DE3424139A1

DE3424139A1 - Rotor, im wesentlichen bestehend aus einer trommel und einer zu kuehlenden scheibe

Info

Publication number: DE3424139A1
Application number: DE19843424139
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl.-Ing. Baden Kreitmeier
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1984-06-30
Filing date: 1984-06-30
Publication date: 1986-01-09
Anticipated expiration: 2004-07-01
Also published as: US4648791A; DE3424139C2

Description

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28.6.84 Ke/5C

Rotor, im wesentlichen bestehend aus einer Trommel und

einer zu kühlenden Scheibe

Die Erfindung betrifft einen Rotor, im wesentlichen bestehend aus einer Trommel und einer zu kühlenden Scheibe, gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Rotoren findet man häufig im Turbomaschinenbau, insbesondere bei Gasturbinen. Bei der zu kühlenden Scheibe handelt es sich um eine mit Laufschaufeln und Wärmestausegmenten bestückte Welle. Das Kühlmedium, in der Regel Luft, wird längs einer Trommel an die Stirnseite der Welle herangeführt und in Kühlöffnungen in der Stirnseite eingeleitet. Hierzu ist die Trommelummantelung mit einer radialen Zuströmleitung versehen. Die zuströmende Kühlluft trifft demnach radial auf die Trommel auf und verteilt sich in dem Ringraum zwischen Trommel und Ummantelung. Die Trommel ist auf der der zu kühlenden Welle abgekehrten Seite mit einem Sperrlabyrinth versehen. Bei einer bekannten Ausbildung befindet sich zwischen der radialen Luftzuführung und der mit Kühlöffnungen versehenen Scheibe ein Drossellabyrinth, in dem der im Ringraum herrschende Druck auf den für den Verbraucher erforderlichen Wert abgebaut wird.

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Dieses Labyrinth ist unbedingt erforderlich, um die an nur einer Stelle zugeführte Luft gleichmässig über den Ringraum zu verteilen.

V/on Nachteil bei dieser Lösung ist, dass das erforderliche Spiel des Drossellabyrinthes schwer kalkulierbar ist. Ueberdies sind die das Labyrinth konstituierenden Dichtstreifen einer hohen aerodynamischen Belastung ausgesetzt. Diese Umstände könnten die ordnungsgemässe Versorgung der Welle mit Kühlluft beeinträchtigen. Schliesslich sind die im Labyrinth auftretenden Strömungsverluste zu erwähnen. Ungünstig ist auch, dass zum Eintreten der Luft in die rotierenden Kühlöffnungen Bremsverluste auftreten. Ein weiterer Nachteil muss in dem zu hohen Massenfluss durch das Sperrlabyrinth gesehen werden. Diese als Verlust zu betrachtende Dichtströmung ist durch den hohen, am Eingang des Drossellabyrinthes erforderlichen Wirkdruck der Kühlluft bedingt.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung wie sie in den Patentansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Rotor der eingangs genannten Art eine bei allen Betriebsbedingungen zuverlässige Versorgung der Scheibe mit Kühlluft sicher zu stellen.

Von besonderem Vorteil ist hierbei, dass die jeweils richtige Dosierung der Kühlmedienmenge mit nahezu unveränderlich bleibenden Querschnitten erzielt wird.

Wird darüber hinaus das Kühlmedium nicht nur in Rotordrehrichtung in den Ringraum eingeleitet, sondern darüber hinaus im Umlenkgitter auf annähernd Scheibenumfangsgeschwindigkeit beschleunigt, so sind die anfallenden Brems-Verluste im Scheibenbereich vernachlässigbar klein.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbei-

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spieles in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in der anhand einer Gasturbine die Erfindung schematisch dargestellt ist. Hierbei sind erfindungsunwesentliche Elemente, die zum besseren Verständnis nichts beitragen, weggelassen. Es zeigt:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch den Rotor, Fig. 2 einen Querschnitt nach Linie A-A in Fig. 1.

Der gezeigte Rotor setzt sich zusammen aus einer Trommel 1 und einer Scheibe 2, die im folgenden als Schaufelwelle bezeichnet wird. In dieser Welle sind mehrere Reihen Laufschaufeln 3 befestigt. Die Befestigung wird auf bekannte Weise über nicht dargestellte Schaufelfüsse in Nuten vorgenommen. Um die Wellenoberfläche vor der Berührung mit den äusserst heissen Arbeitsgasen zu schützen, sind zwischen den Laufschaufelreihen - zumindest bei den vorderen Stufen Wärmestausegmente 4 über den Wellenumfang angeordnet-Es sind insbesondere diese Schaufelfüsse und die Wärmestausegmente, die als zur Scheibe gehörige Teile anzusehen sind und die es zu kühlen gilt.

