DE19950109A1

DE19950109A1 - Rotor für eine Gasturbine

Info

Publication number: DE19950109A1
Application number: DE19950109A
Authority: DE
Inventors: Alexander Beeck; Herbert Brandl; Hartmut Haehnle; Beat Von Arx
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1999-10-18
Filing date: 1999-10-18
Publication date: 2001-04-19
Also published as: EP1094199A1; DE50010213D1; EP1094199B1; US6416282B1

Abstract

Ein Rotor (10) für eine Gasturbine umfasst eine Mehrzahl von Rotorschaufeln (160), die jeweils ein Schaufelblatt (17), einen Schaufelfuß (19) und eine zwischen Schaufelblatt (17) und Schaufelfuß (19) angeordnete Plattform (18) umfassen und mit den Schaufelfuß (19) in einen am äußeren Umfang einer Rotorscheibe (11) angeordneten axialen Aufnahmeschlitz (13) derart eingeschoben und dort lösbar gehalten sind, dass zwischen der Plattform (18) und der Umfangsfläche (15) der Rotorscheibe (11) Hohlräume (21) gebildet werden, und die zur Kühlung jeweils durch wenigstens eine in der Rotorscheibe (11) verlaufende und in den Aufnahmeschlitz (13) mündende Kühlluftzuführung (14) mit Kühlluft versorgt werden, welche Kühlluft durch den Schaufelfuß (19) hindurch ins Innere des Schaufelblattes (17) geleitet wird. DOLLAR A Bei einem solchen Rotor wird auf einfache Weise eine definierte Verbesserung der thermischen Bedingungen im Fußbereich dadurch erreicht, dass zum Spülen der Hohlräume (21) und zum Kühlen der Plattform (18) zwischen der Außenseite des Schaufelfußes (19) und der Innenseite des Aufnahmeschlitzes (13) Kühlluftkanäle (22) vorgesehen sind, über welche Kühlluft von der Kühlluftzuführung (14) in die Hohlräume (21) geleitet wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Technik von Gasturbi nen. Sie betrifft einen Rotor für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des An spruchs 1.

Ein solcher Rotor ist z. B. aus der Druckschrift US-A-4,505,640 bekannt.

STAND DER TECHNIK

Ein Rotor der eingangs genannten Art ist in einem Ausschnitt beispielhaft in Fig. 1 dargestellt. Der Rotor 10 umfasst eine Rotorscheibe 11, an deren Umfang eine Vielzahl von im wesentlichen in axialer Richtung verlaufender, durch Rotorzacken 15 voneinander getrennter Aufnahmeschlitze 13 angeordnet sind. In die Aufnah meschlitze 13 münden von unten kommend in der Rotorscheibe 11 verlaufende Kühlluftzuführungen 14, durch die Kühlluft für die Kühlung der Rotorschaufeln 16 bereitgestellt wird. Die Rotorschaufeln 16, die jeweils ein Schaufelblatt 17, einen Schaufelfuss 19 und eine oberhalb des Schaufelfusses 19 angeordnete Plattform 18 aufweisen, sind mit dem Schaufelfuss 19 in axialer Richtung in die Aufnahme schlitze 13 eingeschoben und werden dort lösbar gehalten, wobei ein Formschluss meist durch eine tannenbaumartige Ausgestaltung ("fir-tree") des Quer schnittsprofils erreicht wird. Zwischen den Plattformen 18 und der darunterliegen den Umfangsfläche 15 der Rotorscheibe 11 werden Hohlräume 21 gebildet. Die mittels der Kühlluftzuführung 14 herangeführte Kühlluft (oder eine anderes geeig netes Kühlmedium) wird durch (nicht dargestellte) Kanäle im Inneren des Schau felfusses 19 ins Innere des (hohlen) Schaufelblattes 17 geführt, strömt dort und wird dann durch Austrittsöffnungen am Schaufelblatt 17 und/oder an der Plattform 18 ausgelassen.

