Sperrdruckkanal 15 und ein dritter Druckbereich im Ausgleichsdruckkanal 18, wobei der Druck des Ausgleichsdruckkanals 18 kleiner ist als der Druck im Strömungskanal 5 und kleiner ist als der Druck im Sperrdruckkanal 15.
Arbeitsmedium, welches ausgehend vom Strömungskanal 5 in den Bereich des Ausgleichsdruckkanals 18 über die Dichtungen 22 strömt, wird im Ausgleichsdruckkanal 18 gefangen und über den Ausgleichsdruckkanal 18 in den Bereich eines niederdruckseitigen Endes der Axialströmungsmaschine 1 abgeführt, um vorzugsweise in diesem niederdruckseitigen Bereich der Axialströmungsmaschine 1 zurück in den Strömungskanal 5 für das Arbeitsmedium geleitet zu werden. Das im Sperrdruckkanal 15 befindliche Sperrmedium, dessen Druck höher ist als der Druck im Ausgleichsdruckkanal 18, verhindert, dass das Arbeitsmedium in den Bereich von Verbindungsstellen 9 des Rotors 3, insbesondere in dem Bereich der Hirth-Verzahnungen 10 desselben, gelangt.
Mit der Erfindung kann sichergestellt werden, dass das Arbeitsmedium nur mit solchen Bereichen bzw. Oberflächen der Axialströmungsmaschine 1 in Kontakt kommt, die aus einem arbeitsmediumsresistenten Werkstoff gefertigt bzw. mit einem solchen Werkstoff beschichtet sind.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass der Rotor 3 nur geringen axialen Schubkräften ausgesetzt ist, da der Rotor 3 radial innen im Nabenbereich hinsichtlich der Schubkräfte ausgeglichen ist.
Da im gesamten Ausgleichsdruckkanal 18 ein relativ geringer Druck herrscht, ist nur wenig Sperrmedium zur Bereitstellung der Dichtfunktion für die Axialströmungsmaschine 1 erforderlich.
Alle statischen und dynamischen Dichtstellen können effektiv abgedichtet werden. Alle Leckageströmungen fließen in den Ausgleichsdruckkanal 18. Der Ausgleichsdruckkanal 18 mündet vorzugsweise an einem stromabwärtigen Ende desselben in einen niederdruckseitigen Abschnitt des Strömungskanals 5. Bei einer Axialturbine ist dieser niederdruckseitige Abschnitt des Strömungskanals 5 austrittseitig und bei einem Axialverdichter eintrittseitig positioniert.
Der Sperrdruckkanal 15 wird zentral über den Dichtungsträger 16 mit Sperrmedium gespeist. Dies erlaubt eine besonders einfache Ausführung der Axialströmungsmaschine 1.
Bezugszeichenliste

1: Axialströmungsmaschine
2: Stator
3: Rotor
4: Gehäuse
5: Strömungskanal
6: Leitschaufel
7: Rotorscheibe
8: Laufschaufel
9: Verbindungsstelle
10: Hirth-Verzahnung
11: Wellenstumpf
12: Zuganker
13: Muter
14: Abschlusskappe
15: Sperrdruckkanal
16: Dichtungsträger
17: Strömung
18: Ausgleichdruckkanal
19: Durchtrittsausnehmung
20: Strömung
21: Strömung
22: Dichtung
23: Dichtung
24: Strömung

Claims

Axialströmungsmaschine, nämlich Axialturbine oder Axialverdichter, mit einem Stator (2), der ein einen Strömungskanal (5) für ein zu entspannendes Arbeitsmedium oder ein zu verdichtendes Arbeitsmedium definierendes Gehäuse (4) und in den Strömungskanal (5) hineinragende Leitschaufeln (6) aufweist, und mit einem mindestens einsstufigen Rotor (3), wobei die oder jede Stufe des Rotors (3) jeweils eine radial innere Rotorscheibe (7) und in den Strömungskanal (5) hineinragende, radial äußere Laufschaufeln (8) aufweist, wobei der Rotor (3) über einen Zuganker (12), der sich in einer radial inneren Ausnehmung des Rotors (3) erstreckt, in Axialrichtung verpresst ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zuganker (12) und der oder jeder Rotorscheibe (7) ein Sperrdruckkanal (15) ausgebildet ist, und dass zwischen dem Strömungskanal (5) und dem Sperrdruckkanal (15) ein Ausgleichsdruckanal (18) ausgebildet ist, wobei der Druck im Sperrdruckkanal (15) größer als der Druck im Ausgleichsdruckanal (18) und der Druck im Strömungskanal (5) ebenfalls größer als im Ausgleichsdruckanal (18) ist, sodass Arbeitsmedium ausgehend vom Strömungskanal (5) ausschließlich in den Ausgleichsdruckanal (18) jedoch nicht in den Sperrdruckkanal (15) gelangt.
Axialströmungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsdruckanal (18) über die oder jede Rotorscheibe (7) durchdringende Durchtrittsausnehmungen (19) gebildet ist.
Axialströmungsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Durchtrittsausnehmungen (19), welche die jeweilige Rotorscheibe (7) durchdringen, in Axialrichtung des Rotors (3) erstrecken.
Axialströmungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ausgleichsdruckanal (18) ausgehend von einem hochdruckseitigen Abschnitt des Rotors (3) bis zu einem niederdruckseitigen Abschnitt des Rotors (3) erstreckt.
Axialströmungsmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsdruckanal (18) für das Arbeitsmedium, welches ausgehend vom Strömungskanal (5) in den Ausgleichsdruckanal (18) strömt, einen Bypass bildet, um das Arbeitsmedium im Bereich des niederdruckseitigen Abschnitts des Rotors (3) zurück in den Strömungskanal (5) zu leiten.
Axialströmungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich von Verbindungsstellen (9) des Rotors (3) sowie im Bereich einer mit dem Zuganker (12) zusammenwirkenden Mutter (13) Durchtrittsausnehmungen durch die oder jede Rotorscheibe (7) und die Mutter (13) ausgebildet sind, um einen Durchtritt des Sperrmediums vom Sperrdruckkanal (15) in den Ausgleichsdruckanal (18) zu ermöglichen.
Axialströmungsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Durchtrittsausnehmungen, die den Durchtritt des Sperrmediums vom Sperrdruckkanal (15) in den Ausgleichsdruckanal (18) ermöglichen, in Radialrichtung des Rotors (3) erstrecken.
Axialströmungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Sperrdruckkanal (15) ausgehend von einem hochdruckseitigen Abschnitt des Rotors (3) bis zu einem niederdruckseitigen Abschnitt des Rotors (3) in Axialrichtung zwischen dem Zuganker (12) und der oder jeder Rotorscheibe (7) erstreckt.
Axialströmungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrdruckkanal (15) über einen statorseitigen Dichtungsträger (16) mit Sperrmedium versorgbar ist.