DE19914227A1

DE19914227A1 - Wärmeschutzvorrichtung in Gasturbinen

Info

Publication number: DE19914227A1
Application number: DE19914227A
Authority: DE
Inventors: Robert Marmilic; Ulrich Waltke; Uy-Liem Nguyen
Original assignee: ABB Alstom Power Switzerland Ltd
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2000-10-05
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: DE19914227B4; US6416276B1; GB2350408A; GB2350408B; GB0007633D0

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor (1) einer Turobmaschine, wobei der Rotor (1) ein Rotorgrundelement (2) und eine Vielzahl von Laufschaufeln (3, 3', 3'', 3''') umfaßt. Die Laufschaufeln (3, 3', 3'', 3''') sind in zumindest einer Reihe am Umfang des Rotorgrundelements (2) verteilt angeordnet. Darüber hinaus ist vor und/oder hinter der Laufschaufelreihe ein Bereich für eine Leitschaufelreihe vorgesehen. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Rotorgrundelement (2) und den Laufschaufeln (3, 3', 3'', 3''') der Laufschaufelreihe ein Wärmeschutzelement (4) oder mehrere am Umfang des Rotors (1) aneinandergereihte Wärmeschutzelemente (4', 4'', 4''') so angeordnet, daß das Rotorgrundelement (2) in den Bereichen der Laufschaufelreihe und der Leitschaufelreihe vollständig bedeckt ist. Die Wärmeschutzelemente (4, 4', 4'', 4''') erstrecken sich hierbei jeweils zumindest über den Bereich einer Laufschaufelreihe und zumindest einen Teil des Bereichs mindestens einer Leitschaufelreihe.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmeschutzvorrichtungen, die in Turbomaschinen, insbesondere in Gasturbinen, zum Einsatz kommen.

Stand der Technik

Die heutzutage üblichen hohen Kreisprozeßwirkungsgrade von Turbo- oder Strömungsmaschinen, insbesondere von Gasturbinen, lassen sich nur mit Hilfe hoher Verdichtungsverhältnisse des Arbeitsfluides in einem Verdichter der Turbomaschine erzielen. Als Arbeitsfluid wird hierbei zumeist Luft verwendet. Hohe Verdichtungsverhältnisse bzw. Druckverhältnisse in einem Verdichter wiederum führen dazu, daß auch die Temperatur des Strömungsfluides am Verdichteraustritt ansteigt. Die sich aufgrund der heutzutage üblichen Verdichtung des Fluides auf ca. 30 bar und darüber ergebenden Temperaturen des Arbeitsfluides liegen jedoch oftmals über den maximal zulässigen Materialtemperaturen der Bauteile der Turbomaschine. Insbesondere im Verdichter kommen bisher in der Regel Werkstoffe mit einer nur eingeschränkten Warmfestigkeit zum Einsatz. Diese Werkstoffe mit eingeschränkter Warmfestigkeit sind einerseits deutlich kostengünstiger als Werkstoffe mit höherer Warmfestigkeit und weisen häufig darüber hinaus weitere Vorteile, wie beispielsweise eine gute Bearbeitbarkeit oder auch eine höhere Zugfestigkeit, auf. Daher ist es erstrebenswert, die Bauteile insbesondere im Verdichterbereich weiterhin aus diesen Werkstoffen mit niedrigerer Warmfestigkeit zu fertigen.

Während das Rotorgrundelement im Bereich eines Laufrades durch zumeist plattformartig ausgebildete Schaufelabschlußelemente gegenüber dem Arbeitsfluid geschützt ist, ist das Rotorgrundelement insbesondere im Bereich eines deckbandlos ausgeführten Leitrades direkt dem Arbeitsfluid exponiert.

Um im Betrieb der Turbomaschine eine Übertemperatur insbesondere des Rotorgrundelements zu verhindern, wurden hier beispielsweise in DE 196 15 549 in den Bereichen, in denen das Rotorgrundelement nicht durch die Schaufelabschlußelemente der Laufschaufeln gegenüber dem Arbeitsfluid geschützt ist, Wärmestausegmente angeordnet. Diese Anordnung besteht aus plattenförmigen Elementen, die der Kontur des Rotorgrundelements angepaßt sind und mittels spezieller Ankervorrichtungen auf dem Rotorgrundelement zu befestigen sind. Während das Rotorgrundelement aus einem einfachen ferritischen Werkstoff hergestellt ist, ist das Wärmeschutzelement aus einem hochwarmfesten Werkstoff gefertigt.

Die in DE 196 15 549 beschriebene Anordnung, insbesondere die Befestigung der Wärmestausegmente, ist jedoch konstruktiv sehr aufwendig und infolgedessen in der Herstellung sehr teuer. Überdies führt diese Anordnung zu einer größeren Anzahl an Bauteilen der Turbomaschine, wodurch wiederum höhere Kosten insbesondere bei der Montage und der Wartung entstehen. Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung besteht in der erhöhten Gefahr des Anstreifens der Leitschaufeln an den Wärmestausegmenten. Eine Ursache für diese erhöhte Gefahr stellen die unterschiedlichen Materialeigenschaften, insbesondere unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten und Wärmeleitfähigkeiten der Leitschaufeln, des Rotorgrundelements und der Wärmestausegmente dar, die zu zeitlich unterschiedlich schnell ablaufenden thermischen Dehnungen während des Anlassens der Turbomaschine oder auch im Falle von Lastwechseln der Turbomaschine führen. Darüber hinaus weisen die Bauteile fertigungsbedingt Maßtoleranzen in den Abmessungen auf. Aufgrund der erhöhten Anzahl an Bauteilen kann es somit leicht zu einer Konstellation mit einem im Vergleich zu einem Sollspalt verminderten Spalt zwischen den Leitschaufeln und den Wärmestausegmenten kommen. Diese verminderte Spaltmaßhaltigkeit kann wiederum im Falle von mechanischen oder thermischen Dehnungen ein Anstreifen der Bauteile zur Folge haben. Ein solches Anstreifen führt im Mindesten zu einem Abrieb der Leitschaufelspitze und des Wärmestausegments, wodurch es zu einer Vergrößerung der Spalte und infolgedessen zu einer Verminderung des Wirkungsgrades der Turbomaschine kommt. Ein Anstreifen der Leitschaufeln kann aber auch zu einer Beschädigung der Leitschaufeln bis hin zu einem Abbrechen der Leitschaufeln führen.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit Hilfe derer ein Rotorgrundelement eines Rotors gegen die hohen Temperaturen des Arbeitsfluides geschützt werden kann und vorteilhaft die Nachteile des Stands der Technik vermieden werden. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sollen hierbei im Vergleich zum Stand der Technik insbesondere mit einem geringen Fertigungsaufwand und somit kostengünstig herstellbar sein.