Beim vorliegenden Beispiel wird das Kühlmedium, hier Luft, auf zwei Pfaden der Welle zugeführt. Zum einen durch einen Ringspalt 5, der sich zwischen Wellenstirnseite und einem daran angrenzenden Mantel 6 befindet. Zum andern durch Oeffnungen an der Wellenstirnseite. Hier handelt es sich um axialgerichtete Bohrungen 7, die mit der Wellenoberfläche über radiale Verbindungen 8 kommunizieren. Als Wellenoberfläche gilt jene Zylinderebene, in der das Kühlmedium die zu kühlenden Teile durch- resp. umströmt. Es versteht sich, dass an strikter axialer und radialer Ausrichtung der entsprechenden Oeffnungen 7 resp. 8 nicht festgehalten werden muss, sondern dass gegebenenfalls konstruktive

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und/oder strömungstechnische Forderungen eine andere Ausrichtung zweckmässiger erscheinen lassen.

Die Trommel 1, die den eigentlichen Wellenstummel bildet, ist von dem bereits erwähnten Mantel 6 umgeben. Beide Elemente schliessen somit einen Ringraum 9 ein. An der der Schaufelwelle abgekehrten Seite ist dieser Ringraum über ein Sperr labyrinth 12 abgedichtet. An der der Schaufelwelle zugekehrten Seite bildet der Mantel die Dichtung und gegebenenfalls die Arretierung für die Deckplatten 1Ü der ersten Reihe Turbinenleitschaufeln 13, deren Füsse im Schaufelträger 14 angeordnet sind.

Aus dieser Konfiguration ist ersichtlich, dass die Luft aus dem ersten Pfad zwischen der ersten Leitreihe und der ersten Laufreihe die Oberfläche der Schaufelwelle kühlt und dann in den vom Arbeitsgas durchströmten Kanal austritt. Es versteht sich, dass die Kühlluft aus dem zweiten Pfad die Schaufelfüsse aller Laufreihen und die weitere Wellenoberfläche beaufschlagen kann.

Der vor der ersten Laufreihe herrschende Druck im Strömungskanal ist somit massgebend für den Druck, den das Kühlmedium im Ringraum 9 und letztlich in der Zuströmleitung 10 aufweisen muss. Diese Zuströmleitung 10 ist ein radial in den Ringraum 9 einmündendes rundes Rohr, welches auf geeignete Weise am Mantel 6 befestigt ist. An der Mündung ist die Leitung 10 mit einem Umlenkgitter 11 versehen, dessen Schaufeln austrittseitig in Rotordrehrichtung gerichtet sind. Es versteht sich, dass im vorliegenden Rahmen auf die Bekanntgabe der genauen Geometriedaten verzichtet wird, da diese wegen ihrer Abhängigkeit von allzu zahlreichen Parametern ohnehin ungenügende Aussagekraft besitzen.

Immerhin sei erwähnt, dass es sich vorzugsweise um ein Beschleunigungsgitter handelt, das so ausgelegt ist, dass

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bei Rotornenndrehzahl die Luft aus dem Umlenkgitter mit annähernd Scheibenumfangsgeschwindigkeit austritt. Die im Ringraum 9 rotierende Drallströmung sorgt für stabile Strömungsverhältnisse; dies hat zur Folge, dass die axialen Bohrungen 7 über ihren ganzen Querschnitt sauber beaufschlagt werden. Weiterhin weist die aus dem Ringspalt 5 abströmende Leckluft - nachdem sie die Stirnseite gekühlt hat - den richtigen Strömungsvektor auf, um die am Austritt der ersten Leitschaufeln herrschenden Strömungsverhältnisse nicht zu beeinträchtigen.

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Claims

Patentansprüche

Rotor, im wesentlichen bestehend aus einer Trommel
(1) und einer zu kühlenden Scheibe (2), wobei die Trommel (1) mit einem einen Ringraum (9) begrenzenden Mantel (6) umgeben ist, in den eine radiale Zuströmleitung (10) für das Kühlmedium mündet, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuströmleitung (10) ein Umlenkgitter (11) vorgesehen ist, durch welches das Kühlmedium in Rotordrehrichtung umlenkbar und in den Ringraum (9) einleitbar ist.
2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkgitter (11) derart ausgebildet ist, dass
das Kühlmedium auf Scheibenumfangsgeschwindigkeit beschleunigt wird.
3. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der zu kühlenden Scheibe (2) an der der Trommel

(1) zugekehrten Stirnseite Oeffnungen (7) für das Kühlmedium angeordnet sind.
4. Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oeffnungen (7) axial gerichtete Bohrungen sind.
5. Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oeffnungen (7) über radiale Verbindungen (8) mit der Oberfläche der Scheibe (2) kommunizieren.
6. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Scheibe (2) und dem Mantel (6) ein Ringspalt (5) vorgesehen ist, durch das Kühlmedium aus dem Ringraum (9) austritt.

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7. Rotor nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet dass die Scheibe (2) eine beschaufelte Gasturbinenwelle ist, und dass die radialen Verbindungen (8) und der Ringspalt (5) stromabwärts der ersten Leitschaufelreihe (13) angeordnet sind.