DE4338745B4

DE4338745B4 - Vorrichtung zur Wärmeabschirmung des Rotors in Gasturbinen

Info

Publication number: DE4338745B4
Application number: DE19934338745
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Krautzig
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1993-11-12
Filing date: 1993-11-12
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2013-11-13
Also published as: DE4338745A1

Abstract

Vorrichtung zur Wärmeabschirmung des Rotors (1) in Gasturbinen in Bereichen mit geometrisch glatter Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass über dem Rotor (1) eine in Umfangsrichtung durchgehende Verkleidung (2) angeordnet ist, welche in Zentriereinrichtungen (9) gegenüber dem Rotor (1) elastisch und wärmebeweglich zentriert ist, wobei die Verbindung zum Rotor (1) durch mindestens zwei ebenfalls in Umfangsrichtung geschlossene Verbindungsglieder (3) erfolgt und das eine Ende des Verbindungsgliedes (3) mit dem Rotor (1) und das andere Ende des Verbindungsgliedes (3) mit der Verkleidung (2) verbunden ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmeabschirmung des Rotors in Gasturbinen, welche besonders für Bereiche mit geometrisch glatter Oberfläche, beispielsweise für den Gasturbinentrommelbereich, geeignet ist.
Stand der Technik
Der Trend zur Erhöhung der Effektivität und des Wirkungsgrades von Gasturbinen führt u.a. zu immer höheren Verdichter-Druckverhältnissen. Schon bei den jetzt üblichen Verdichter-Druckverhältnissen und den daraus resultierenden Temperaturen und Wärmeübergangszahlen werden das Verdichterende und die Trommel bei Start und Stop der Anlage transient sehr stark beansprucht.
Bekannt ist die Wärmeabschirmung im Bereich der Turbine in Form von Wärmestausegmenten, welche zusätzlich durch Kühlluft unterspült sein können. Die radiale Anbindung der Abschirmung an den Rotor wie bei den Wärmestausegmenten belastet diesen aber nicht nur mit deren Fliehkraft, sondern diese Lösung ist auch sehr aufwendig. Aufgrund der Dehnungsdifferenzen ist nämlich eine feine Segmentierung notwendig, so dass viele Teile hergestellt werden müssen und eine zusätzliche Bearbeitung erforderlich ist.

Ähnliche Nachteile weist ein bekannter HD-Turbinenläufer auf, welcher durch Schaufeln, Zwischenstücke und Abdeckringe vollständig gegenüber dem heissen Gasstrom abgedeckt ist (Weissleder, H.; Schult, E.; Schilg, G.; Vetter, O.: Entwicklung einer 25-MW-Spitzenlast-Gasturbinenanlage für die Energiewirtschaft der Deutschen Demokratischen Republik; In: Maschinenbautechnik; 12. Jahr gang; 1963; Heft 3, S.113-123). Hinzu kommt, dass die Abdeckringe aus sehr massivem Material sind und daher schon bei geringfügiger Exzentrizität hohe Unwuchtkräfte erzeugen. Die aus DE 11 63 611 B bekannte Lösung, in die Hohlwelle einer Turbomaschine einen Wärmeverteil- und Kühlkörper einzusetzen und damit einen Wärmeschutz für das Lager der Turbomaschine zu erzielen, reicht bei hohen Verdichter-Druckverhältnissen und den daraus resultierenden hohen Temperaturen nicht für eine ausreichende Wärmeabschirmung des Rotors aus.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Gasturbine eine einfache Vorrichtung zur Wärmeabschirmung des Rotors zu entwickeln, welche insbesondere für Bereiche mit geometrisch glatter Oberfläche geeignet ist und weitere Druck- und Temperatursteigerungen ohne Einbusse der Wartungs- und Inspektionsfreiheit des Rotors ermöglicht.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass über dem Rotor eine in Umfangsrichtung durchgehende Verkleidung angeordnet ist, welche in Zentriereinrichtungen gegenüber dem Rotor elastisch und wärmebeweglich zentriert ist, wobei die Verbindung zum Rotor durch mindestens zwei ebenfalls in Umfangsrichtung geschlossene Verbindungsglieder erfolgt und das eine Ende des Verbindungsgliedes mit dem Rotor und das andere Ende des Verbindungsgliedes mit der Verkleidung verbunden ist.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass der Rotor vor der direkten Berührung mit dem Medium hoher Strömungsgeschwindigkeit und vor hohen Temperaturen abgeschirmt wird und damit gegebenfalls eine eigentliche Wärmeisolation erzielt werden kann, so dass eine Erhöhung von Druck und Temperatur des Gases ohne Schädigung des Rotors ermöglicht wird.