Ein herkömmlicher Rotor insbesondere einer Turbomaschine umfaßt neben dem Rotorgrundelement, auch Rotorscheibe genannt, eine Vielzahl von Laufschaufeln, die in zumindest einer Reihe am Umfang des Rotorgrundelements angeordnet sind. Ferner befindet sich üblicherweise vor oder hinter der Laufschaufelreihe eine Leitschaufelreihe. Die paarweise Anordnung je einer Laufschaufelreihe und einer Leitschaufelreihe wird als Stufe eines Verdichters oder einer Turbine einer Turbomaschine bezeichnet. Verdichter oder Turbinen von Turbomaschinen bestehen zumeist aus mehreren hintereinander angeordneten Stufen.

In einem ersten Aspekt der Erfindung sind zwischen dem Rotorgrundelement eines Rotors und den Laufschaufeln zumindest einer Laufschaufelreihe ein Wärmeschutzelement oder mehrere am Umfang des Rotorgrundelements aneinandergereihte Wärmeschutzelemente angeordnet. Das Wärmeschutzelement oder die aneinandergereihten Wärmeschutzelemente weisen erfindungsgemäß in Achsenlängsrichtung des Rotorgrundelements jeweils eine Erstreckung zumindest sowohl über den Bereich der Laufschaufelreihe als auch über den Bereich einer der Laufschaufelreihe vorangestellten oder nachgestellten Leitschaufelreihe auf. Das Wärmeschutzelement oder die Wärmeschutzelemente umschließen und bedecken hierbei das Rotorgrundelement in den Bereichen der Laufschaufelreihe und der Leitschaufelreihe vollständig. Das Arbeitsfluid kommt somit am gesamten Umfang des Rotorgrundelements nicht unmittelbar mit dem Rotorgrundelement in Berührung. Wärme wird infolgedessen auch nicht unmittelbar von dem Arbeitsfluid auf das Rotorgrundelement übertragen. Das Arbeitsfluid ist hierbei nicht unbedingt das Hauptarbeitsfluid der Turbomaschine, sondern es kann sich hierbei auch um ein anderes heißes Fluid handeln, gegenüber dem das Rotorgrundelement abzuschirmen ist.

Bevorzugt verbleibt zwischen dem Rotorgrundelement und dem jeweiligen Wärmeschutzelement ein möglichst durchgehender Zwischenspalt, in dem sich vorteilhaft ein Fluid, zumeist Luft, befindet. Um Wärme von dem Arbeitsfluid auf das Rotorgrundelement zu übertragen, ist infolgedessen ein mehrfacher Wärmeübergang an den jeweiligen Grenzflächen als auch eine Leitung der Wärme in dem Wärmeschutzelement erforderlich. Der mehrfache Wärmeübergang an den Grenzflächen verstärkt hierbei vorteilhaft die isolierende Wirkung jedes Wärmeschutzelements in Bezug auf das Rotorgrundelement. Es stellte sich heraus, daß bei erfindungsgemäßer Anordnung eines oder mehrerer Wärmeschutzelemente sich in dem Rotorgrundelement eine deutlich niedrigere Temperatur einstellt als ohne diese Wärmeschutzelemente. Somit ist es im Falle einer erfindungsgemäßen Anordnung der Wärmeschutzelemente möglich, das Rotorgrundelement aus einem eingeschränkt warmfesten Werkstoff, beispielsweise einem ferritischen Werkstoff, herzustellen, wohingegen die Wärmeschutzelemente vorzugsweise aus hochwarmfesten Werkstoff, der bevorzugt ferner eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, hergestellt sind. Bevorzugt kommen die erfindungsgemäßen Wärmeschutzelemente in einem Verdichter einer Turbomaschine zum Einsatz, da hier oftmals eine nur geringe Verminderung der Temperaturbelastung des Rotorgrundelements den Einsatz von ferritischen Werkstoffen für das Rotorgrundelement erlaubt.

