EP0799971A2 - Wärmedämmung für einen Turbinenrotor - Google Patents

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EP0799971A2
EP0799971A2 EP97810142A EP97810142A EP0799971A2 EP 0799971 A2 EP0799971 A2 EP 0799971A2 EP 97810142 A EP97810142 A EP 97810142A EP 97810142 A EP97810142 A EP 97810142A EP 0799971 A2 EP0799971 A2 EP 0799971A2
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EP
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rotor
compressor
blades
cavity
turbine
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Fritz Schaub
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General Electric Switzerland GmbH
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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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

Definitions

  • the invention relates to the field of power plant technology. It relates to a device for the thermal insulation of compressor rotors of thermal turbomachinery, which can be used in particular for the high-pressure compressor sections.
  • thermal turbomachinery for example gas turbines
  • gas turbines are striving for ever higher efficiencies, which among other things also leads to higher pressure and temperature conditions in the compressor.
  • pressures of 30 bar are realized nowadays. Without countermeasures, these can only be achieved with expensive, temperature-resistant material.
  • the invention tries to avoid all of these disadvantages. It is the object of the invention to provide a device for thermal insulation of the compressor rotor of a thermal machine which is simple to carry out and with which sufficient protection of the rotor against excessive heat is made possible without the use of heat accumulation segments.
  • this is the case with a compressor rotor of thermal turbomachines equipped with at least two rows of rotating blades, which rotates about an axis in a flow channel through which a hot medium flows, wherein at least one circumferential cavity is provided in the rotor near the surface, which is connected to the flow channel via a separation gap and which one between each Is arranged rows of blades, achieved in that the at least one cavity has a circular cross-sectional area and that the axial extent of said cavity is approximately as large as the axial distance between two adjacent cavities.
  • the advantage of the invention is that thermal insulation can be achieved with very simple means. No additional expensive heat accumulation segments have to be used. The time for assembling these elements can be saved. In addition, there is more space in the flow channel compared to the previously known prior art, so that the machine can work more effectively.
  • the arrangement of the separation gap which creates a connection between the heat-insulating cavity located near the surface of the rotor and the surface of the rotor and thus the flow channel, enables the rotor surface to be expanded without any problems. The notch effect is minimized by the circular cross-sectional area of the cavities.
  • FIGS. 1 to 2 The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment and FIGS. 1 to 2.
  • Fig. 1 shows schematically in a partial longitudinal section a gas turbine system. It essentially consists of a compressor 2 arranged on a common shaft 1 and a turbine 3, a combustion chamber 4 being provided between the compressor 2 and the turbine 3.
  • the combustion chamber 4 is an annular combustion chamber.
  • the compressor 2 only the last rows of the rotor blades 6 arranged in the rotor 5 and the guide blades 8 suspended in the blade carrier 7 are shown, while only the first rows of the turbine rotor blades 9 arranged in the rotor 5 and the turbine guide blades 11 suspended in the turbine blade carrier 10 are shown of the turbine 3 are.
  • the inlet parts of the compressor 3, the exhaust housing and the chimney of the turbine are not shown in Fig. 1.
  • Ambient air is compressed in the compressor 3, which is already strongly heated in the high-pressure compressor part and is therefore thermally stressed on the surfaces of the rotor 5 that are not covered by the rotor blades 6 of the compressor 2 in such a way that strength problems would occur without the solution according to the invention.
  • the compressed air reaches the combustion chamber 4 from the compressor 2. It is mixed with fuel and burned in the combustion chamber 4.
  • the hot gases then flow into the turbine 3 via the turbine inlet and are expanded there. This means that the surfaces of the rotor 5 that are not covered by the rotor blades 9 of the turbine 3 are subjected to extremely high thermal stress.
  • the rotor 5 of the turbine 3 is protected against excessive thermal stress.
  • Adequate thermal insulation of the rotor 5 of the compressor part, in particular of the high-pressure compressor parts, is to be achieved with the present invention.
  • the temperature stress on the rotor 5 is not as extremely high as in the turbine area.
  • FIG. 2 shows an embodiment variant of the invention.
  • a partial longitudinal section of the rotor 5 of the compressor 2 is shown, which rotates about the axis 12 during operation.
  • the rotor blades 6 arranged in the rotor 5 are not shown.
  • a plurality of circumferential cavities 13 are arranged in the rotor 5 near the rotor surface, between which a row of rotor blades, not shown here, is arranged.
  • the cavities 13 each have a circular cross-sectional area and are each connected to the flow channel 15 via a separation gap 14.
  • the separation gap 14 allows the surface to expand when the compressor 2 is acted upon by the hot compressed air and thus guarantees that the compressor 2 runs properly.
  • the axial extent d of the cavity 13 Since only convection occurs in the cavity, on the one hand the axial extent d of the cavity 13 must be relatively large compared to the axial distance s between two adjacent cavities 13, because otherwise insufficient thermal insulation is not guaranteed. On the other hand, the axial extent d of the cavity 13 must not be chosen too large, because otherwise strength problems would arise in the rotor and, moreover, there would not be enough space to dig the rotor blades. The axial extent d of each circumferential cavity 13 is therefore advantageously approximately as large as the distance s between two adjacent cavities 13.
  • This web between the cavities 13 has a reduced cross section for braking the heat flow compared to the surface.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmedämmung von einem mit mindestens zwei Reihen Laufschaufeln (6, 9) bestückten Verdichterrotor (5) einer thermischen Turbomaschine, insbesondere eines Hochdruckverdichters, welcher um eine Achse (12) in einem von einem heissen Medium durchströmten Strömungskanal (14) rotiert, wobei im Rotor (5) in Oberflächennähe mindestens ein umlaufender Hohlraum (13) vorgesehen ist, welcher über einen Trennungsspalt (15) mit dem Strömungskanal (14) verbunden ist und welcher jeweils zwischen den Laufschaufelreihen (6, 9) angeordnet ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Hohlraum (13) eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweist, und dass die axiale Ausdehnung (d) besagten Hohlraumes (13) etwa so gross ist wie der axiale Abstand (s) zwischen zwei benachbarten Hohlräumen (13). Bei Anwendung der Erfindung kann auf montierte Wärmestausegmente zum Schutz des Rotors vor zu hohen Temperaturen verzichtete werden. <IMAGE>

