DE4324034A1 - Gasturbine mit gekühltem Rotor - Google Patents

Gasturbine mit gekühltem Rotor

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    • F05D2260/60—Fluid transfer
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Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Verbindung betrifft eine einwellige, statio­ näre Gasturbine zur Stromerzeugung mit einem aus mehreren Scheiben zusammengeschweißten und beschaufelten Rotor, wobei zwischen den Scheiben Hohlräume und in der Rotorperipherie zwischen der Rotoroberfläche und durch die Rotorschaufeln bzw. Wärmestausegmentplatten gebildeten Plattformen mit Kühl­ luft gespeiste Axialkanäle vorhanden sind.
Stand der Technik
Gasturbinen dieser Art sind bekannt, wobei bei den bekannten Gasturbinen die Kühlluft aus dem Hochdruckteil des Verdichters entnommen wird.
Darstellung der Erfindung
Durch die vorliegende Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist, wird die Aufgabe gelöst,bei einer Gas­ turbine der eingangs genannten Art eine verbesserte Kühlung des Rotors zu schaffen. Erfindungsgemäß erfolgt dies demnach durch eine Anspeisung der Axialkanäle in der Rotorperipherie aus den Hohlräumen zwischen den Rotorscheiben. Die Hohlräume stehen dabei mit den genannten Axialkanälen vorzugsweise über Verbindungsöffnungen in Verbindung und werden über einen zen­ tralen, vom stromabwärts liegenden Ende des Rotors ausgehen­ den Kühlluftzufuhrkanal gespeist.
Ein wichtiger Vorteil der Erfindung ist dahin zu sehen, daß die Kühlluft am Mittelteil des Verdichters entnommen werden kann, wo sie noch einen tieferen Druck und eine tiefere Tem­ peratur als am Verdichter-Ausgang aufweist. Im Vergleich mit der bekannten Hochdruckkühlung ist die sich in diesem Fall ergebende Niederdruckkühlung effektiver und kommt auch mit einem geringeren Kühlluftstrom aus. Auch sind die Verluste geringer und der Wirkungsgrad wird dadurch verbessert.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Kurze Erläuterung der Figuren
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Gasturbine und
Fig. 2 eine Ausschnittsvergrößerung (Kreis A) von Fig. 1.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die in Fig. 1 dargestellte Gasturbine weist einen Verdichter 1, eine Turbine 2, ein Abgasgehäuse 3 und einen Abgasdiffusor 4 auf. Mit 5 ist die Brennkammer und mit 6 der Rotor bezei­ chnet. Der Rotor 6 ist aus mehreren Scheiben in seiner Axial­ richtung zusammengeschweißt, wobei zwischen den einzelnen Scheiben jeweils Hohlräume verbleiben. In Fig. 1 sind zwei Scheiben dargestellt und mit 7 bzw. 8 bezeichnet. Die Struk­ tur der Hohlräume zwischen den Rotorscheiben ist in der Ausschnittsvergrößerung von Fig. 2 zu erkennen. Der dort dargestellte Hohlraum zwischen den Rotorscheiben 7 und 8 ist mit 9 bezeichnet. Er ist in seinem zentralen Bereich um die Rotorachse 10 schmal und weitet sich nach außen zu einer Art Ringkammer 11 auf. Mit 12 ist die ringförmig voll umlaufende Schweißnaht zwischen den angrenzenden Rotorscheiben 7 und 8 bezeichnet. Im oberen Teil von Fig. 2 sind rein schematisch einige Rotorschaufeln 13 sowie Leitschaufeln 14 der Turbine 1 dargestellt. Zwischen der eigentlichen Rotoroberfläche 15 und ebenfalls nur rein schematisch dargestellten, durch die Rotorschaufeln bzw. durch Wärmestausegmentplatten gebildeten Plattformen 16 ist ein Axialkanal 17 vorhanden, der durch eine Dichtung 26 in einen Hochdruckabschnitt 17 HD und einen Niederdruckabschnitt 17 ND unterteilt ist. Mit dem Axialkanal stehen die Hohlräume 9 zwischen den Rotorscheiben über eine Anzahl von jeweils über den Umfang verteilten Verbindungs­ öffnungen bzw. Bohrungen 18 in Verbindung.
Wie wieder besser in Fig. 1 zu erkennen, ist der Rotor 6 ent­ lang seiner Achse 10 mit einem, von der Stirnseite 19 seines stromabwärts liegenden Endes ausgehenden, zentralen Kanal 20 versehen. Durch den zentralen Kanal 20, die Hohlräume 9 und die Verbindungsöffnungen 18 wird der Axialkanal 17 in der Rotorperipherie mit Kühlluft gespeist.
Die Kühlluft wird im mittleren Teil des Verdichters von der dort bereits teilweise verdichteten Prozeßluft abgezweigt und über eine Leitung 21 zur Stirnseite 19 des stromabwärts liegenden Rotorendes geführt. Die Leitung 21 durchsetzt dabei Hohlrippen 22 zwischen dem Außenring 23 und dem Innenring 24 des Abgasdiffusors bzw. -gehäuses 3, 4.
Es wird jetzt wieder auf Fig. 2 Bezug genommen. Dort ist zu erkennen, daß die Verbindungsöffnungen 18 in den Hohlräumen 9 ganz außen ansetzen, d. h. dort, wo diese ihren größten Durchmesser bzw. radialen Abstand R1 aufweisen. Zu diesem Ab­ stand und damit zu den Verbindungsöffnungen hin verjüngen sich die Ringkammern 11 der Hohlräume 9 jenseits des Radius R2 jeweils auch kontinuierlich. Dadurch ist sichergestellt, daß in der Kühlluft mitgeführter Schmutz sich nicht in den Hohl­ räumen 9 ansammeln kann, sondern durch die Verbindungs­ öffnungen 18 nach außen herausgeschleudert wird. Dadurch werden neben Wärmedämmeffekten durch sich ablagernden Schmutz auch die durch Schmutzansammlungen verursachten Unwuchten des Rotors vermieden.
Die Schweißnaht 12 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel gegenüber den Verbindungsöffnungen 18 axial etwas versetzt angeordnet. Ihre Wurzel 25 kommt deshalb bei einem radialen Abstand R3 von der Rotorachse 10 zu liegen, der etwas kleiner ist als der radiale Abstand R1, von dem die Verbindungs­ öffnungen 18 ausgehen. Auf die Ausbildung von Taschen beid­ seitig der Schweißnaht 12 an der Außenzone der Hohlräume 9 zur Entlastung der Schweißnahtwurzel 25, so wie dies bisher üblich war, wird aus den vorgenannten Gründen des Schmutzaus­ schleuderns verzichtet.
Anders als in der nicht maßstäblichen Darstellung von Fig. 2 ist es von Vorteil, die Schweißnaht 12 jeweils dicker zu machen als den geringsten gegenseitigen Abstand der Rotor­ scheiben.
Bezugszeichenliste
1 Verdichter
2 Turbine
3 Abgasgehäuse
4 Abgasdiffusor
5 Brennkammer
6 Rotor
7 Rotorscheibe
8 Rotorscheibe
9 Hohlraum zwischen zwei Rotorscheiben
10 Rotorachse
11 Ringkammer
12 Schweißnaht
13 Rotorschaufeln
14 Leitschaufeln
15 Rotoroberfläche
16 Plattformen
17 Axialkanal in der Rotorperipherie
18 Verbindungsöffnungen
19 Stirnseite des stromabwärts liegenden Rotorendes
20 zentraler Kühlluftzufuhrkanal
21 Kühlluftleitung
22 Hohlrippen
23 Außenring
24 Innenring
25 Schweißnahtwurzel
26 Dichtung HD gegen ND

