DE2004761A1

DE2004761A1 - Turbomaschine mit gekühltem Rotor

Info

Publication number: DE2004761A1
Application number: DE19702004761
Authority: DE
Inventors: David Dipl.-Ing. Zürich; Moser Paul Winterthur; Schmidt (Schweiz)
Original assignee: Brown Boveri-Sulzer Turbomaschinen AG, Zürich (Schweiz)
Priority date: 1969-02-26
Filing date: 1970-01-27
Publication date: 1970-09-10
Also published as: CH495496A; NL6910908A; US3582230A; GB1305431A

Description

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Berlin 28 ^iWW4/O

Edelhofdamm 26 Telefon 401 25 68

PRCVN EOVT5P.I - SULZER TURBOMASCHINE AG., Zürich

Turboiraschine mit gekühltem Rotor

Die Erfindung "betrifft eine Turbomaschine für ein elastisches Iluiduir. irit einem durch ein elastisches Fluidum gekühlten Rotor, der im Bereiche der Schaufelfüsse mindestens des in Richtung des Pruckgefälles gesehen ersten Laufschaufelkranzes im wesentlichen rotorachsparallele Kühlkanäle aufweist, und mit einem der Zufuhr des Kühlmittels zum genannten ersten laufschaufelkranz dienenden Zufuhrkanal, der als von einem hochdruckseitig der Schaufelung gelegenen Abschnitt der Rotorv.ellj und von einem Gehäuseteil umgrenzter Ringspalt ausgebildet ist.

Bei rrodernen thermischen Turbomaschinen, insbesondere bei Gasturbinen mit hoher Drehzahl und/oder hoher Arbeitsmittelteir.peratur, müssen die Kühlkanäle im Bereiche der Sohaufelf'iose im Querschnitt aus Festigkeitsgründen klein gehalten werden. In herkömmlichen Anlagen wird das Kühlmittel den Kühlkanälen durch einen von der Rotorwelle und einem Gehäuseteil umgrenzten, ringförmigen Zufuhrkanal zugeführt. In einem derartigen Zufuhrkanal weist das Kühlmittel etwa die halbe Umfangsgeschwindigkeit der Rotorwelle auf und hat daher eine echräge Zuströmrichtung zu den Kühlkanälen. Dies hat eine starke Drosselwirkun# zur Folge, welche die durch die KUhlkanäle strömende KUhlmittelmenge in einem unerwünschten bzw. untragbaren Auonapse begrenzen kann. Die gleiche

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Schwierigkeit tritt noch stärker bei denjenigen bekannten Anlagen auf, bei welchen das Kühlmittel durch feststehende Düsen zugeführt wird.

Die Erfindung bezweckt, diese Schwierigice iten zu überwinden. Zu diesen Zwecke wird eine Turbomaschine der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäss derart ausgebildet, dass ein hochdruckseitig des in Richtung des Druckgefälles gesehen ersten Laufschaufelkranzes gelegener Abschnitt der Rotornabe eine der Anzahl der Kühlkanäle entsprechende Anzahl von mit diesen verbundenen, im wesentlichen rotorachsl^arallelen Zulaufkanälen aufweist, deren Querschnitt zum mindesten entlang einem hochdruckseitigen Abschnitt um ein vielfaches grosser ist als derjenige der Kühlkannle, und deren zuströmseitige Fündungen im Bereiche der abströmseitigen Windung des Zufuhrkanals gelegen sind.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Axialechnitt durch eine Gasturbine,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem achssenkrechten Schnitt durch den Rotor der in Fig. 1 dargestellten Turbine, wobei die rechte Seite den Schnitt nach der Linie A-A und die linke Seite den Schnitt nach der Linie B-B in Fig.l darstellt, und

Fig. 3 einen Ausschnitt aus einer Abwicklung eines Schnittes nach der Linie C-C in Fig.l.

Die gezeigte Gasturbine weist ein Gehäuse 1 mit Leitschaufeln 2, wovon zwei Leitschaufelkranze sichtbar sind, sowie einen

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Rotor 3 mit Laufschaufeln 4 auf, wovon zwei Laufschaufelkränze sichtbar sind. Der Pfeil 5 zeigt die Richtung des Druckgefälles und zugleich der Strömung des Treibmittels. Der in Richtung des Druckereialles gesehen erste Laufschaufelkranz bzw. dessen Laufschaufeln sind mit 4 bezeichnet.

If. Bereiche der Schaufelfüsse 6 der Laufschaufelkränze 4 ,

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4 sind rotorachsparallele Kühlkanäle 7 » 7 vorgesehen.