Durch die erfindungsgemäße Ausführung des Rotors läßt sich der Fertigungsaufwand gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen erheblich vermindern. Die erfindungsgemäße Ausführung ist somit erheblich kostengünstiger herstellbar als bisherige Ausführungen. Ferner ist eine Maßhaltigkeit der Anordnung aufgrund der geringeren Teileanzahl einfacher realisierbar. Hierdurch wird sowohl die Betriebssicherheit als auch der Wirkungsgrad der Turbomaschine erhöht. Die Erhöhung des Wirkungsgrades resultiert aus den kleiner ausführbaren Spalten zwischen den Wärmeschutzelementen und den Leitschaufeln.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung erstreckt sich das Wärmeschutzelement oder die Wärmeschutzelemente über mehrere hintereinander angeordnete Laufschaufelreihen sowie die Zwischenbereiche zwischen den Laufschaufelreihen. In den Zwischenbereichen zwischen den Laufschaufelreihen sind in der Gesamtzusammenstellung der Turbomaschine in der Regel die Leitschaufelreihen angeordnet. Somit läßt sich vorteilhaft die Teileanzahl nochmals reduzieren. Zudem wird die Anzahl von Trennfugen zwischen den Wärmeschutzelementen vermindert. Derartige Trennfugen sind deswegen unerwünscht, weil es hier zu einem Einströmen von Arbeitsfluid in die Trennfugen und somit einem unmittelbaren Kontakt des Arbeitsfluides mit dem Rotorgrundelement kommen kann.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Rotor insbesondere eines Verdichters einer Turbomaschine, der aus einem Rotorgrundelement und einer Vielzahl von Laufschaufeln besteht, wobei die Laufschaufeln in zumindest zwei Reihen am Umfang des Rotorgrundelements verteilt angeordnet sind. Zwischen den Laufschaufelreihen ist ein Bereich für eine Leitschaufelreihe vorgesehen. Erfindungsgemäß sind zwischen dem Rotorgrundelement und den Laufschaufeln jeder Laufschaufelreihe ein oder mehrere am Umfang des Rotors aneinandergereihte Wärmeschutzelemente so angeordnet, daß die Wärmeschutzelemente in der Zusammenfügung das Rotorgrundelement in den Bereichen der Laufschaufelreihen und der Leitschaufelreihe vollständig umschließen und bedecken. Die Wärmeschutzelemente erstrecken sich hierbei auch in den Bereich der Leitschaufelreihe hinein. Vorteilhaft erstrecken sich die Wärmeschutzelemente hierbei jeweils bis in die Mitte des Bereichs der Leitschaufelreihe. Die Wirkweise der Wärmeschutzelemente gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist hierbei grundsätzlich dieselbe wie die Wirkweise der in dem Rotor angeordneten Wärmeschutzelemente gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Eine Ausführung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung bietet jedoch den Vorteil, daß nur Laufschaufeln einer Laufschaufelreihe oder sogar jede Laufschaufel für sich auf einem Wärmeschutzelement angeordnet sind. Die Laufschaufeln jeder Laufschaufelreihe können somit unabhängig von den Laufschaufeln der nächsten Laufschaufelreihe justiert und insbesondere auch ausgewuchtet werden. Darüber hinaus ergeben sich im Falle von Fehlwinkeln in der Ausrichtung der Wärmeschutzelemente aufgrund der kleinen Längenabmessungen der Wärmeschutzelemente nur geringe Abweichungen in den Spaltmaßen zwischen dem Wärmeschutzelement und den Leitschaufeln. Der Spalt zwischen den Wärmeschutzelementen und den Leitschaufeln, der so auszulegen ist, daß kein Anstreifen der Leitschaufeln an den Wärmeschutzelementen auftritt, kann infolgedessen kleiner ausgeführt werden. Die Wärmeschutzelemente gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung werden bevorzugt auch aus einem hochwarmfesten Werkstoff mit zweckmäßig geringer Wärmeleitfähigkeit hergestellt.

Die nachfolgend aufgeführten, bevorzugten Ausführungen der Erfindung sind sowohl auf den ersten als auch auf den zweiten Aspekt der Erfindung rückbezogen.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Wärmeschutzelement als ein geschlossener Kreisring ausgeführt. Die Laufschaufeln sind hierbei vorzugsweise auf dem Kreisring angeordnet. Der in sich geschlossene Kreisring umschließt das Rotorgrundelement vollständig. Darüber hinaus bietet ein als geschlossener Kreisring ausgeführtes Wärmeschutzelement den Vorteil einer sehr geringen Teileanzahl. Der Kreisring kann mit den auf dem Kreisring angeordneten Laufschaufeln vormontiert werden, bevor er in einer Endmontage auf dem Rotorgrundelement angeordnet wird. Ferner ergibt sich durch die Ausführung des Wärmeschutzelements als Kreisring der Vorteil der gleichmäßigen Massenverteilung am Umfang des Rotors. Die durch die Rotation hervorgerufenen, gleichmäßig verteilten Fliehkräfte führen zu einer selbst-zentrierenden, konzentrischen Anordnung des Kreisrings auf dem Rotorgrundelement. Darüber hinaus bewirken Temperaturänderungen eine gleichmäßige radiale Dehnung des Kreisrings. Die thermischen Dehnungen der in der Turbomaschine den Rotor umgebenden Bauteile, beispielsweise eines Gehäuses, können hierbei relativ einfach mit den thermischen Dehnungen des Rotors abgestimmt werden.

Alternativ sind die Wärmeschutzelemente zweckmäßig als Segmente eines Kreisrings ausgeführt. Bevorzugt erstrecken sich die Segmente des Kreisrings über einen Winkelbereich von 10 bis 30 Grad. Die am Umfang des Rotorgrundelements aneinandergereihten Segmente bilden einen in sich geschlossenen, das Rotorgrundelement umschließenden Kreisring. Die zwischen den einzelnen Segmenten verbleibenden Trennfugen sind hierbei so klein ausgeführt, daß es zu einem nur sehr geringen Einströmen von Arbeitsfluid in die Trennfuge kommt. Dieses nur geringfügige Einströmen von Arbeitsfluid in eine Trennfuge führt auch in dem an die Trennfuge angrenzenden Bereich des Rotorgrundelements zu einer nur geringfügig erhöhten thermischen Belastung des Rotorgrundelements.

Aufgrund der Segmentierung des Kreisrings können die Wärmeschutzelemente leichter auf dem Rotorgrundelement montiert werden. Außerdem bilden sich in den Wärmeschutzelementen verminderte thermisch bedingte Spannungen im Vergleich zu einer Ausführung des Wärmeschutzelements als ein in sich geschlossener Kreisring aus.

