EP0500972A1

EP0500972A1 - Turbine engine rotor

Info

Publication number: EP0500972A1
Application number: EP91102744A
Authority: EP
Inventors: Joachim Dr. Krautzig; Jakob Dr. Keller
Original assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1991-02-25
Filing date: 1991-02-25
Publication date: 1992-09-02

Abstract

Due to the manufacturing process, there are frequently rotationally symmetrical cavities (4) in shafts of turbo engines, and these have a thermally insulating effect. To improve heat transfer in the shaft (1, 2), the cavities are filled with a gas which is a good heat conductor and/or, the front walls of the cavity, have axially/radially extending ribs (11). It is possible in this way to reduce or even eliminate the insulating effect of the cavity. <IMAGE>

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die Erfindung bezieht sich auf eine Welle einer Turbomaschine, die einen oder mehrere rotationssymmetrische Hohlräume aufweisst.The invention relates to a shaft of a turbomachine which has one or more rotationally symmetrical cavities.

Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich beispielsweise aus der DE-PS 26 33 829 ergibt.The invention relates to a prior art, as it results for example from DE-PS 26 33 829.

TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIKTECHNOLOGICAL BACKGROUND AND PRIOR ART

Im Inneren der Wellen von grossen Turbomaschinen befinden sich in der Regel aus Herstellungsgründen, z.B. bei geschweissten Rotoren und/oder aus Kosten- und Gewichtsgründen grosse rotationssysmmetrische Hohlräume. Bei geschweissten Wellen sind diese Hohlräume mit dem beim Schweissen verwendeten Schutzgas, typischerweise Argon, gefüllt. Dabei dürfte der Druck tiefer liegen als der Atmosphärendruck, weil die Schweissung bei hoher Temperatur und etwa Atmosphärendruck erfolgt.Inside the shafts of large turbo machines there are usually for manufacturing reasons, e.g. with welded rotors and / or large rotationally symmetrical cavities for reasons of cost and weight. In the case of welded shafts, these cavities are filled with the protective gas used for welding, typically argon. The pressure is likely to be lower than the atmospheric pressure because the welding takes place at high temperature and approximately atmospheric pressure.

Solche Hohlräume wirken bei transienten Aufheizvorgängen und in gewissen Fällen auch im stationären Fall thermisch isolierend. Dadurch können starke Differenzdehnungen entstehen, die zu frühzeitiger Materialermüdung führen.Such cavities have a thermally insulating effect during transient heating processes and in certain cases also in stationary cases. This can result in strong differential strains that lead to premature material fatigue.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Massnahmen anzugeben, welche die isolierende Wirkung der besagten Hohlräume vermindern oder gar aufheben.Starting from the prior art, the object of the invention is to provide measures which reduce or even cancel the insulating effect of the said cavities.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der oder die Hohlräume mit einem Gas gefüllt sind, dessen Wärmeleitfähigkeit grösser ist als die von Luft oder die des Schutzgases, und/oder dass in dem bzw. den Hohlräumen Einbauten zur Vergrösserung des Wärmeübergangs vorgesehen sind.According to the invention, this object is achieved in that the cavity or cavities are filled with a gas whose thermal conductivity is greater than that of air or that of the protective gas, and / or that internals are provided in the cavity or cavities for increasing the heat transfer.

Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen an den Endwänden der Hohlräume in den Wellen stellen sich induzierte Grenzschichtströmungen ein, die dem heissen Ende Wärme entziehen und dem kalten Ende zuführen. Wählt man nun Gase, die für diese Art der konvektierenden Wärmeübertragung besser geeignet sind, z.B. Gase mit grösseren Molekülen wie Schwefelhexafluorid oder gewissen Freone, dann kann die Wärmeübertragung massiv verstärkt werden. Denkbar wären auch Dämpfe, die auf der kalten Seite kondensieren. Zusätzlich kann der Hohlraum unter Druck gesetzt werden, um einen erhöhten Wärmeübergang zu erreichen.Due to the different temperatures at the end walls of the cavities in the waves, induced boundary layer currents arise which extract heat from the hot end and supply it to the cold end. Now choose gases that are more suitable for this type of convective heat transfer, e.g. Gases with larger molecules such as sulfur hexafluoride or certain freons, then the heat transfer can be massively increased. Vapors that condense on the cold side would also be conceivable. In addition, the cavity can be pressurized to achieve increased heat transfer.

