EP0636764B1 - Gasturbine mit gekühltem Rotor - Google Patents

Gasturbine mit gekühltem Rotor Download PDF

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EP0636764B1
EP0636764B1 EP94108585A EP94108585A EP0636764B1 EP 0636764 B1 EP0636764 B1 EP 0636764B1 EP 94108585 A EP94108585 A EP 94108585A EP 94108585 A EP94108585 A EP 94108585A EP 0636764 B1 EP0636764 B1 EP 0636764B1
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EP
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rotor
gas turbine
cooling air
turbine according
connecting openings
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Eduard Primoschitz
Pavel Dr. Rihak
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ABB AG Germany
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/081—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
    • F01D5/084—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades the fluid circulating at the periphery of a multistage rotor, e.g. of drum type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/06—Rotors for more than one axial stage, e.g. of drum or multiple disc type; Details thereof, e.g. shafts, shaft connections
    • F01D5/063—Welded rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/081—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
    • F01D5/082—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades on the side of the rotor disc
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/085—Heating, heat-insulating or cooling means cooling fluid circulating inside the rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/60—Fluid transfer
    • F05D2260/607—Preventing clogging or obstruction of flow paths by dirt, dust, or foreign particles

Definitions

  • the essence of the invention is therefore that there are axial channels in the rotor periphery between the rotor surface and platforms formed by the rotor blades or heat exchanger segment plates, that one or more of the cavities are connected to the axial channels in the rotor periphery via the connection openings and that the at least one cavity between the rotor disks continuously tapers at least beyond a certain radial distance from the rotor axis towards the connection openings.
  • cooling air can be taken from the central part of the compressor, where it is still at a lower pressure and a lower temperature than at the compressor outlet.
  • the resulting low-pressure cooling is more effective and also manages with a lower cooling air flow. The losses are also lower and the efficiency is thereby improved.
  • the gas turbine shown in FIG. 1 has a compressor 1, a turbine 2, an exhaust gas housing 3 and an exhaust gas diffuser 4. 5 the combustion chamber and 6 the rotor.
  • the rotor 6 is welded together from a plurality of disks in its axial direction, with cavities remaining between the individual disks.
  • two disks are shown and designated 7 and 8 respectively.
  • the structure of the cavities between the rotor disks can be seen in the enlarged detail in FIG. 2. That one
  • the cavity shown between the rotor disks 7 and 8 is designated 9. It is narrow in its central area around the rotor axis 10 and widens outwards into a kind of annular chamber 11.
  • the rotor 6 is provided along its axis 10 with a central channel 20 extending from the end face 19 of its downstream end. Through the central channel 20, the cavities 9 and the connection openings 18, the axial channel 17 in the rotor periphery is fed with cooling air.
  • the cooling air is branched off in the central part of the compressor from the process air which has already been partially compressed there and is conducted via a line 21 to the end face 19 of the rotor end located downstream.
  • the line 21 passes through hollow ribs 22 between the outer ring 23 and the inner ring 24 of the exhaust gas diffuser or housing 3, 4.
  • the connecting openings 18 start in the cavities 9 on the very outside, ie where they have their greatest diameter or radial distance R1.
  • the annular chambers 11 of the hollow spaces 9 taper beyond the radius R2 each also continuously. This ensures that dirt carried in the cooling air cannot collect in the cavities 9 but is thrown out through the connecting openings 18. In addition to thermal insulation effects due to deposited dirt, this also prevents the imbalance of the rotor caused by dirt accumulation.
  • the weld seam 12 is arranged somewhat offset axially with respect to the connection openings 18. Its root 25 therefore comes to lie at a radial distance R3 from the rotor axis 10 which is somewhat smaller than the radial distance R1 from which the connection openings 18 originate.
  • the formation of pockets on both sides of the weld seam 12 on the outer zone of the cavities 9 in order to relieve the weld seam root 25, as was previously the case, is dispensed with for the aforementioned reasons of dirt ejection.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Verbindung betrifft eine einwellige, stationäre Gasturbine nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.
    • STAND DER TECHNIK
  • Gasturbinen dieser Art sind bekannt aus der US-A-4 447 188. Dort wird Kühlluft durch einen Hohlraum zwischen zusammengeschweissten Rotorscheiben über eine Verbindungsöffnung radial ins Innere von Laufschaufeln einer Gasturbine gefördert. Im Hohlraum zwischen den Rotorscheiben kann sich jedoch in der Kühlluft mitgeführter Schmutz ansammeln der die Kühlung beeinträchtigt.
  • In der EP-A-0 313 826 wird eine stationäre Gasturbine zur Stromerzeugung beschrieben, die einen aus mehreren Scheiben zusammengeschweissten beschaufelten Rotor aufweist, wobei die Kühlluft über axial an der Rotorperipherie verlaufende Kühlkanäle gefördert wird.
    • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Durch die vorliegende Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist, wird die Aufgabe gelöst,bei einer Gasturbine der eingangs genannten Art eine verbesserte Kühlung des Rotors zu schaffen.
  • Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht.
  • Kern der Erfindung ist es also, dass dass in der Rotorpheripherie zwischen der Rotoroberfläche und durch die Rotorschaufeln bzw. Wärmestausegmentplatten gebildeten Plattformen Axialkanäle vorhanden sind, dass ein oder mehrere der Hohlräume mit den Axialkanälen in der Rotorperipherie über die Verbindungsöffnungen in Verbindung stehen und dass sich der mindestens eine Hohlraum zwischen den Rotorscheiben zumindest jenseits eines gewissen radialen Abstandes von der Rotorachse kontinuierlich zu den Verbindungöffnungen hin verjüngt.
  • Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass durch die sich kontinuierlich verjüngenden Hohlräume sichergestellt ist, dass in der Kühlluft mitgeführter Schmutz sich nicht in den Hohlräumen ansammeln kann, sondern durch die Verbindungsöffnungen nach aussen herausgeschleudert wird. Dadurch werden neben Wärmedämmeffekten durch sich ablagernden Schmutz auch die durch Schmutzansammlungen verursachten Unwuchten des Rotors vermieden.
  • Ein wichtiger Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Kühlluft am Mittelteil des Verdichters entnommen werden kann, wo sie noch einen tieferen Druck und eine tiefere Temperatur 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 gekennzeichent.
    • KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen 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 bezeichnet. Der Rotor 6 ist aus mehreren Scheiben in seiner Axialrichtung zusammengeschweisst, wobei zwischen den einzelnen Scheiben jeweils Hohlräume verbleiben. In Fig. 1 sind zwei Scheiben dargestellt und mit 7 bzw. 8 bezeichnet. Die Struktur 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 17HD und einen Niederdruckabschnitt 17ND unterteilt ist. Mit dem Axialkanal stehen die Hohlräume 9 zwischen den Rotorscheiben über eine Anzahl von jeweils über den Umfang verteilten Verbindungsöffnungen bzw. Bohrungen 18 in Verbindung.
  • Wie wieder besser in Fig. 1 zu erkennen, ist der Rotor 6 entlang 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 Verbindungöffnungen 18 wird der Axialkanal 17 in der Rotorpheripherie 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 Abstand und damit zu den Verbindungsöffnungen hin verjüngen sich die Ringkammern 11 der Hohlräme 9 jenseits des Radius R2 jeweils auch kontinuierlich. Dadurch ist sichergestellt, dass in der Kühlluft mitgeführter Schmutz sich nicht in den Hohlräumen 9 ansammeln kann, sondern durch die Verbindungsöffnungen 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 Verbindungsöffnungen 18 ausgehen. Auf die Ausbildung von Taschen beidseitig 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 Schmutzausschleuderns verzichtet.
  • Anders als in der nicht masstäblichen Darstellung von Fig. 2 ist es von Vorteil, die Schweissnaht 12 jeweils dicker zu machen als den geringsten gegenseitigen Abstand der Rotorscheiben.
    • BEZEICHNUNGSLISTE
    • 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 (7)