Bei den Rotorschaufeln 16 muss aus Gründen der thermischen Belastbarkeit nicht nur das eigentliche Schaufelblatt 17 durch das im Inneren strömende Kühlmedium gekühlt werden, sondern auch der Schaufelfuss 19 sowie die oberhalb des Schaufelfusses angeordnete Plattform 18.

Zur Kühlung dieser Teilbereiche der Rotorschaufel sind in der Vergangenheit eine Vielzahl von Vorschlägen gemacht worden:
In den Druckschriften US-A-4,012,167, US-A-5,639,216 und US-A-5,848,876 wird beispielsweise vorgeschlagen, im Inneren der Plattform horizontal verlaufende Kühlluftkanäle unterzubringen, die auf verschiedene Weise mit Kühlluft versorgt werden. Eine solche interne Kühlung der Plattform ist jedoch herstellungstech nisch sehr aufwendig, weil es schwierig ist, beispielsweise bei gegossenen Schaufeln entsprechende Kanäle auszubilden.

In der US-A-5,800,124 wird weiterhin vorgeschlagen, seitlich im Fussbereich an geordnete Abdeckplatten so auszubilden, dass die hintere Kante der Schaufel plattform durch entsprechende vertikale Kanäle in den Abdeckplatten von unten mit Kühlluft angeblasen werden. Eine durchgängige Kühlung der Plattform ist da mit nicht möglich.

In der US-A-5,738,489 wird vorgeschlagen, auf der Unterseite der Plattformen ei nen thermischen Leiter anzubringen, der die Wärme von der Plattform abführt und zum zentralen Kühlluftkanal im Schaufelfuss führt. Eine solche Lösung ist eben falls herstellungstechnisch aufwendig, weil hier spezielle Materialien zusätzlich auf die Schaufel aufgebracht werden müssen. Darüber hinaus ist eine Spühlung der Hohlräume unterhalb der Plattform mit Kühlluft auf diese Weise nicht möglich.

In der US-A-5,340,278 schliesslich wird vorgeschlagen, auf der Höhe der Plattform schräg nach unten verlaufende Bohrungen vorzusehen, durch die Kühlluft aus dem zentralen Kühlluftkanal der Schaufel in die Hohlräume unterhalb der Plattform eingeblasen wird. Hierdurch wird zwar eine Kühlung der Plattform und eine Spüh lung der Hohlräume ermöglicht, die Bohrungen sind jedoch ebenfalls sehr auf wendig in der Herstellung.

Weiterhin ist es üblich, bei Rotorschaufeln, die von der Rotorseite her mit Kühlluft gespiesen werden, diejenige Kühlluft, die an der Befestigung vorbeiströmt, zur Kühlung der Plattform oder zumindest zum Spülen der Hohlräume zu benutzen. Die Menge der Kühlluft ist, da sie von der Passung zwischen Schaufelfuss und Aufnahmeschlitz abhängt und eher einer Leckage gleichkommt, unbestimmt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Rotor zu schaffen, bei dem auf herstel lungstechnisch einfache Weise Kühlmedium bzw. Kühlluft in definierter Menge von der rotorseitigen Kühlluftzuführung in die Hohlräume unterhalb der Plattform ge bracht werden kann.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der Kern der Erfindung besteht darin, zwischen der Aussenseite des Schaufel fusses und der Innenseite des Aufnahmeschlitzes Kühlluftkanäle auszubilden, die sich beispielsweise als Ausnehmungen einfach herstellen lassen und das Kühl medium auf direktem Wege von der Kühlluftzuführung in die Hohlräume führen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Rotor nach der Erfindung ist dadurch ge kennzeichnet, dass die Kühlluftkanäle zumindest teilweise als Ausnehmungen im Schaufelfuss und/oder Aufnahmeschlitz ausgebildet sind. Diese Ausnehmungen können auf besonders einfache Weise direkt beim Giessen ausgeformt oder durch nachträglichen Materialabtrag hergestellt werden.

Besonders einfach ist es, wenn gemäss einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform die Kühlluftkanäle als Ausnehmungen ausgebildet sind, welche vertikal zwischen der Mündung der Kühlluftzuführung und den Hohlräumen ver laufen.