Vorteilhaft weist das Wärmeschutzelement oder die Wärmeschutzelemente zur Befestigung der Laufschaufeln zumindest eine im wesentlichen in Umfangsrichtung des Rotors verlaufende Nut auf, in die die Laufschaufeln jeweils mittels eines Eingriffselements formschlüssig eingreifen. Die Laufschaufeln sind somit lösbar auf dem Wärmeschutzelement oder den Wärmeschutzelementen befestigt. Werden beispielsweise während des Betriebs einzelne Laufschaufeln beschädigt, so ist es möglich, jeweils nur die beschädigten Laufschaufeln zu erneuern. Zweckmäßig können auch mehrere, im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Nuten parallel zueinander in dem Wärmeschutzelement oder den Wärmeschutzelementen vorgesehen werden, mittels derer mehrere Laufschaufelreihen nebeneinander befestigt werden können. Gleichermaßen ist es aber auch möglich, wenngleich auch in der Praxis aus Schaufelfestigkeitsgründen weniger häufig ausgeführt, die Nuten in den Laufschaufeln und die Eingriffselemente auf den Wärmeschutzelementen vorzusehen.

Alternativ hierzu ist es in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung auch möglich, das Wärmeschutzelement oder die Wärmeschutzelemente einteilig mit den jeweils darauf angeordneten Laufschaufeln auszuführen. Bevorzugt sind die Laufschaufeln hierbei zusammen mit dem jeweiligen Wärmeschutzelement als Gußteil hergestellt. Die Herstellung kann aber auch mittels spanabhebender Bearbeitung erfolgen. Durch die einteilige Ausführung wird einerseits die Anzahl der Bauteile vermindert als auch andererseits der Montageaufwand deutlich reduziert. Des weiteren sind zur Befestigung der Schaufeln keine aufwendigen konstruktiven Maßnahmen mehr erforderlich, wodurch die Herstellungskosten vermindert werden.

Bevorzugt wird das Wärmeschutzelement oder die Wärmeschutzelemente jeweils mittels einer oder mehrerer, im wesentlichen in Axialrichtung verlaufender Nuten sowie formschlüssig in diese Nuten eingreifender Eingriffselemente auf dem Rotorgrundelement befestigt. Hierbei ist es sowohl möglich die Nuten in dem Rotorgrundelement und die Eingriffselemente an den Wärmeschutzelementen anzubringen als auch in umgekehrter Anordnung mit den Eingriffselementen an dem Rotorgrundelement und den Nuten in den Wärmeschutzelementen. Die Wärmeschutzelemente können somit auf das Rotorgrundelement aufgeschoben werden und lassen sich im Falle einer Beschädigung auch wieder demontieren.

Sind am Umfang des Rotorgrundelelements oder in Achsenlängsrichtung des Rotorgrundelements mehrere Wärmeschutzelemente aneinandergereiht, so verbleibt insbesondere zum Ausgleich von thermischen Dehnungen der Wärmeschutzelemente zwischen den Wärmeschutzelementen in der Regel jeweils eine Trennfuge. Zweckmäßig wird die Trennfuge mit einer Dichtung abgedichtet, so daß das Arbeitsfluid an einem Eindringen in die Trennfuge gehindert wird. Bevorzugt wird hierzu eine Dichtung, beispielsweise eine Stopfpackung, eine Schnurdichtung oder eine plättchenförmige Banddichtung, in schlitzförmige Nuten, die in den Seitenwänden der Trennfuge angeordnet sind, eingelegt.

Eine solche Abdichtung von Trennfugen zwischen Wärmeschutzelementen ist insbesondere auch dann von Vorteil, wenn in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in dem Zwischenspalt oder in mehreren Zwischenspalten zwischen dem Rotorgrundelement und dem Wärmeschutzelement oder den Wärmeschutzelementen ein Kühlfluidstrom geführt wird. Der Zwischenspalt weist hierzu eine Kühlfluidzuführung und einen Kühlfluidabströmkanal oder eine Auslaßöffnung, die beispielsweise in die Strömung des Arbeitsfluides einmündet, auf. Besonders zweckmäßig ist es, den Zwischenspalt möglichst durchgehend zwischen dem Wärmeschutzelement und dem Rotorgrundelement auszubilden. Der Kühlfluidstrom dient hierbei zur Kühlung insbesondere des Wärmeschutzelements oder der Wärmeschutzelemente auf ihren jeweiligen dem Rotorgrundelement zugewandten Rückseiten. Wärme, die ein Wärmeschutzelement durchdringt, wird somit in den Kühlfluidstrom eingeleitet und gelangt infolgedessen nicht in das Rotorgrundelement.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotor mit einem als geschlossenen Kreisring ausgeführten Wärmeschutzelement;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Schnittes durch einen Rotor mit einem als geschlossenen Kreisring ausgeführten Wärmeschutzelement;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Rotors mit erfindungsgemäß angeordneten Wärmeschutzelementen, wobei die Wärmeschutzelemente als Segmente eines Kreisrings ausgeführt sind;

Fig. 4 ein Wärmeschutzelement aus Fig. 3 in Einzelteildarstellung;

Fig. 5 einen Ausschnitt eines Querschnitts durch einen Rotor mit erfindungsgemäß angeordneten Wärmeschutzelementen, wobei die Wärmeschutzelemente als Segmente eines Kreisrings einteilig mit den auf den Wärmeschutzelementen angeordneten Laufschaufeln ausgeführt sind;

Fig. 6 ein Wärmeschutzelement aus Fig. 5 in Einzelteildarstellung;

Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine Anordnung mehrerer, hintereinander gereihter Wärmeschutzelemente.

