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Die
Erfindung betrifft einen Rotor für
eine Turbomaschine, insbesondere für eine Gasturbine, nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung
eine Turbomaschine, eine stationäre
Gasturbine sowie ein Flugtriebwerk.
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Rotoren
von Turbomaschinen weisen im Allgemeinen mehrere Stufen auf, wobei
jede Stufe eine Rotorscheibe umfasst und wobei an der Rotorscheibe
einer jeden Stufe mehrere zusammen mit dem Rotor rotierende Laufschaufeln
befestigt sind. Die Rotorscheiben der mehreren Stufen des Rotors
können
auf unterschiedliche Weise, zum Beispiel durch Schweißen oder
lösbar
durch Verschrauben, miteinander verbunden sein. Die hier vorliegende
Erfindung bezieht sich auf solche Rotoren, deren Rotorscheiben lösbar miteinander
verbunden sind.
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Die
DE 196 27 386 A offenbart
eine Verbindungs-Anordnung für
zwei benachbarte Turbinen-Rotorscheiben, wobei jede der miteinander
zu verbindenden, benachbarten Rotorscheiben mindestens eine sich
in axialer Richtung erstreckende Schale aufweist, und wobei an den
Enden der sich in axialer Richtung erstreckenden Schalen Flansche
angeordnet sind. Ein als Dehnbolzen ausgebildetes Befestigungsmittel
durchdringt gemäß der
DE 196 27 386 A1 die
sich gegenüberliegenden
Flasche zweier benachbarter, miteinander zu verbindender Rotorscheiben
und ist über
Muttern lösbar
mit den Flanschen verbunden.
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Die
DE 198 28 817 C2 offenbart
einen Rotor für
eine Turbomaschine, mit mindestens zwei beschaufelten Stufen, deren
Rotorscheiben lösbar
miteinander verbunden sind. Beim Rotor gemäß
DE 198 28 817 C2 verfügt lediglich
jede zweite Rotorscheibe über
eine sich im Wesentlichen in axialer Richtung erstreckende Schale
mit einem am Ende der jeweiligen Schale angeordneten Flansch. Eine
zwischen zwei solchen Rotorscheiben positionierte, mit diesen Rotorscheiben
zu verbindende Rotorscheibe verfügt über Flansche
im Bereich der Seitenflächen
der jeweiligen Rotorscheibe. Zur Verbindung zweier Flansche von
miteinander zu verbindenden Rotorscheiben dient bei der
DE 198 28 817 C2 ein
als Schraubenbolzen ausgebildetes Befestigungsmittel.
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Die
Rotoren einer Turbomaschine unterliegen während des Betriebs der Turbomaschine
hohen Belastungen, insbesondere einer großen Erwärmung. Zur Temperierung bzw.
Kühlung
des Rotors ist es demnach erforderlich, im Bereich des Rotors entstehende
und sich im Bereich des Rotors anstauende Erwärmungen bzw. Erhitzungen vom
Rotor abzuführen.
Weder die
DE 196 27
386 A1 noch die
DE
198 28 817 C2 schlagen Maßnahmen zur Kühlung bzw. Temperierung
des Rotors vor.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde,
einen neuartigen Rotor für
eine Turbomaschine, insbesondere für eine Gasturbine, zu schaffen.
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Dieses
Problem wird dadurch gelöst,
dass der eingangs genannte Rotor durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.
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Erfindungsgemäß ist in
mindestens einen der Flansche der gegenüberliegenden, miteinander zu
verbindenden Rotorscheiben zusätzlich
zu der oder jeden Ausnehmung bzw. Bohrung für das oder jedes Befestigungsmittel
mindestens eine Ausnehmung bzw. Einkerbung zur Luftführung integriert,
wobei über
die Luftführung
der Rotor temperierbar ist.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein Flansch
bzw. ein Flanschabschnitt einer Zwischenstufendichtung zwischen
die Flansche der gegenüberliegenden,
miteinander zu verbindenden Rotorscheiben geklemmt, wobei der Flansch
bzw. der Flanschabschnitt der Zwischenstufendichtung mindestens
eine Ausnehmung bzw. Nut zur Luftführung aufweist. Die oder jede
Ausnehmung bzw. Nut im Bereich des Flansches bzw. des Flanschabschnitts
der Zwischenstufendichtung wirkt dabei mit der oder jeden Ausnehmungen
bzw. Einkerbung im Bereich des Flansches der Rotorscheibe zur Zwangsbelüftung und
damit zur Temperierung des Rotors zusammen.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung.