Alternativ oder zusätzlich zur genannten Gas- bzw. Dampffüllung können an den wärmeübertragenden Wänden auch Einbauten, z.B. radial-axial verlaufende Rippen vorgesehen werden. Eine solche Massnahme verbessert einerseits wegen der vergrösserten Fläche den konvektiven Wärmeübergang, andererseits wird die induzierte Grenzschichtströmung deshalb - verstärkt, weil die Rippen die Ablenkung der Coriolis-Beschleunigung unterdrücken. Mit diesen Massnahmen kann die isolierende Wirkung eines Hohlraumes in der Welle einer Turbomaschine stark abgeschwächt oder gar aufgehoben werden.As an alternative or in addition to the aforementioned gas or steam filling, internals, for example radially-axially extending ribs, can also be provided on the heat-transmitting walls. Such a measure improves convective heat transfer on the one hand because of the larger surface area, and on the other hand the induced boundary layer flow is strengthened because the ribs suppress the deflection of the Coriolis acceleration. With these measures, the insulating effect of a cavity in the shaft of a turbomachine can be greatly weakened or even canceled.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.The invention is explained below with reference to exemplary embodiments illustrated in the drawing.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

In der Zeichnung zeigt

Fig.1: in schematisierter Form einen Schnitt durch eine geschweisste Welle einer Turbomaschine;
Fig.2: eine schematische Darstellung der Grenzschichtströmung im Hohlraum der Welle nach Fig.1;
Fig.3: ein Längschnitt durch einen mit rippenförmigen Einbauten versehenen Hohlraum in der Welle nach Fig.1;
Fig.4: einen Querschnitt durch die Welle nach Fig.3 längs deren Linie AA.

In the drawing shows

Fig. 1: in schematic form a section through a welded shaft of a turbomachine;
Fig. 2: a schematic representation of the boundary layer flow in the cavity of the shaft according to Figure 1;
Fig. 3: a longitudinal section through a cavity provided with rib-shaped internals in the shaft of Figure 1;
Fig. 4: a cross section through the shaft of Figure 3 along the line AA.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Die Welle einer Turbomaschine gemäss in Fig.1 besteht aus im Beispielsfall zwei Wellenteilen 1, 2 die mittels Schweissen miteinander verbunden sind. Die Schweissnaht ist mit 3 bezeichnet. Sie erstreckt sich aus konstruktiven Gründen nur über einen Bruchteil der Stirnfläche. Die Wellenenden der Wellenteile 1 und 2 weisen rotationssymmetrische Ausnehmungen auf, welche (nach dem Schweissen) einen rotationssymmetrischen Hohlraum 4 bilden. Der linke Wellenteil 1 trägt die Turbinen-Rotorbeschaufelung 5, der rechte Wellenteil 2 trägt die Verdichterbeschaufelung 6. Die turbinenseitige Stirnwand 7 (heisse Seite) des Hohlraums 4 nimmt bei transienten Aufheizvorgängen und in gewissen Fällen auch im Betriebszustand eine höhere Temperatur an als die verdichterseitige Stirnwand 8 (kalte Seite) des Hohlraums 4. Abschätzungen zeigen, dass bei einer Gasturbine mit geschweisster Welle die strahlungsbedingte Wärmeübeertragung in einem Hohlraum etwa 5% der metallischen Wärmeleitung erreicht. Bei einem mit Gas gefüllten Hohlraum 4 stellen sich aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen an den Endwänden des Hohlraums in den Wellen induzierte Grenzschichtströmungen 10a ein, die dem heissen Ende 7 Wärme entziehen und dem kalten Ende 8 zuführen, wobei sich im torusförmigen Bereich 10b rund um die Wellenachse 9 Festkörperwirbel mitllerer Temperatur ausbilden. Diese Grenzschichtströmungen tragen zur Verbesserung des Wärmeüberganges bei und erreichen im Falle eines mit Argon gefüllten Hohlraums der konvektivie Wärmeübergang etwa 10% der metallischen Wärmeleitung. Durch die erfindungsgemässe Füllung des Hohlraums 4 mit einem Gas mit grossen Molekülen, vorzugsweise Schwefelhexafluorid, lässt sich nun dieser Effekt bedeutend verstärken. Auch kann der Hohlraum 4 unter Druck gesetzt werden, um eine weitere Erhöhung der Wärmeübergangs zu erreichen. Anstelle der genannten Gase können auch Dämpfe, verwendet werden, die auf der kalten Seite 8 des Hohlraums 4 kondensieren.The shaft of a turbomachine according to FIG. 1 consists in the example of two shaft parts 1, 2 which are connected to one another by means of welding. The weld seam is labeled 3. For constructional reasons, it only extends over a fraction of the end face. The shaft ends of the shaft parts 1 and 2 have rotationally symmetrical recesses which (after welding) form a rotationally symmetrical cavity 4. The left shaft part 1 carries the turbine rotor blades 5, the right shaft part 2 carries the compressor blades 6. The turbine-side end wall 7 (hot side) of the cavity 4 is transient Heating processes and in certain cases also in the operating state a higher temperature than the compressor-side end wall 8 (cold side) of the cavity 4. Estimates show that in a gas turbine with a welded shaft, the radiation-related heat transfer in a cavity reaches about 5% of the metallic heat conduction. In the case of a cavity 4 filled with gas, due to the different temperatures on the end walls of the cavity, boundary layer flows 10a are induced in the waves, which draw heat from the hot end 7 and supply the cold end 8, the toroidal region 10b surrounding the shaft axis 9 Form solid-state vortices with medium temperature. These boundary layer flows contribute to the improvement of the heat transfer and, in the case of a cavity filled with argon, the convective heat transfer achieves about 10% of the metallic heat conduction. By filling the cavity 4 according to the invention with a gas with large molecules, preferably sulfur hexafluoride, this effect can now be significantly enhanced. The cavity 4 can also be pressurized in order to achieve a further increase in the heat transfer. Instead of the gases mentioned, vapors can also be used, which condense on the cold side 8 of the cavity 4.