Ein der Zufuhr des Kühlmittels zum Laufradschauielkranz 4 dienender Zufuhrkanal 8 wird von einem hochdruckseitig und zugleich zuströmseitig der Schaufelung 2,4 gelegenen Abschnitt 9 der Rotorwelle und von einem Gehäuseteil Io umgrenzt und ist als Ringspalt ausgebildet. Der Rotor 3 kann beispielsweise zuströmseitig ausserhalb der Turbine in einem mit ihr zusammengebauten Kompressor für das Treibmittel gelagert sein, wobei zwischen der "/eile und dem Gehäuse kühles Treibmittel vom Kompressor zum ersten Laufradkranz der Turbine strömt. Es ist aber auch bekannt, ein elastisches Kühlmittel von irgendeiner Quelle geeigneten Druckes und geeigneter Temperatur in den Zufuhrkanal 8 einzuleiten.

Erfindungsgemäss weist ein hochdruckseitig des in Richtung des Druckgefalles gesehen ersten Laufschaufelkranzes 4 gelegener Abschnitt 11 der Rotornabe 12 eine der Anzahl der Kühlkanäle 7 entsprechende Anzahl von mit diesen verbundenen, rotorachsparallelen Zulaufkanälen 13 auf, deren Querschnitt entlang einem etwa die Hälfte deren axialer Ausdehnung entiM. rechend en hochdruckseitigen Abschnitt beispielsweise uir dos I'ünfzehnfache grosser ist als derjenige der Kühlkanrle 7 , und deren zuctrömseitige Fündungen 14 im Bereiche der abströmseitigen I'ündung 15 des Zufuhrkanals 8 gelegen Bind.

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Dank den beschriebenen I'acsnahmen tritt beim Uebertritt des Kühlmittels vom Zufuhrkanal 8 über die Zulaufkanäle 13 in die Kühlkanäle 7 keine Drosselv.'irkung ein. Vielmehr kann trotz schräger Anströmung aus dem Zufuhrkanal 8 eine genügende !.'enge Kühlmittel in die Zulaufkanäle 13 übertreten, in v.'elchen es die Umfangsgeschwindigkeit der Kiihlknnäle 7 annimmt. Durch die erfinderischen T.'assnahmen wird somit sichergestellt , dass eine genügend rrosse Kühlmittelmenge durch die aus lestigkeitsgründen im Querschnitt klein gehaltenen Kühlkanäle strömt.

Im dargestellten Beispiel weisen die zuströir.seitigen indungen 16 der Kahlkanäle 7 einerseits und die abströmseitige T'ündung 15 des Zufuhrkanals 8 einen radialen Abstand zueinander auf. Die radiale Ausdehnung der Zulaufkanäle 13 entlang deren hochdruckseitigem Abschnitt entspricht dem genannten radialen Abstand. Die Ver,e;ro'sserung des Querschnittes der Zulaufkanäle 13 gegenüber demjenigen der Kühlkanäle 7 wird ausGchlieselich durch die prössere Ausdehnung der Zulaufkanäle in radialer Richtung gewonnen. Diese Ausführungsart ergibt eine gute Ausnützung des zur Verfugung stehenden Raumes.

Die Kühlkannle 7 sind radial einwärts der Schaufelfüsce 6 und an dieser angrenzend angeordnet. Die Zulaufknnäle 13 erstrecken sich vom radialen Bereich der radial inneren Flächen der Schaufelfüsse 6 radial einwärts. Der die Zulaufkanäle 13 aufnehmenden Abschnitt 11 der Rctornabe 12 weist mit den die Schauf elf üsr-e 6 aufnehmenden Axialnuten 17 der in RiChLuIV 5 der- Druckgefillles gesehen ernten Lauf radscheibe 18 i-luohtende Nuten 19 <;uf, welche ?ür^e 2o von Decke, egrr. en ten

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21 aufnehmen. Die Zulaufkanäle 13 sind radial einwärts dieser Tüsse 2o an diese angrenzend angeordnet. Diese Ausführungsart hat den Vorteil, dass die Nuten 19 zusammen mit den Nuten in einem Arbeitsgang hergestellt werden können. Da der Abschnitt 11 der Hotornabe am Umfange durch die Nuten 13119 unterteilt ist, werden gefährliche Temperaturspannungen an dieser Stelle vermieden.

Die erste Laufradscheibe 18 weist einen grösseren Radius auf als der die Zulaufkanäle 13 aufnehmende Abschnitt 11 der Rotornabe 12. Ee ist ein diesen Abschnitt 11 der Rotornabe 12 umgebender, hochdruekseitig mit dem Gehäuse 1 verbundener Hing, 22 vorgesehen, dessen niederdruckseitige Auasenkante 23 mit der hochdruckseitigen Aussenkante 24 der ersten Laufradscheibe l8 in Achsrichtung fluchtet , und dessen äussere liantelfläche einen axialen Abschnitt der inneren Begrenzungsfläche des Arbeitsmittelkanalo 25 bildet. Die innere !."antelfläche des Ringes 22 begrenzt zusammen mit der ΓαηteIflache des genannten Abschnittes 11 der Rotornabe 12, bzw. mit den Ausoenflachen der Decksegrrente 21 einen ringförmigen Dichtungsspalt 26, der Dichtungolabyrinthe aufweist. Durch den geschilderten Ring 22 ergibt sich der Vorteil, dass zur Abdichtung des das Kühlmittel führenden Kanals 8,13 pe^en den Arbeitsmittelkanal 25 ein Dichtungss^alt 26 von beträchtlicher axialer Ausdehnung gewonnen wird, der auch bei den in Ansehung der. unterschiedlichen Wärmedehnung von Rotor und Gehäuse notwendigen Toleranzen eine ausreichende Dichtwirkung ergibt". Da die Decksegmente 21 geringeren Kräften ausgesetzt sind als die Laufschaufeln 4 1 können die Füsse 26 kürzer sein und weniger Zacken aufweisen als die Schaufelfüsae 6.