Es ist besonders zweckmässig, wenn die Verbindungsglieder zylindrische bis leicht konische Ringe sind und diese in Abhängigkeit von den Biege- und Umstülpspannungen so kurz wie möglich ausgebildet sind, weil sich dann ein linearer Temperaturverlauf in Längsrichtung zwischen den unterschiedlichen Temperaturen von Rotor und Verkleidung einstellt und dadurch nur geringe Thermospannungen auftreten.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn dass in der Verkleidung gezielt Leckagen angeordnet sind, weil dadurch ebenfalls die transiente Temperaturverteilung der Verbindungsglieder linearisiert werden kann.

Schliesslich werden mit Vorteil die Verbindungsglieder gelenkig an der Verkleidung angeordnet, da dadurch das Auftreten von Biege- und Umstülpspannungen vermieden wird.

Ausserdem ist es aus Montagegründen vorteilhaft, wenn die Verkleidung aus mindestens zwei Teilen bestehen, welche hochfest, beispielsweise durch Verschweissen, Verklammern oder mehrschnittige Schraub- bzw. Nietverbindungen miteinander verbunden sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer einwelligen axialdurchströmten Gasturbine dargestellt.
Es zeigen:
1 einen Teillängsschnitt der Gasturbine mit Verdichter, Trommel und Turbine;
2 einen Teillängsschnitt der erfindungsgemässen Vorrichtung mit einer festen Verbindung von Rotor und Verkleidung;
3 einen Teillängsschnitt der erfindungsgemässen Vorrichtung mit einer gelenkigen Verbindung von Rotor und Verkleidung;
4 einen Querschnitt der durch Verschweissen entstandenen Verbindungsstellen der Einzelteile der Verkleidung;
5 einen Querschnitt der durch Verklammern entstandenen Verbindungsstellen der Einzelteile der Verkleidung;
6 einen Querschnitt der durch mehrschnittige Schraub- bzw. Nietverbindungen entstandenen Verbindungsstellen der Einzelteile der Verkleidung.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der 1 bis 6 näher erläutert.
Bei der in 1 dargestellten Gasturbine ist zwischen Verdichter 5 und Turbine 6 im Bereich der Trommel 4 eine in Umfangsrichtung durchgehende Verkleidung 2 um den Rotor 1 angeordnet. Sie besteht aus Blech und ist mit dem Rotor 1 über ebenfalls in Umfangsrichtung geschlossenen Verbindungsglieder 3 in Form von zylindrischen Ringen verbunden. Wie aus 2 hervorgeht, ist die Verkleidung 2 gegenüber dem Rotor 1 in Zentriereinrichtungen 9 elastisch und wärmebeweglich relativ genau zentriert. Je nach Material und Randbedingungen kann die Verkleidung 2 während des Betriebes der Gasturbine ihre eigene Fliehkraft selbst tragen. Im Falle zu grosser Umfangsbelastung wird ein Teil der Fliehkraft über die elastische Verbindung in den Rotor 1 geleitet.
Unter der Voraussetzung eines nur geringen Wärmeaustausches mit der Umgebung stellt sich infolge der Verbindung des einen Endes der Verbindungsgliedes 3 mit dem Rotor 1 und des anderen Endes des Verbindungsgliedes 3 mit der Verkleidung 2 stationär ein linearer Temperaturverlauf in Längsrichtung zwischen den unterschiedlichen Temperaturen des Rotors T_R und T_V ein. Dieser Temperaturverlauf ist schematisch in 2 mit dargestellt. Aus diesem Grunde treten auch kaum Thermospannungen auf.