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Die
erfindungsgemäße Turbomaschine
ist im Anspruch 8 definiert, die erfindungsgemäße stationäre Gasturbine ist im Anspruch
9 sowie das erfindungsgemäße Flugtriebwerk
ist im Anspruch 10 definiert.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1:
einen Ausschnitt aus einem als Scheibenring ausgebildeten Flansch
einer Rotorscheibe eines erfindungsgemäßen Rotors in der in 2 und 3 durch
die Schnittlinie I-I angedeuteten Richtung;
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2:
einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Rotor nach einem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Längsschnitt,
wobei die Darstellung der 2 den als
Scheibenring ausgebildeten Flansch einer Rotorscheibe in der Schnittrichtung
II-II gemäß 1 zeigt;
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3:
einen weiteren Ausschnitt aus dem erfindungsgemäßen Rotor nach dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Längsschnitt,
wobei die Darstellung der 3 den als
Scheibenring ausgebildeten Flansch einer Rotorscheibe in der Schnittrichtung
III-III gemäß 1 zeigt;
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4:
ein Detail des erfindungsgemäßen Rotors
der 1 bis 3;
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5:
einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Rotor nach einem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Längsschnitt
analog zu 2; und
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6:
einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Rotor nach einem weiteren
Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Längsschnitt
analog zu 2 und 5
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Nachfolgend
wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahmen auf 1 bis 6 in
größerem Detail
beschrieben, wobei 1 bis 4 unterschiedliche
Details eines ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung zeigen. 5 und 6 hingegen
zeigen alternative Ausführungsbeispiele
der Erfindung.
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2 zeigt
einen Längsschnitt
eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Rotors 10 für eine Turbomaschine,
wobei der Rotor 10 gemäß 2 drei
Stufen 11, 12 und 13 aufweist. Jede Stufe 11, 12 bzw. 13 wird
von jeweils einer Rotorscheibe 14, 15 bzw. 16 gebildet,
wobei an jeder der Rotorscheiben 14, 15 bzw. 16 am
radial außenliegenden
Ende Laufschaufeln 17 befestigt sind. Die Laufschaufeln 17 sind
in 2 lediglich teilweise dargestellt.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 2 verfügt jede
der Rotorscheiben 14, 15 bzw. 16 über mindestens
eine, sich im Wesentlichen in Axialrichtung erstreckende, zylindrische
oder kegelförmige
Schale. So umfasst die in 2 linke
Rotorscheibe 14 an ihrer rechten Seite eine zylindrische
Schale 18. Die in 2 mittlere
Rotorscheibe 15 verfügt
an ihrer linken Seite über
eine kegelförmige
Schale 19 und an ihrer rechten Seite über eine zylindrische Schale 20.
Die in 2 rechte Rotorscheibe 16 verfügt an ihrer
linken Seite wiederum um eine kegelförmige Schale 21. An den
Enden der Schalen 18, 19, 20 und 21 sind
Flansche 22, 23, 24 und 25 angeordnet. Über die
Flansche 22 und 23 sind die beiden Rotorscheiben 14 und 15 und über die
Flansche 24 und 25 sind die beiden Rotorscheiben 15 und 16 lösbar miteinander
zu verbinden. Wie 2 entnommen werden kann, sind hierzu
in die Flansche 22, 23, 24 und 25 zueinander fluchtende
Bohrungen 26 eingebracht. In diese Bohrungen 26 greifen
zur lösbaren
Befestigung der Rotorscheiben 14 und 15 bzw. 15 und 16 nichtdargestellte,
vorzugsweise als Schraubenbolzen ausgebildete Befestigungsmittel
ein.
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Wie 2 weiterhin
entnommen werden kann, verfügt
jeweils einer der beiden miteinander zu verbindenden Flansche 22 und 23 sowie 24 und 25 über einen
sich im Wesentlichern in axialer Richtung verlaufenden Stützabschnitt 27.
Im Ausführungsbeispiel
der 2 sind dies die jeweils rechten Flansche 22 und 24.
Die Stützabschnitte 27 der
Flansche 22 und 24 untergreifen den jeweils anderen
Flansch 23 bzw. 25 in axialer Richtung, wobei
sich die nicht-dargestellten Befestigungsmittel an den Stützabschnitten 27 abstützen können, um
ein Verdrehen der Befestigungsmittel zu verhindern.
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2 kann
weiterhin entnommen werden, dass zwischen jeweils zwei benachbarten
Rotorscheiben 11 und 12 sowie 12 und 13 jeweils
eine sogenannte Zwischenstufendichtung 28 sowie 29 angeordnet
ist. Die Zwischenstufendichtungen 28 und 29 werden
im Wesentlichen durch sich in axialer Richtung erstreckende Abschnitte 30 bzw. 31 gebildet.