Claims (9)

1. Einwellige, stationäre Gasturbine zur Stromerzeugung mit einem aus mehreren Scheiben (7, 8) zusammengeschweißten und beschaufelten Rotor (6), wobei zwischen den Scheiben (7, 8) Hohlräume (9) und in der Rotorpheripherie zwischen der Rotor­ oberfläche (15) und durch die Rotorschaufeln (13) bzw. Wärme­ stausegmentplatten gebildeten Plattformen (16) Axialkanäle (17) vorhanden sind, gekennzeichnet durch eine Anspeisung dieser Axialkanäle (17) mit Kühlluft aus mindestens einem der Hohlräume zwischen den Rotorscheiben.
2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Hohlräume (9) zwischen den Rotorscheiben (7, 8) mit den genannten Axialkanälen (17) in der Rotor­ peripherie über Verbindungsöffnungen (18) in Verbindung stehen und daß entlang der Achse (10) des Rotors (6) ein zentraler Kühlluftzufuhrkanal (20) vorgesehen ist.
3. Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Rotor-Kühlluftzufuhrkanal (20) von der Stirn­ seite (19) des stromabwärts liegenden Rotorendes ausgeht und daß die Kühlluft dort in ihn eingespeist wird.
4. Gasturbine nach Anspruch 3 und mit einem Abgasdiffusor (4), welcher einen das stromabwärts liegende Rotorende auf­ nehmenden Innenring (24), einen Außenring (23) sowie Innen- und Außenring miteinander verbindende Hohlrippen (22) auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluft in wenig­ stens einer Kühlluftleitung (21) durch wenigstens eine der Hohlrippen (22) zum stromabwärts liegenden Rotorende geführt wird.
5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kühlluft am Mittelteil des Verdichters (1) abgezapft wird.
6. Gasturbine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die genannten Verbindungsöffnungen (18) in dem mindestens einen Hohlraum (9) dort ansetzen, wo der Hohl­ raum (9) seinen größten radialen Abstand (R1) von der Rotor­ achse (10) aufweist.
7. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und bei welcher die einzelnen Rotorscheiben (7, 8) in ihren Randzonen jeweils über eine ringförmig verlaufende Schweißnaht (12) miteinander verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht (12) jeweils gegenüber den genannten Ver­ bindungsöffnungen (18) axial versetzt angeordnet ist.
8. Gasturbine nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Abstand (R1) von der Rotorachse (10), von dem die Verbindungsöffnungen (10) ausgehen, größer ist als der radiale Abstand (R3), an dem die Wurzel der Schweißnaht (12) angeordnet ist.
9. Gasturbine nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der mindestens eine Hohlraum (9) zwischen den Rotorscheiben (7, 8) zumindest jenseits eines gewissen radialen Abstandes (R2) von der Rotorachse (10) kontinuierlich zu den Verbindungsöffnungen (18) hin verjüngt.
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