Eine andere bevorzugte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftkanäle als Ausnehmungen ausgebildet sind, welche einerseits von der Mündung der Kühlluftzuführung horizontal nach aussen zu einer Stirnseite des Schaufelfusses und andererseits an der Stirnseite vertikal nach oben bis in die Hohlräume verlaufen, dass die stirnseitigen Ausnehmungen nach aussen hin durch Abdeckplatten abgedichtet sind, dass zur axialen Sicherung der Rotor schaufeln in den Aufnahmeschlitzen stirnseitig angeordnete Axialsicherungsble che vorgesehen sind, und dass die Axialsicherungsbleche als Abdeckplatten ein gesetzt werden.

Eine weitere bevorzugte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Kühl luftkanal als Ausnehmung ausgebildet ist, welche von der Mündung der Kühlluft zuführung horizontal nach aussen zu einer Stirnseite des Schaufelfusses führt, dass zur axialen Sicherung der Rotorschaufel in dem Aufnahmeschlitz ein stirn seitig angeordnetes Axialsicherungsblech vorgesehen ist, und dass das Axialsi cherungsblech so ausgeformt ist, dass zwischen dem Axialsicherungsblech und der Stirnseite des Schaufelfusses ein vertikal nach oben bis in die Hohlräume verlaufender Kühlluftkanal gebildet wird. Die Bildung der Kühlluftkanäle kann so zumindest teilweise durch eine vergleichsweise einfache Formung der Axialsiche rungsbleche bewirkt werden.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 in perspektivischer Seitenansicht den Ausschnitt einer Rotor scheibe mit eingesetzter, gekühlter Rotorschaufel nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine zu Fig. 1 vergleichbare Darstellung eines Rotors mit zusätzli chen vertikalen Kühlluftkanälen gemäss einem ersten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 eine Rotorschaufel mit am Schaufelfuss angeformten zusätzlichen horizontal und vertikal verlaufenden Kühlluftkanälen gemäss ei nem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 in der Seitenansicht die in die Rotorscheibe eingesetzte Rotor schaufel nach Fig. 3, wobei zur Bildung der vertikalen Kühlluftka näle ein Axialsicherungsblech herangezogen wird;

Fig. 5 eine zu Fig. 4 vergleichbare Darstellung eines anderen Ausfüh rungsbeispiels der Erfindung, bei welchem die vertikalen Kühlluft kanäle durch eingeformte Sicken im Axialsicherungsblech gebildet werden;

Fig. 6 eine zu Fig. 4 vergleichbare Darstellung eines anderen Ausfüh rungsbeispiels der Erfindung, bei welchem die vertikalen Kühlluft kanäle durch flächige Ausnehmungen im Axialsicherungsblech gebildet werden;

Fig. 7 in einer perspektivischen Seitenansicht von Vorderseite (Teilfigur A) und Rückseite (Teilfigur B) das Axialsicherungsblech gemäss Fig. 5; und

Fig. 8 in einer perspektivischen Seitenansicht von Vorderseite (Teilfigur A) und Rückseite (Teilfigur B) das Axialsicherungsblech gemäss Fig. 6.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 2 ist in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung ein Rotor mit zusätzlichen vertikalen Kühlluftkanälen gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfin dung wiedergegeben. Gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wie in Fig. 1. Die Hohlräume 21 unterhalb der Plattform 18 werden hier direkt mittels vertikaler Kühlluftkanäle 22 mit Kühlluft versorgt. Die Kühlluftkanäle 22 verlaufen direkt von der Mündung der Kühllutfzuführung 14 im Boden des Auf nahmeschlitzes 13 zum Hohlraum 21 und spülen den Hohlraum 21 mit Kühlluft und kühlen gleichzeitig die Unterseite der Plattform 18. Die Kühlluftkanäle 22 lie gen in der vertikalen Mittelebene der Rotorschaufel 160 und werden durch Aus nehmungen im Schaufelfuss 19 gebildet, die entweder beim Giessen der Rotor schaufel 160 eingeformt oder später durch Materialabtrag (z. B. Fräsen) gebildet werden. Der Querschnitt der Kühlluftkanäle 22 wird dabei entsprechend der benö tigten Kühlluftmenge ausgelegt.