Im Ausführungsbeispiel
der 2 sind den sich in axialer Richtungen erstreckenden
Abschnitten 30 und 31 der Zwischenstufendichtungen 28 und 29 radial
außen
jeweils zwei Dichtungsvorsprünge 32 zugeordnet.
Die Dichtungsvorsprünge 32 sind
als sich in Umfangsrichtung des Rotors 10 erstreckende,
geschlossene Ringe ausgebildet, die der Abdichtung eines Spalts
zwischen radial innenliegenden Enden nicht-dargestellter, feststehender
Leitschaufeln und dem Rotor 10 dienen. Die Dichtungsvorsprünge 32 werden
auch als Dichtfins bezeichnet. Der Unterschied zwischen den Zwischenstufendichtung 28 und 29 der 2 ist
darin zu sehen, dass die Zwischenstufendichtung 28 mit
einem Flansch 33 zwischen die beiden Flansche 22 und 23 eingeklemmt
ist.
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Während des
Betriebs der Turbomaschine unterliegt insbesondere der Rotor 10 einer
starken Erwärmung.
Um die in Folge der Erwärmung
entstehenden Belastungen des Rotors 10 zu minimieren, ist es
erforderlich, die am Rotor 10 entstehende Wärme vom
Rotor 10 abzuführen.
Die Erfindung schlägt
nun Maßnahmen
vor, die der Abführung
von Wärme
vom Rotor 10 und damit der Kühlung des Rotors 10 dienen.
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Die
hierzu im Sinne der Erfindung vorgeschlagenen Maßnahmen werden nachfolgend
für das
Ausführungsbeispiel
der 1 bis 4 anhand der 1, 3 und 4 beschrieben,
wobei die 1, 3 und 4 Details
der Anordnung gemäß 2 in
unterschiedlichen Ansichten zeigen.
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So
zeigt 1 einen teilweisen Ausschnitt aus dem Flansch 23 der
Rotorscheibe 15. Der Flansch 23 ist als Scheibenring
ausgeführt,
wobei, wie 1 entnommen werden kann, entlang
des Umfangs des Flansches 23 mehrere Bohrungen 26 zum
Eingriff nicht-dargestellter Befestigungsmittel angeordnet sind.
Zwischen jeweils zwei benachbarten Gruppen aus jeweils drei Bohrungen 26 sind
im Ausführungsbeispiel
der 1 Ausnehmungen bzw. Einkerbungen 34 in
den Flansch 23 integriert, wobei die Einkerbungen 34 der
Luftführung
und damit der Temperierung des Rotors 10 dienen. Die Einkerbungen 34 im
Bereich des Flansches 23 sind in 2 nicht
erkennbar, hingegen in 3, die, wie 1 zeigt,
einen gegenüber 2 um
in etwa 30° versetzten
Längsschnitt
durch den Rotor 10 im Bereich der Stufen 11 und 12 zeigt.
So ermöglichen
die Einkerbungen 34 im Bereich des Flansches 23 eine
Durchströmung
desselben in radialer Richtung. Dabei wirken die Einkerbungen 34 im
Bereich der Flansche 23 im gezeigten Ausführungsbeispiel
der 3 mit Ausnehmungen bzw. Nuten 35 sowie 36 zusammen,
die dem Flansch 33 der Zwischenstufendichtung 28 zugeordnet
sind. So ermöglichen
die Einkerbungen 34 im Bereich des Flansches 33 zusammen
mit den Nuten 35 und 36 im Bereich des Flansches 33 eine Durchströmung der
ansonsten nur für
Verbindungszwecke genutzten Flansche in radialer Richtung. Für die Durchströmung wird
dabei das ohnehin am Rotor 10 herrschende Druckpotential
ausgenutzt, das selbstverständlich
davon abhängig
ist, ob der erfindungsgemäße Rotor 10 im
Verdichterbereich oder Turbinenbereich der Turbomaschine zum Einsatz kommt.
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Zur
weiteren Unterstützung
der Luftführung und
damit Temperierung bzw. Kühlung
des Rotors 10 sind in den axial verlaufenden Abschnitt 30 der
Zwischenstufendichtung 28 Ausnehmungen bzw. Bohrungen 37 eingebracht. Über die
Ausnehmungen 34, 35, 36 und 37 ist
eine Durchströmung
der gezeigten Anordnung vom radial innenliegenden Bereich des Rotors 10 in
einen Hauptströmungskanal
der Turbomaschine möglich. 4 zeigt
die Zwischenstufendichtung 28 in Alleindarstellung. So
sind in 4 die Ausnehmungen 35, 36 und 37 zur
Verdeutlichung schwarz unterlegt.