Damit keine zu grossen Abweichungen vom idealen linearen Temperaturverlauf auftreten, werden die Verbindungsglieder 3 so kurz wie mit Rücksicht auf Biege- und Umstülpspannungen nur möglich gestaltet.
Infolge der Abschirmung des Rotors 1 vor der direkten Berührung mit dem Medium hoher Strömungsgeschwindigkeit und damit vor zu hohen Temperaturen durch die erfindungsgemässe Anordnung der Verkleidung 2 ist genügend Potential für weitere Druck- und Temperatursteigerungen der Gasturbinenanlage vorhanden. Weitere Effektivitätssteigerungen sind möglich, wenn die Verkleidung 2 mit einer zusätzlichen Kühlung versehen wird.
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann eine transiente lineare Temperaturverteilung der Verbindungsglieder 3 auch durch gezielte Leckagen in der Verkleidung 2 erreicht werden.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Es ist hier eine gelenkige Verbindung des Verbindungsgliedes 3 mit der Verkleidung 2 abgebildet. Auf diese Weise können Biege- und Umstülpspannungen vermieden werden, allerdings wird die erwünschte gute Wärmeleitung zwischen den zu verbindenden Teilen beeinträchtigt.
Zur Montage, besonders im Trommelbereich, ist die Verkleidung 2 aus mindestens zwei Teilen 2a, 2b (Halbschalen) zusammengesetzt. Zur Sicherstellung der Selbsttragfähigkeit auch bei hohen Fliehkraftbelastungen sind deshalb die Teile der Verkleidung 2a, 2b miteinander verbunden. Verschiedene Ausführungsvarianten sind in den 4 bis 6 dargestellt. Die Teile der Verkleidung 2a, 2b können gemäss diesen Figuren unter schiedliche Formen aufweisen und durch Verschweissen (4), mittels Klammern 7 und Schrauben bzw. Nieten 8 (5) oder durch mehrschnittige Schraub- bzw. Nietverbindungen (6) verbunden sein.

1: Rotor
2: Verkleidung
2a,b: Teile der Verkleidung
3: Verbindungsglied
4: Trommel
5: Verdichter
6: Turbine
7: Klammer
8: Schraube, Niet
9: Zentriereinrichtung

Claims

Vorrichtung zur Wärmeabschirmung des Rotors (1) in Gasturbinen in Bereichen mit geometrisch glatter Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass über dem Rotor (1) eine in Umfangsrichtung durchgehende Verkleidung (2) angeordnet ist, welche in Zentriereinrichtungen (9) gegenüber dem Rotor (1) elastisch und wärmebeweglich zentriert ist, wobei die Verbindung zum Rotor (1) durch mindestens zwei ebenfalls in Umfangsrichtung geschlossene Verbindungsglieder (3) erfolgt und das eine Ende des Verbindungsgliedes (3) mit dem Rotor (1) und das andere Ende des Verbindungsgliedes (3) mit der Verkleidung (2) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsglieder (3) in Abhängigkeit von den Biege- und Umstülpspannungen so kurz wie möglich ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verkleidung (2) gezielt Leckagen angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsglieder (3) gelenkig an der Verkleidung (2) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsglieder (3) zylindrische bis leicht konische Ringe sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkleidung (2) aus mindestens zwei Teilen (2a, 2b) besteht, welche hochfest miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile der Verkleidung (2) verbindbar sind durch Verschweissen, Verklammern oder mehrschnittige Schraub- bzw. Nietverbindungen.