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kraftwerkstechnik. Sie betrifft eine Vorrichtung zur Wärmedämmung von Verdichterrotoren thermischer Turbomaschinen, welche insbesondere für die Hochdruckverdichterpartien anwendbar ist.
    • Stand der Technik
  • Es ist bekannt, die von den Schaufeln nicht bedeckten Flächen des Rotors von Gasturbinen mittels sogenannter Wärmestausegmente vor zu grosser Wärmeeinwirkung durch die heissen Brenngase zu schützen. Die Wärmestausegmente werden mit ihren Füssen in Umfangsnuten zwischen den Laufschaufeln eingeschoben und arretiert. Ihre nach aussen gerichteten Flächen werden im Inneren der Segmente meist gekühlt, so dass der Rotor während des Betriebes keiner zu grossen Hitze ausgesetzt ist. Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass einerseits bei der Montage der Maschine das Einschieben und Arretieren bzw. bei der Demontage der Maschine das Lösen und Herausschieben der Wärmestausegmente recht langwierige Prozesse darstellen und andererseits die Wärmestausegmente viel Platz benötigen.
  • Am Verdichterrotor waren bisher keine Wärmestausegmente notwendig, weil die Druckverhältnisse dort relativ moderat waren (z.B. 15 bar) und dadurch die Temperaturen im Verdichter nicht extrem hoch waren. Dadurch traten keine Festigkeitsprobleme mit dem Rotormaterial auf.
  • Durch die heutigen hohen wirtschaftlichen und ökologischen Anforderungen strebt man aber in modernen thermischen Turbomaschinen, beispielsweise Gasturbinen, zu immer höheren Wirkungsgraden, was unter anderem auch zu höheren Druck- und Temperaturverhältnissen im Verdichter führt. Beispielsweise werden heutzutage Drücke in Höhe von 30 bar realisiert. Diese sind ohne Gegenmassnahmen nur mit teurem temperaturbeständigen Material zu realisieren.
  • Aus DE-AS 1 068 274 ist ein Turbomaschinen-Trommelläufer bekannt, bei dem zwischen den Laufschaufelreihen offene, radiale Ringnuten geringer axialer Breite und unterschiedlicher Tiefe in die Trommel eingestochen sind. Damit soll die Durchbiegung der Welle günstig beeinflusst, d.h. eine Krümmung der Welle vermieden werden.
    • Darstellung der Erfindung
  • Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Wärmedämmung des Verdichterrotors einer thermischen Maschine zu schaffen, welche einfach auszuführen ist und mit welcher ein ausreichender Schutz des Rotors vor zu grosser Wärmeeinwirkung ohne Einsatz von Wärmestausegmenten ermöglicht wird.
  • Erfindungsgemäss wird dies bei einem mit mindestens zwei Reihen Laufschaufeln bestückten Verdichterrotor thermischer Turbomaschinen, welcher um eine Achse in einem von einem heissen Medium durchströmten Strömungskanal rotiert, wobei im Rotor in Oberflächennähe mindestens ein umlaufender Hohlraum vorgesehen ist, welcher über einen Trennungsspalt mit dem Strömungskanal verbunden ist und welcher jeweils zwischen den Laufschaufelreihen angeordnet ist, dadurch erreicht, dass der mindestens eine Hohlraum eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweist, und dass die axiale Ausdehnung besagten Hohlraumes etwa so gross ist wie der axiale Abstand zwischen zwei benachbarten Hohlräumen.
  • Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit sehr einfachen Mitteln eine Wärmedämmung erreicht werden kann. Es müssen keine zusätzlichen teuren Wärmestausegmente eingesetzt werden. Es kann die Zeit für die Montage dieser Elemente gespart werden. Ausserdem ist im Strömungskanal gegenüber dem bisher bekannten Stand der Technik mehr Platz vorhanden, so dass die Maschine effektiver arbeiten kann. Durch die Anordnung des Trennungsspaltes, der eine Verbindung des wärmedämmenden, in Oberflächennähe des Rotors angeordneten Hohlraumes mit der Oberfläche des Rotors und damit dem Strömungskanal herstellt, ist eine Dehnung der Rotoroberfläche problemlos möglich. Durch die kreisförmige Querschnittsfläche der Hohlräume wird ihre Kerbwirkung minimiert.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 einen Teillängsschnitt einer Gasturbinenanlage;
    • Fig. 2 einen Teillängsschnitt des Verdichterrotors in einer Ausführungsvariante der Erfindung.
  • Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
    • Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und der Fig. 1 bis 2 näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt schematisch in einem Teillängsschnitt eine Gasturbinenanlage. Sie besteht im wesentlichen aus einem auf einer gemeinsamen Welle 1 angeordneten Verdichter 2 und einer Turbine 3, wobei zwischen dem Verdichter 2 und der Turbine 3 eine Brennkammer 4 vorgesehen ist. Die Brennkammer 4 ist hier eine Ringbrennkammer. Vom Verdichter 2 sind nur die letzten Reihen der im Rotor 5 angeordneten Laufschaufeln 6 und der im Schaufelträger 7 eingehängten Leitschaufeln 8 dargestellt, während von der Turbine 3 nur die ersten Reihen der im Rotor 5 angeordneten Turbinenlaufschaufeln 9 und der im Turbinenschaufelträger 10 eingehängten Turbinenleitschaufeln 11 dargestellt sind. Die Eintrittspartien des Verdichters 3, das Abgasgehäuse und der Kamin der Turbine werden in Fig. 1 nicht gezeigt.
  • Im Verdichter 3 wird Umgebungsluft komprimiert, die im Hochdruckverdichterteil bereits stark erwärmt ist und deshalb die nicht von den Laufschaufeln 6 des Verdichters 2 bedeckten Flächen des Rotors 5 thermisch so beansprucht, dass ohne die erfindungsgemässe Lösung Festigkeitsprobleme auftreten würden. Aus dem Verdichter 2 gelangt die komprimierte Luft in die Brennkammer 4. Sie wird mit Brennstoff gemischt und in der Brennkammer 4 verbrannt. Die Heissgase strömen anschliessend über den Turbineneintritt in die Turbine 3 und werden dort entspannt. Das bedeutet, dass die nicht von den Laufschaufeln 9 der Turbine 3 bedeckten Flächen des Rotors 5 extrem stark thermisch beansprucht werden. Mit dem Einbau von hier nicht dargestellten Wärmestausegmenten nach dem bekannten Stand der Technik wird der Rotor 5 der Turbine 3 vor zu grosser thermischer Beanspruchung geschützt.
  • Mit der vorliegenden Erfindung soll eine ausreichende Wärmedämmung des Rotors 5 des Verdichterteiles, insbesondere der Hochdruckverdichterpartien, erzielt werden. In diesen Bereiches ist die Temperaturbeanspruchung des Rotors 5 nicht so extrem hoch wie im Turbinenbereich.
  • In Fig. 2 ist eine Ausführungsvariante der Erfindung dargestellt. Es wird ein Teillängsschnitt des Rotors 5 des Verdichters 2 gezeigt, der während des Betriebes um die Achse 12 rotiert. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die im Rotor 5 angeordneten Laufschaufeln 6 nicht dargestellt.
  • Nahe der Rotoroberfläche sind im Rotor 5 mehrere umlaufende Hohlräume 13 angeordnet, zwischen denen jeweils eine hier nicht dargestellte Laufschaufelreihe angeordnet ist. Die Hohlräume 13 weisen jeweils eine kreisförmige Querschnittsfläche auf und sind jeweils über einen Trennungsspalt 14 mit dem Strömungskanal 15 verbunden. Der Trennungsspalt 14 erlaubt eine Dehnung der Oberfläche bei Beaufschlagung des Verdichters 2 mit der heissen komprimierten Luft und garantiert somit einen einwandfreien Lauf des Verdichters 2.
  • Da im Hohlraum nur Konvektion auftritt, muss einerseits die axiale Ausdehnung d des Hohlraumes 13 im Vergleich zum axialen Abstand s zwischen zwei benachbarten Hohlräumen 13 relativ gross sein, weil sonst keine ausreichende Wärmedämmung gewährleistet ist. Andererseits darf die axiale Ausdehnung d des Hohlraumes 13 nicht zu gross gewählt werden, weil sonst Festigkeitsprobleme im Rotor auftreten würden und ausserdem nicht genügend Platz zum Einschaufeln der Laufschaufeln vorhanden vorhanden wäre. Die axiale Ausdehnung d eines jeden umlaufenden Hohlraumes 13 ist deshalb in vorteilhafter Weise etwa so gross wie der Abstand s zwischen zwei benachbarten Hohlräumen 13.
  • Dieser Steg zwischen den Hohlräumen 13 hat gegenüber der Oberfläche einen reduzierten Querschnitt zum Bremsen des Wärmeflusses.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Welle
    2
    Verdichter
    3
    Turbine
    4
    Brennkammer
    5
    Rotor
    6
    Lauf schaufeln von Pos. 2
    7
    Verdichterschaufelträger
    8
    Leitschaufeln von Pos. 2
    9
    Laufschaufeln von Pos. 3
    10
    Turbinenschaufelträger
    11
    Leitschaufeln von Pos. 3
    12
    Rotorachse
    13
    umlaufender Hohlraum
    14
    Trennungsspalt
    15
    Strömungskanal
    d
    axiale Ausdehnung von Pos. 13
    s
    axialer Abstand zwischen benachbarten Pos. 13