In den Zeichnungen sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Gleichwirkende Teile sind in den Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotor 1. Der Rotor 1 umfaßt ein Rotorgrundelement 2 und eine Vielzahl von Laufschaufeln 3, die am Umfang des Rotorgrundelements 2 verteilt angeordnet sind. Zwischen dem Rotorgrundelement 2 und den Laufschaufeln 3 ist ferner erfindungsgemäß ein Wärmeschutzelement 4 angeordnet. Das Wärmeschutzelement 4 ist hier als geschlossener Kreisring ausgebildet, wobei der Kreisring bevorzugt aus einem hochwarmfesten Werkstoff hergestellt ist und der Werkstoff darüber hinaus zweckmäßig eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Die Laufschaufeln 3 sind auf dem Wärmeschutzelement 4 angeordnet. Da die dargestellte Schnittebene vor der Laufschaufelreihe liegt, ist die Art der Befestigung der Laufschaufeln 3 auf dem Wärmeschutzelement 4 nicht zu entnehmen. Bevorzugt werden die Laufschaufeln mittels Nuten und Eingriffselementen, die in diese Nuten eingreifen, auf dem Wärmeschutzelement befestigt. Das Wärmeschutzelement kann aber auch einteilig mit den Laufschaufeln, beispielsweise als Gußteil, ausgeführt sein.

Das in Fig. 1 dargestellte Wärmeschutzelement 4 ist mittels Nuten 5 und mittels Eingriffselementen 6 auf dem Rotorgrundelement 2 befestigt. Die Eingriffselemente 6 sind hierzu so ausgebildet, daß sie formschlüssig in die Nuten 5 eingreifen. Die Nuten 5 sind hier in dem Rotorgrundelement 2 vorgesehen, wohingegen die Eingriffselemente 6 mit dem Wärmeschutzelement 4 verbunden sind. Wie in Fig. 1 dargestellt, sind das Wärmeschutzelement 4 und die Eingriffselemente 6 bevorzugt einteilig ausgeführt. Ebenso ist es aber auch möglich, die Nuten 5 in umgekehrter Weise in dem Wärmeschutzelement 4 und die Eingriffselemente 6 an dem Rotorgrundelement 2 anzuordnen. Die Nuten 5 weisen einen im wesentlichen axialen Verlauf in Richtung der Achse der Turbomaschine auf. Somit ist es in einfacher Weise möglich, das Wärmeschutzelement 4 durch axiales Aufschieben auf dem Rotorgrundelement 2 zu montieren. Gleichzeitig werden die bei der Rotation auftretenden, in Umfangsrichtung wirkenden Kräfte sehr gut übertragen, ohne daß durch Kraftübertragung bedeutende Querkräfte in Achsenrichtung induziert würden.

In der in Fig. 1 dargestellten Ausführung der Erfindung umschließt der Kreisring 4 das Rotorgrundelement 2 vollständig. Der Strömungskanal der Turbomaschine wird hier somit nabenseitig durch den Kreisring 4 begrenzt. Als Strömungskanal wird der offene Durchströmquerschnitt bezeichnet, durch den das Fluid die Turbomaschine durchströmt. Die Schaufeln einer Turbomaschine sind somit in dem Strömungskanal angeordnet. Das den Strömungskanal durchströmende Arbeitsfluid kommt aufgrund der Anordnung eines Wärmeschutzelements gemäß Fig. 1 nicht unmittelbar mit dem Rotorgrundelement 2 in Berührung. Wärme kann demzufolge auch nicht unmittelbar von dem Fluid auf das Rotorgrundelement 2 übertragen werden. Eine Wärmeübertragung von dem Fluid auf das Rotorgrundelement 2 findet hier nur dann statt, wenn die Wärme zunächst von dem Fluid auf das Wärmeschutzelement 4 und von dort mittels Wärmeleitung und zumindest einem weiteren Wärmeübergang auf das Rotorgrundelement 2 übertragen wird. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Wärmeschutzelements 4 und/oder des mehrfachen Wärmeübergangs zwischen dem Fluid und dem Wärmeschutzelement 4 als auch zwischen dem Wärmeschutzelement 4 und dem Rotorgrundelement 2 bei einem gleichzeitig stattfindenden Wärmeabtransport in dem Rotorgrundelement 2 bildet sich in dem Rotorgrundelement 2 eine deutlich verminderte Temperatur im Vergleich zur Temperatur des Arbeitsfluides und im Vergleich zu der sich in dem Rotorgrundelement 2 einstellenden Temperatur im Falle einer Anordnung ohne Wärmeschutzelement 4 aus. Der Wärmeabtransport in dem Rotorgrundelement 2 ist oftmals darin begründet, daß aufgrund von Kühlkreisläufen im Innern des Rotors 1 oder auch anderen Kühlvorrichtungen dem Rotorgrundelement 2 in seinem Inneren Wärme entzogen wird. Das Rotorgrundelement 2 kann aufgrund der verminderten Temperaturbelastung somit aus einem eingeschränkt warmfesten Werkstoff hergestellt sein, wodurch die Herstellungskosten des Rotors erheblich vermindert werden.

Eine perspektivische Ansicht eines Schnittes durch einen Rotor 1 mit einem erfindungsgemäß ausgeführten Wärmeschutzelement 4 ist in Fig. 2 dargestellt. Das Wärmeschutzelement 4 ist hier in gleicher Weise wie in Fig. 1 als geschlossener Kreisring ausgeführt und zwischen den Laufschaufeln 3 und dem Rotorgrundelement 2 angeordnet. Die Laufschaufeln 3 sind der Darstellung entsprechend in zumindest zwei Reihen am Umfang des Rotorgrundelements 2 angeordnet.