Eine andere Möglichkeit, gemäss der Erfindung Kühlluftkanäle am Schaufelfuss durch entsprechende Ausnehmungen zu bilden, ist in Fig. 3 und 4 dargestellt. Bei der Rotorschaufel 161 der Fig. 3 sind an der einen Stirnseite des Schaufelfusses 19 durch Aussparungen vertikal verlaufende Kühlluftkanäle 23, 24 freigehalten, durch die Kühlluft von unten in die Hohlräume 21 hinaufgeleitet wird. Zur äusseren Begrenzung der Kühlluftkanäle 23, 24 dient ein zur axialen Sicherung der Rotor schaufel 161 in entsprechende Nuten 27, 28 eingesetztes Axialsicherungsblech 26. Zur Verbindung der vertikalen Kühlluftkanäle 23, 24 mit der Mündung der Kühlluftzuführung 14 ist ein weiterer horizontaler Kühlluftkanal 25 vorgesehen, der durch eine Aussparung bzw. Ausnehmung auf der Unterseite des Schaufelfusses 19 gebildet wird. Die Kühlluft strömt dann gemäss den Pfeilen in Fig. 4 aus der Kühlluftzuführung 14 und über die Kühlluftkanäle 25 und 23 bzw. 24 nach oben in die Hohlräume 21 unterhalb der Plattform 18.

Selbstverständlich ist es aber auch denkbar, den Schaufelfuss in der in Fig. 1 ge zeigten Form beizubehalten und die zusätzlichen Kühlluftkanäle durch komple mentäre Aussparungen bzw. Ausnehmungen in den Aufnahmeschlitzen 13 der Rotorscheibe 11 zu bilden.

Eine weitere Art, die Kühlluftkanäle gemäss der Erfindung im Bereich des Schau felfusses 19 zu bilden, ist in den Fig. 5 bis 8 dargestellt. Auch hier sind - wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 - die vertikalen Kühlluftkanäle an einer Stirnseite des Schaufelfusses 19 angeordnet und werden durch einen vertikalen Kühlluftka nal 25 mit der Kühlluftzuführung 14 verbunden. Anders als bei Fig. 3 werden die dazu notwendigen Ausnehmungen jedoch nicht am Schaufelfuss 19 selbst vorge sehen, sondern an einem stirnseitig zur axialen Sicherung der Rotorschaufel 162 eingesetzten Axialsicherungsblech 260 bzw. 261. Beim Axialsicherungsblech 260 gemäss Fig. 5 bzw. Fig. 7 werden die vertikalen Kühlluftkanäle 30 durch im Axial sicherungsblech eingeformte Sicken 29 bzw. 29' gebildet (jeweils eine der Sicken ist einem Schaufelfuss zugeordnet). Beim Axialsicherungsblech 261 gemäss Fig. 6 bzw. Fig. 8 werden die vertikalen Kühlluftkanäle durch im (dickeren) Axialsiche rungsblech untergebrachte Ausnehmungen 31 bzw. 31' gebildet. Zwischen den Sicken 29, 29' bzw. Ausnehmungen 31, 31' kann jeweils ein Sicherungsnocken 32 bzw. 33 vorgesehen werden, mit dem das Sicherungsblech zur Umfangssicherung in eine Sicherungsnut 20 am Schaufelfuss 19 (Fig. 1-3) eingreift. Der Kühlluftstrom erfolgt bei dieser Art der Kanalführung entlang den in Fig. 5 und 6 eingezeichneten Pfeilen.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung auf herstellungstechnisch besonders ein fache Weise eine definierte Spühlung der Hohlräume unterhalb der Plattformen, durch welche der Eintritt von Heissgas sicher verhindert wird, sowie eine gute Kühlung der Plattformen selbst.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

Rotor

11

Rotorscheibe

12

Rotorzacke

13

Aufnahmeschlitz

14

Kühlluftzuführung

15

Umfangsfläche (Rotorscheibe)