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Bereits
an dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass im Sinne der hier
vorliegenden Erfindung die Ausnehmungen zur Luftführung und
damit zur Temperierung des Rotors erfindungsgemäß in den Bereich der Flansche,
die nach dem Stand der Technik ausschließlich der Verbindung zweier
benachbarter Rotorscheiben dienen, gelegt werden. So liegt der Erfindung
die Erkenntnis zugrunde, dass eine andere Positionierung der Ausnehmungen
aus Stabilitätsgründen ungünstig wäre. Eine
Verlegung der Ausnehmungen zur Luftführung in den Bereich der zylinderförmigen bzw.
keilförmigen
Schalen 18, 19, 20 bzw. 21 wäre aus Festigkeitsgründen nachteilig,
da die Schalen die beim Betrieb des Rotors wirkenden Torsionskräfte sicher
aufnehmen müssen.
Ausnehmungen im Bereich der Schalen 18, 19, 20 bzw. 21 würde deren
Torsionssteifigkeit beeinträchtigen.
Eine Luftführung
durch die Flansche hingegen beeinträchtigt die Torsionssteifigkeit
und damit die Lebensdauer der Schalen und damit Rotorscheiben nicht.
Weiterhin wird es durch die Erfindung möglich, hohe Temperaturgradienten
zwischen benachbarten Bauteilen zu vermeiden. Auch dies erhöht die Lebensdauer
des Rotors.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 5 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 4,
sodass zur Vermeidung unnötiger
Wiederholungen für
gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet werden. Das Ausführungsbeispiel
der 5 unterscheidet sich, wie am besten einem Vergleich
mit 2 entnommen werden kann, vom Ausführungsbeispiel
der 1 bis 4 lediglich durch die Ausgestaltung
des Flansches 23 der Rotorscheibe 15 und des Flansches 33 der
Zwischenstufendichtung 28. So verfügt der Flansch 33 der
Zwischenstufendichtung 28 beim Ausführungsbeispiel der 2 über Nuten 35,
die sich in radialer Richtung erstrecken, sowie über Nuten 36, die
in axialer Richtung verlaufen. Die in axialer verlaufenden Nuten 36 des
Flansches 33 werden gemäß 2 von
einem im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufenden Abschnitt 38 des
Flansche 23 umgriffen. Im Ausführungsbeispiel der 5 hingegen
verfügt der
Flansch 33 der Zwischenstufendichtung 28 lediglich über die
in radialer Richtung verlaufenden Nuten 35. Auf die in
axialer Richtung verlaufenden Nuten 36 sowie den sich im
Wesentlichen in axialer Richtung erstreckenden Abschnitt 38 des
Flansches 23 wird im Ausführungsbeispiel der 5 verzichtet.
Die Wirkungsweise der Luftführung
und damit Temperierung des Rotors 10 wird hierdurch jedoch
nicht geändert.
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Gleiches
gilt für
das Ausführungsbeispiel
der 6, für
welches wiederum zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen für gleiche
Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet werden. So verfügt beim Ausführungsbeispiel
der 6 der Flansch 33 der Zwischenstufendichtung 28 wiederum
lediglich über sich
in radialer Richtung erstreckenden Nuten 35, dem Flansch 23 der
Rotorscheibe 15 sind jedoch neben den in 6 nicht-dargestellten
Einkerbungen 34 in axialer Richtung verlaufende Nuten 39 zugeordnet,
die von einem Abschnitt 40 der Zwischenstufendichtung 28 umgriffen
werden. Auch mit der in 6 gezeigten Ausführungsform
der hier vorliegenden Erfindung ist die erfindungsgemäße Luftführung und damit
Temperierung bzw. Kühlung
des Rotors 10 möglich.
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Der
erfindungsgemäße Rotor 10 findet
bevorzugt Verwendung in Gasturbinen, insbesondere in Flugtriebwerken.
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- 10
- Rotor
- 11
- Stufe
- 12
- Stufe
- 13
- Stufe
- 14
- Rotorscheibe
- 15
- Rotorscheibe
- 16
- Rotorscheibe
- 17
- Laufschaufel
- 18
- Schale
- 19
- Schale
- 20
- Schale
- 21
- Schale
- 22
- Flansch
- 23
- Flansch
- 24
- Flansch
- 25
- Flansch
- 26
- Ausnehmung/Bohrung
- 27
- Stützabschnitt
- 28
- Zwischenstufendichtung
- 29
- Zwischenstufendichtung
- 30
- Abschnitt
- 31
- Abschnitt
- 32
- Dichtungsvorsprung
- 33
- Flansch
- 34
- Ausnehmung/Einkerbung
- 35
- Ausnehmung/Nut
- 36
- Ausnehmung/Nut
- 37
- Ausnehmung/Bohrung
- 38
- Abschnitt
- 39
- Ausnehmung/Nut
- 40
- Abschnitt