  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) vorhanden sind, wobei ein oder mehrere der Hohlräume (9) über Verbindungsöffnungen (18) mit der Rotorperipherie in Verbindung stehen und die genannten Verbindungsöffnungen (18) in dem mindestens einen Hohlraum (9) dort ansetzen, wo der Hohlraum (9) seinen grössten radialen Abstand (R1) von der Rotorachse (10) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in der Rotorpheripherie zwischen der Rotoroberfläche (15) und durch die Rotorschaufeln (13) bzw. Wärmestausegmentplatten gebildeten Plattformen (16) Axialkanäle (17) vorhanden sind, dass ein oder mehrere der Hohlräume (9) mit den Axialkanälen (17) in der Rotorperipherie über die Verbindungsöffnungen (18) in Verbindung stehen und 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 Verbindungöffnungen (18) hin verjüngt.
  2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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 Stirnseite (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 aufnehmenden Innenring (24), einen Aussenring (23) sowie Innen- und Aussenring miteinander verbindende Hohlrippen (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft in wenigstens einer Kühlluftleitung (21) durch wenigstens eine der Hohlrippen (22) zum stromabwärts liegenden Rotorende geführt wird.
  5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft am Mittelteil des Verdichters (1) abgezapft wird.
  6. 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 Verbindungsöffnungen (18) axial versetzt angeordnet ist.
  7. Gasturbine nach Anspruch 1 und 6, 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.
EP94108585A 1993-07-17 1994-06-04 Gasturbine mit gekühltem Rotor Expired - Lifetime EP0636764B1 (de)

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EP0636764A1 EP0636764A1 (de) 1995-02-01
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RU (1) RU94026895A (de)

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