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In Fig. 3 ist irit den: Pfeil 27 die Drehrichtung des Rotors 3 angegeben. An den hochdruckseitigen Mündungen 14 der Zulaufkanale 13 sind die Kanten zwischen den in der Drehrichtung entgehendesetuter Richtung weisenden Wandflächen 28 der Zulaufkanäle und der hochdruckseitigen Stirnwand 29 der Rotornabe 12 abgerundet; sie könnten auch abgeschrägt sein. Diese i.'assnahine dient der Verbesserung der Einlaufverhältnisse des Kühlmittels in die Zulaufkanäle.

Iir Bereiche der abströmseitigen Enden der Zulaufkanäle 13
sind radiale Bohrungen 3o vorgesehon, welche die Zulaufkanäle mit dem Arbeitsmittelkanal 25 verbinden. Allfällige mit dem
Kühlmittel in die Zulaufkanäle gelangte Stabuteilchen werden unter Zentrifugalkrafteinwirkung durch die Bohrungen 3o aus
den Zulaufkanälen entfernt und gelangen nicht in die engen
Kühlkanäle 7, womit die Gefahr einer Verstopfung derselben
verringert wird.

Die erfinderischen liassnahmen sind nicht auf eine Gasturbine beschränkt, sondern sie können auch bei Dampfturbinen und
Turbokompreesoren angewandt werden.

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Claims

Patentansprüche

Turbomaschine für ein elastisches Fluidum mit einem durch ein elastisches Fluidum gekühlten Rotor, der im Bereiche der Schaufelfüsse mindestens des in Richtung des Druckgefälles gesehen ersten Laufschaufelkranzes im wesentlichen rotorachsparallele Kühlkanäle aufweist, und mit einem der Zufuhr des Kühlmittels zum ersten Laufschaufelkranz dienenden Zufuhrkanal, der als von einem hochdruckseitig der Schaufelung gelegenen Abschnitt der Rotorwelle und von einem Gehäuseteil umgrenzter Ringkanal ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass ein hochdruckseitig des in Richtung des Druckgefälles (5) gesehen ersten Laufschaufelkranzes (4 ) gelegener Abschnitt (11) der Rotornabe (12) eine der Anzahl der Kühlkanäle (7 ) entsprechende Anzahl von mit diesen verbundenen, im wesentlichen rotorachsparallelen Zulaufkanälen (13) aufweist, deren Querschnitt zum mindesten entlang einem hochdruckseitigen axialen Abschnitt um ein Vielfaches grosser ist als derjenige der Kühlkanäle (.7 ), und deren zuströmseitige Mündungen (14) im Bereiche der abströmseitigen Mündung (15) des Zufuhrkanals (B) gelegen sind.

Turbomaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zuctrömseitigen Mündungen (16) der Kühlkanäle (7 ) einerseits und die abströmseitige Mündung (15) des Zufuhrkanals (8) einen radialen Abstand zueinander aufweisen, und dass die radiale Aus-

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dehnung der Zulaufkanäle (13) dem genannten radialen Abstand entspricht-

3. Turbomaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (7 ) radial einwärts der Schaufelfüsse (6) an diese angrenzend angeordnet sind, dass sich die Zulaufkanäle (13) vom radialen Bereich der radial inneren Flachen der Schaufelfüsse (6) radial einwärts erstrecken, dass der die Zulaufkanäle (13) aufnehmende Abschnitt (11) der Hotornabe (12) mit den die Schaufelfüsse (6) aufnehmenden Axialnuten (17) der in Richtung (5) des Druckgefälles gesehen ersten Laufradscheibe (15) fluchtende Nuten (19) aufweist, welche Füsse (2o) von Decksegmenten (21) aufnehmen, und dass die Zulaufkanäle (13) radial einwärts dieser Füsse (2o) an diese angrenzend angeordnet sind.

4. Turbomaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Zustromseitigen Mündungen (14) der ZulaufkanälG (13) die Kanten zwischen den in der Drehrichtung (27) des Rotors (3) entgegengesetzter Richtung weisenden V/andf lachen (28) der Zulauf kanäle und der hochdruckseitigen Stirnwand (29) der Rotornabe (12) abgerundet oder abgeschrägt sind.

5. Turbomaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereiche der abströmseitigen Enden der Zulaufkanäle (13) radiale Bohrungen (3o) vorgesehen sind, welche die Zulaufkanäle mit dem Arbeitomittelkanal (25) verbinden.

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