Claims (1)

  1. Vorrichtung zur Wärmedämmung von einem mit mindestens zwei Reihen Laufschaufeln (6, 9) bestückten Verdichterrotor (5) einer thermischen Turbomaschine, insbesondere eines Hochdruckverdichters, welcher um eine Achse (12) in einem von einem heissen Medium durchströmten Strömungskanal (14) rotiert, wobei im Rotor (5) in Oberflächennähe mindestens ein umlaufender Hohlraum (13) vorgesehen ist, welcher über einen Trennungsspalt (15) mit dem Strömungskanal (14) verbunden ist und welcher jeweils zwischen den Laufschaufelreihen (6, 9) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Hohlraum (13) eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweist, und dass die axiale Ausdehnung (d) besagten Hohlraumes (13) etwa so gross ist wie der axiale Abstand (s) zwischen zwei benachbarten Hohlräumen (13).
EP97810142A 1996-04-04 1997-03-13 Wärmedämmung für einen Turbinenrotor Expired - Lifetime EP0799971B1 (de)

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DE19613472A DE19613472A1 (de) 1996-04-04 1996-04-04 Vorrichtung zur Wärmedämmung
DE19613472 1996-04-04

Publications (3)

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EP0799971A2 true EP0799971A2 (de) 1997-10-08
EP0799971A3 EP0799971A3 (de) 1999-07-07
EP0799971B1 EP0799971B1 (de) 2002-11-13

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