Die Befestigung der Laufschaufeln 3 auf dem Wärmeschutzelement 4 erfolgt mittels Nuten 7 und Eingriffselementen 8. Die Nuten 7 sind hier als T-Nuten in dem Wärmeschutzelement 4 ausgeführt und verlaufen in Umfangsrichtung. Die Eingriffselemente 8 greifen formschlüssig in die Nuten 7 ein. Bevorzugt ist der Formschluß zwischen den Eingriffselementen 8 und den Nuten 7 hierbei mit einem geringfügigen Spiel ausgeführt, um eine Ausrichtung der Laufschaufeln 3 entsprechend der bei der Rotation auftretenden Fliehkräfte zu ermöglichen. Innere Querspannungen, die im Falle einer Fehlausrichtung der Laufschaufeln 3 auftreten würden, werden somit vermieden. Die Laufschaufeln 3 sind mit den Eingriffselementen 8 jeweils einteilig ausgeführt.

In der Zusammenbauanordnung der Turbomaschine sind in den Bereichen zwischen jeweils zwei Laufschaufelreihen Leitschaufeln angeordnet, die zumeist an dem Gehäuse der Turbomaschine befestigt sind.

Die Befestigung des als Kreisring ausgeführten Wärmeschutzelements 4 auf dem Rotorgrundelement 2 erfolgt in der gleichen Weise wie in der Figurenbeschreibung zu Fig. 1 bereits beschrieben mittels Nuten 5 und mittels Eingriffselementen 6, die in diese Nuten 5 eingreifen. Die Nuten 5 und dementsprechend auch die Eingriffselemente 6 sind hier schwalbenschwanzförmig ausgebildet.

Zwischen dem Wärmeschutzelement 4 und dem Rotorgrundelement 2 verbleibt darüber hinaus bevorzugt ein möglichst durchgehender Zwischenspalt 11, durch den, wie in Fig. 2 dargestellt, ein Kühlfluid 9 strömt. Dieses Kühlfluid 9 dient dazu, Wärme, die von dem Arbeitsfluid auf das Wärmeschutzelement 4 übertragen wird und das Wärmeschutzelement 4 durchdringt, aufzunehmen und vorzugsweise mittels erzwungener Konvektion abzuführen. Somit kann die auf das Rotorgrundelement 2 übertragene Wärmemenge nochmals deutlich vermindert werden. Bei geeigneter Wahl der Werkstoffe sowie auch einer geeigneten Wahl der konstruktiv bedingten geometrischen Abmessungen kann die Wärmeabfuhr durch das durch den Zwischenspalt 11 strömende Kühlfluid sogar ausreichend sein, um einen weitere Kühlung des Rotors in seinem Inneren überflüssig zu machen. Der Zwischenspalt 11 in Fig. 2 wird jeweils durch die an dem Wärmeschutzelement 4 ausgebildeten Eingriffselemente 6 unterbrochen. Um auch in den unterbrochenen Bereichen den Wärmeübergang zwischen dem Wärmeschutzelement 4 und dem Rotorgrundelement 2 zu vermindern, sind die Nuten 5 hier etwas tiefer ausgeführt, so daß auch entlang der Unterseite der Eingriffselemente 6 Kühlfluid 9 die Nuten durchströmen kann. Eine direkte Wärmeübertragung von dem Wärmeschutzelement 4 auf das Rotorgrundelement 2 ist somit nur noch an den Seitenflanken der Eingriffselemente 6 gegeben.

Fig. 3 zeigt eine der Darstellung aus Fig. 2 ähnliche Ausführung der Erfindung. Der am Umfang des Rotorgrundelements 2 aus Fig. 2 als Wärmeschutzelement 4 angeordnete Kreisring ist hier jedoch in Segmente unterteilt. Jedes als Wärmeschutzelement fungierendes Einzelsegment 4', 4'' bedeckt hierbei das Rotorgrundelement 2 in einem Winkelbereich von etwa 20 Winkelgraden. Um das Rotorgrundelement 2 vollständig gegenüber dem Arbeitsfluid abzuschirmen, ist somit eine Vielzahl von Segmenten 4', 4'' am Umfang des Rotorgrundelements 2 aneinandergereiht angeordnet.

Zwischen den Segmenten 4', 4'' verlaufen Trennfugen 12, die insbesondere zum Ausgleich thermisch bedingter Dehnungen der Segmente 4', 4'' vorgesehen sind. Diese Trennfugen 12 sind mittels Dichtungen 10 abgedichtet. Als Dichtungen 10 eignen sich hier insbesondere plättchenförmige Einlegedichtungen oder Stopfpackungen, die in Schlitznuten, die in den Segmenten 4', 4'' vorgesehen sind, eingelegt werden. Hierdurch wird einerseits ein Einströmen des Arbeitsfluides in die Trennfuge 12 als auch andererseits ein Ausströmen des Kühlfluides 9, das durch den Zwischenspalt 11 zwischen dem Rotorgrundelement 2 und den Wärmeschutzelementen 4', 4'' strömt, verhindert.

Die zur Befestigung der Segmente 4', 4'' auf dem Rotorgrundelement 2 dienenden Eingriffselemente 6 sind hier als Tannenbaumfüße ausgeführt. Die dazugehörigen Nuten 5 weisen entsprechende Konturierungen auf.

Die Wirkweise der in Fig. 3 dargestellten Wärmeschutzelemente 4', 4'' entspricht der Wirkweise der Ausführung der Erfindung gemäß Fig. 2. Ein Vorteil der Unterteilung des Kreisrings in Segmente stellt jedoch die einfach durchzuführende Montage der Einzelsegmente 4', 4'' dar. Insbesondere können auch im Falle einer Reparatur leicht einzelne Segmente ersetzt werden. Des weiteren treten im Falle einer Beaufschlagung der Segmente mit erhöhten Temperaturen in den Segmenten 4', 4'' im Vergleich zu dem Kreisring geringere innere thermisch bedingte Eigenspannungen auf, da die thermischen Dehnungen der Segmente nicht behindert werden.