Eine weitere Erhöhung des Wärmeüberganges lässt sich erreichen, wenn an den Stirnwänden des Hohlraums 4 Einbauten in Gestalt von radial verlaufenden und axial in den Hohlraum 4 hineinragenden Rippen 11 vorgesehen sind. Diese vergrössern einerseits die wärmeübertragende Fläche für den konvektiven Wärmeübergang, andererseits verstärken sie die Grenzschichtströmung im Hohlraum, weil die Rippen 11 die Ablenkungswirkung der Coriolis-Beschleunigung unterdrücken. Diese Massnahme kann allein oder in Kombination mit einer speziellen Gas- oder Dampffüllung ergriffen werden.A further increase in the heat transfer can be achieved if 4 internals in the form of radially extending ribs 11 projecting axially into the cavity 4 are provided on the end walls of the cavity. On the one hand, these increase the heat-transferring surface for the convective heat transfer, on the other hand they strengthen the boundary layer flow in the cavity because the ribs 11 suppress the deflection effect of the Coriolis acceleration. This measure can be taken alone or in combination with a special gas or steam filling.

Die kombinierte Anwendung einer speziellen Gasfüllung und axial-radialer Rippen im Hohlraum führt zu Wärmeübergängen im Hohlraum, die bis nahe an die metallische Wärmeleitung heranreichen, so dass die isolierende Wirkung des oder der Hohlräume in der Welle einer Turbomaschine abgeschwächt oder gar aufgehoben wird. Während das Anbringen von Einbauten bereits im Zuge der Herstellung der Welle vorgenommen werden muss, lassen sich (verschliessbare) Einfüllöffnungen für Gase oder Dämpfe auch nachträglich in die Welle einbringen.The combined use of a special gas filling and axial-radial fins in the cavity leads to heat transfers in the cavity that come close to the metallic heat conduction, so that the insulating effect of the cavity or cavities in the shaft of a turbomachine is weakened or even canceled. While the installation of internals must already be carried out in the course of the manufacture of the shaft, (closable) filling openings for gases or vapors can also be subsequently introduced into the shaft.

Claims

Shaft of a turbomachine which has one or more rotationally symmetrical cavities (4), characterized in that the cavity or cavities (4) are filled with a gas whose thermal conductivity is greater than that of air or that of a protective gas, and / or that in the end walls of the cavity (s) (4) internals (11) are provided to increase the heat transfer.

Shaft according to claim 1, characterized in that the cavity or cavities (4) is or are filled with sulfur hexafluoride, an evaporable liquid or freon.

Shaft according to claim 1 or 2, characterized in that radially extending ribs (11) projecting axially into the cavity (4) are provided on the string walls of the cavity (4).