16

,

160-162

Rotorschaufel

17

Schaufelblatt

18

Plattform

19

Schaufelfuss

20

Sicherungsnut

21

Hohlraum

22-25

Kühlluftkanal

26

,

260

,

261

Axialsicherungsblech

27

,

28

Nut

29

,

29

' Sicke

30

Kühlluftkanal

31

,

31

' Ausnehmung

32

,

33

Sicherungsnocken

Claims

1. Rotor (10) für eine Gasturbine, welcher Rotor (10) eine Mehrzahl von Rotorschaufeln (160-162) umfasst, die jeweils ein Schaufelblatt (17), einen Schaufelfuss (19) und eine zwischen Schaufelblatt (17) und Schaufelfuss (19) an geordnete Plattform (18) umfassen und mit dem Schaufelfuss (19) in einen am äusseren Umfang einer Rotorscheibe (11) angeordneten axialen Aufnahmeschlitz (13) derart eingeschoben und dort lösbar gehalten sind, dass zwischen der Platt form (18) und der Umfangsfläche (15) der Rotorscheibe (11) Hohlräume (21) ge bildet werden, und die zur Kühlung jeweils durch wenigstens eine in der Rotor scheibe (11) verlaufende und in den Aufnahmeschlitz (13) mündende Kühlluftzu führung (14) mit Kühlluft versorgt werden, welche Kühlluft durch den Schaufelfuss (19) hindurch ins Innere des Schaufelblattes (17) geleitet wird, dadurch gekenn zeichnet, dass zum Spülen der Hohlräume (21) und zum Kühlen der Plattform (18) zwischen der Aussenseite des Schaufelfusses (19) und der Innenseite des Auf nahmeschlitzes (13) Kühlluftkanäle (22-25) vorgesehen sind, über welche Kühlluft von der Kühlluftzuführung (14) in die Hohlräume (21) geleitet wird.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftkanäle (22-25) zumindest teilweise als Ausnehmungen im Schaufelfuss (19) und/oder Aufnahmeschlitz (13) ausgebildet sind.

3. Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftkanäle (22) als Ausnehmungen ausgebildet sind, welche vertikal zwischen der Mündung der Kühlluftzuführung (14) und den Hohlräumen (21) verlaufen.

4. Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftkanäle (23-25) als Ausnehmungen ausgebildet sind, welche einerseits von der Mündung der Kühlluftzuführung (14) horizontal nach aussen zu einer Stirnseite des Schau felfusses (19) und andererseits an der Stirnseite vertikal nach oben bis in die Hohl räume (21) verlaufen, und dass die stirnseitigen Ausnehmungen nach aussen hin durch Abdeckplatten (26) abgedichtet sind.

5. Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur axialen Si cherung der Rotorschaufeln (161) in den Aufnahmeschlitzen (13) stirnseitig ange ordnete Axialsicherungsbleche (26) vorgesehen sind, und dass die Axialsiche rungsbleche (26) als Abdeckplatten eingesetzt werden.

6. Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlluftkanal (25) als Ausnehmung ausgebildet ist, welche von der Mündung der Kühlluftzufüh rung (14) horizontal nach aussen zu einer Stirnseite des Schaufelfusses (19) führt, dass zur axialen Sicherung der Rotorschaufel (162) in dem Aufnahmeschlitz (13) ein stirnseitig angeordnetes Axialsicherungsblech (260, 261) vorgesehen ist, und dass das Axialsicherungsblech (260, 261) so ausgeformt ist, dass zwischen dem Axialsicherungsblech (260, 261) und der Stirnseite des Schaufelfusses (19) ein vertikal nach oben bis in die Hohlräume (21) verlaufender Kühlluftkanal (30, 31) gebildet wird.

7. Rotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der vertikalen Kühlluftkanäle (30) in das Axialsicherungsblech (260) Sicken (29, 29') eingeformt sind.

8. Rotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der vertikalen Kühlluftkanäle in dem Axialsicherungsblech (261) Ausnehmungen (31, 31') vorgesehen sind.