In Fig. 4 ist ein Wärmeschutzelement 4' als Einzelteil dargestellt, das als Segment eines Kreisrings ausgeführt ist. Aufgrund der deutlich kleineren Abmessungen eines Segmentes im Vergleich zu dem vollständigen Kreisring, ist ein solches Bauteil wesentlich einfacher herstellbar, beispielsweise durch Fräsen oder Gießen.

Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts durch einen weiteren erfindungsgemäßen Rotor 1. Zwischen dem Rotorgrundelement 2 und den am Umfang des Rotorgrundelements 2 angeordneten Laufschaufeln 3 sind wiederum Wärmeschutzelemente 4', 4'', 4''' angeordnet, die als Segmente eines Kreisrings ausgeführt sind. Aneinandergereiht umschließen die Wärmeschutzelemente 4', 4'', 4''' wiederum das Rotorgrundelement 2 und verhindern somit einen direkten Kontakt des Rotorgrundelements 2 mit dem Arbeitsfluid.

Darüber hinaus sind die Wärmeschutzelemente 4', 4'', 4''' hier jeweils einteilig mit den jeweils darauf angeordneten Laufschaufeln 3 ausgeführt. Derartige mit den Laufschaufeln 3 einteilig ausgeführte Wärmeschutzelemente 4', 4'', 4''' lassen sich beispielsweise durch Gießen oder Fräsen herstellen. Ein Vorteil dieser Ausführung der Erfindung stellt die äußerst geringe Anzahl von Einzelteilen des Rotors 1 dar, wodurch der Montageaufwand erheblich verringert wird.

Die Trennfugen 12 zwischen den einzelnen Wärmeschutzelementen 4', 4'', 4''' sind mittels Dichtungen 10 gegen ein Eindringen des Arbeitsfluides in die Trennfugen 12 und/oder auch ein Ausströmen des Kühlfluides 9 aus dem Zwischenspalt 11 abgedichtet. Das Kühlfluid 9 strömt wie in der Figurenbeschreibung zu Fig. 3 bereits erläutert in dem Zwischenspalt 11 bzw. in mehreren Zwischenspalten zwischen dem Rotorgrundelement 2 und den Wärmeschutzelementen 4', 4'', 4'''. Dieser Zwischenspalt 11 ist hierbei möglichst durchgängig am Umfang des Rotorgrundelements 2 ausgebildet und weist zumindest einen Zuströmkanal zur Zuführung des Kühlfluides 9 und eine Abströmmöglichkeit des Kühlfluides auf. Die Abströmmöglichkeit kann hierbei als ein Abströmkanal oder aber auch nur als eine in die Hauptströmung einmündende Öffnung ausgebildet sein.

Fig. 6 zeigt ein Wärmeschutzelement 4 gemäß der in Fig. 5 dargestellten Ausführung der Erfindung als Einzelteil. Die einteilige Ausführung eines solchen Wärmeschutzelements 4 mit den darauf angeordneten Laufschaufeln ist insbesondere dann von Vorteil und äußerst kostengünstig, wenn die Laufschaufeln keine zu starke dreidimensionale Verwindung aufweisen.

In Fig. 7 ist ein Längsschnitt durch eine Anordnung mehrerer, hintereinander gereihter Wärmeschutzelemente 4', 4'', 4''' dargestellt. Die Wärmeschutzelemente 4', 4'', 4''' sind jeweils einteilig mit den darauf angeordneten Laufschaufeln 3', 3'', 3''' ausgeführt. Zusätzlich dargestellt sind hier die in die Bereiche zwischen jeweils zwei Laufschaufelreihen hineinragenden Leitschaufeln 13 zweier Leitschaufelreihen.

In axialer Richtung weist jedes der dargestellten Wärmeschutzelement 4', 4'', 4''' eine Erstreckung bis etwa in die Mitte der Bereiche einer der Laufschaufelreihe vorangestellten und einer nachfolgenden Leitschaufelreihe auf. Die als Segmente ausgebildeten Wärmeschutzelemente 4', 4'', 4''' sind sowohl in axialer Richtung als auch am Umfang des Rotorgrundelements 2 aneinandergereiht, so daß sie das Rotorgrundelement 2 vollständig umschließen und bedecken. Das Rotorgrundelement 2 wird somit gegenüber dem Arbeitsfluid abgeschirmt. Die Trennfugen 12 zwischen den Wärmeschutzelementen 4', 4'', 4''' sind wiederum mittels Dichtungen 10 abgedichtet.

Im Vergleich zu den bereits beschriebenen Ausführungen der Erfindung bietet diese Ausführung der Erfindung den Vorteil, daß die Laufschaufelreihen getrennt voneinander gefertigt und montiert werden können. Darüber hinaus ist es insbesondere im Falle komplizierter dreidimensionaler Konturierungen der Laufschaufeln besonders vorteilhaft den Kreisring auch in Umfangsrichtung so zu segmentieren, daß auf jedem Segment nur noch eine oder wenige Laufschaufeln angeordnet sind. Ein Fertigungsfehler einer Laufschaufel führt dann nicht dazu, daß eine Vielzahl von Laufschaufeln als Ausschuß unbrauchbar werden. Auch im Falle einer Reparatur können gezielt einzelne Laufschaufeln oder kleine Gruppen von Laufschaufeln erneuert werden, ohne eine größere Anzahl noch intakter Laufschaufeln mitentfernen zu müssen. Des weiteren kann ein Rotor leichter ausgewuchtet werden, wenn Laufschaufeln jeweils in kleinen Schaufelgruppierungen oder sogar jede Laufschaufel für sich am Umfang des Rotors umgeordnet werden kann.

Aufgrund der Erstreckung der in axialer Richtung aneinandergereihten Wärmeschutzelemente 4', 4'', 4''' bis in die Bereiche der vorangestellten und/oder nachfolgenden Leitschaufelreihe läßt sich die Anzahl der Einzelteile des Rotors im Vergleich zu Lösungen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, erheblich vermindern. Gleichzeitig ist aufgrund der kleinen Abmessungen der Wärmeschutzelemente 4', 4'', 4''' hierbei eine hohe Sicherheit gegen ein Anstreifen der Leitschaufeln 13 an den Wärmeschutzelementen 4', 4'', 4''' auch im Falle eines Fehlwinkels in der Ausrichtung der Wärmeschutzelemente 4', 4'', 4''' gegeben.

Bezugszeichenliste

1

Rotor

2

Rotorgrundelement

3

,

3

',

3

'',

3

''' Laufschaufeln

4

,

4

',

4

'',

4

''' Wärmeschutzelement

5

Nut zur Befestigung des Wärmeschutzelements

6

,

6

',

6

'',

6

''' Eingriffselement zur Befestigung des Wärmeschutzelements

7

Nut zur Befestigung einer Laufschaufel

8

Eingriffselement zur Befestigung einer Laufschaufel

9

Kühlfluid

10

Dichtung

11

Zwischenspalt

12

Trennfuge

13

Leitschaufel

14

Rotorachse

15

Drehrichtung des Rotors

Claims

1. Rotor (1) insbesondere einer Turbomaschine
mit einem Rotorgrundelement (2) und einer Vielzahl von Laufschaufeln (3, 3', 3'', 3'''),
wobei die Laufschaufeln (3, 3', 3'', 3''') in zumindest einer Reihe am Umfang des Rotorgrundelements (2) verteilt angeordnet sind,
und darüber hinaus vor oder hinter der Laufschaufelreihe ein Bereich für eine Leitschaufelreihe vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem Rotorgrundelement (2) und den Laufschaufeln (3, 3', 3'', 3''') der Laufschaufelreihe ein Wärmeschutzelement (4) oder mehrere am Umfang des Rotors (1) aneinandergereihte Wärmeschutzelemente (4', 4'', 4''') angeordnet sind, die sich jeweils auch über den Bereich der Leitschaufelreihe erstrecken und die das Rotorgrundelement (2) in den Bereichen der Laufschaufelreihe und der Leitschaufelreihe vollständig bedecken.

2. Rotor nach Anspruch 1, wobei sich das Wärmeschutzelement (4) oder die Wärmeschutzelemente (4', 4'', 4''') über mehrere, hintereinander angeordnete Laufschaufelreihen und die zwischen den Laufschaufelreihen für Leitschaufelreihen vorgesehenen Bereiche erstrecken.

3. Rotor (1) insbesondere einer Turbomaschine
mit einem Rotorgrundelement (2) und einer Vielzahl von Laufschaufeln (3', 3'', 3'''),
wobei die Laufschaufeln (3', 3'', 3''') in zumindest zwei Reihen am Umfang des Rotorgrundelements (2) verteilt angeordnet sind
und zwischen den Laufschaufelreihen ein Bereich für eine Leitschaufelreihe vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem Rotorgrundelement (2) und den Laufschaufeln (3', 3'', 3''') jeder Laufschaufelreihe zumindest ein Wärmeschutzelement (4', 4'', 4''') angeordnet ist, wobei sich die Wärmeschutzelemente auch in den Bereich der Leitschaufelreihe erstrecken und die in Axialrichtung aneinandergereihten Wärmeschutzelemente (4', 4'', 4''') das Rotorgrundelement (2) in den Bereichen der Laufschaufelreihen und der Leitschaufelreihe vollständig bedecken.

4. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeschutzelement (4) als ein geschlossener Kreisring ausgeführt ist.

5. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmeschutzelemente (4', 4'', 4''') als Segmente eines Kreisrings ausgeführt sind.

6. Rotor nach Anspruch 5, wobei sich die als Segmente ausgeführten Wärmeschutzelemente (4', 4'', 4''') über einen Winkelbereich von 10 bis 30 Grad am Umfang des Rotorgrundelements (2) erstrecken.

7. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeschutzelement (4) oder die Wärmeschutzelemente (4', 4'', 4''') zur Befestigung der Laufschaufeln (3, 3', 3'', 3''') zumindest eine im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Nut (7) aufweisen, in die die Laufschaufeln mittels zumindest eines Eingriffselements (6) formschlüssig eingreifen.

8. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Wärmeschutzelement (4) oder die Wärmeschutzelemente (4', 4'', 4''') mit den jeweils darauf angeordneten Laufschaufeln (3, 3', 3'', 3''') einteilig, bevorzugt als Gußteil, ausgeführt sind.

9. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Trennfuge (12) zwischen zwei in axialer Richtung oder am Umfang aufeinander folgend angeordneten Wärmeschutzelementen (4', 4'', 4''') mittels einer vorzugsweise in Schlitznuten eingelegten Dichtung (10) abgedichtet ist.

10. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeschutzelement (4) oder die Wärmeschutzelemente (4', 4'', 4''') jeweils mittels einer oder mehrerer, im wesentlichen in Axialrichtung verlaufender Nuten (5) und formschlüssig in diese Nut oder Nuten eingreifender Eingriffselemente (6, 6', 6'', 6''') auf dem Rotorgrundelement (2) befestigt sind.

11. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Rotorgrundelement (2) und dem Wärmeschutzelement (4) oder den Wärmeschutzelementen (4', 4'', 4''') zumindest ein Zwischenspalt (11) verbleibt.

12. Rotor nach Anspruch 11, wobei in dem Zwischenspalt (11) zwischen dem Rotorgrundelement (2) und dem Wärmeschutzelement (4) oder den Wärmeschutzelementen (4', 4'', 4''') ein Kühlfluid (9) strömt.

13. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeschutzelement (4) oder die Wärmeschutzelemente (4', 4'', 4''') aus einem hochwarmfesten Werkstoff bevorzugt mit geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen.

14. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (1) in einem Verdichter der Turbomaschine angeordnet ist.