EP0799971B1 - Wärmedämmung für einen Turbinenrotor - Google Patents
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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 thermal turbomachinery, which in particular is applicable for the high pressure compressor sections.
- a liquid-cooled rotor is known from DE 972 310 C. This is used for gas turbines that operate at high Temperatures are operated. This runner is single Rings assembled that support the blades. In order to seal the inside of the rotor outwards, they are Blade rings outside of their clamping by in the axial direction resilient ring body connected together. This bouncy Ring bodies can have a U-shape, for example, in which the legs of the cross section at the open end so are well approximated that the travel is approximately equal to that axial thermal expansion of the rotor. This ensures that no coolant or steam can escape can.
- a turbomachine drum rotor is known from DE-AS 1 068 274, with the radial one open between the rows of blades Ring grooves of small axial width and different Are inserted deep into the drum. This is supposed to deflect favorably influenced by the wave, i.e. a curvature of the Wave can be avoided.
- the invention tries to avoid all of these disadvantages. It is based on the task of a device for thermal insulation of the compressor rotor of a thermal machine create which is easy to carry out and which one adequate protection of the rotor against excessive heat is made possible without the use of heat accumulation segments.
- this is the case with one with several rows Blades equipped compressor rotor of thermal turbo machines, which is around an axis in one of one hot Medium through which the flow channel rotates, being in the rotor several circumferential cavities are provided near the surface are, which each have a separation gap with the flow channel are connected and which each between the Blade rows are arranged, achieved by each of the Cavities have a circular cross-sectional area and that the axial extent of said cavities is approximately as large as the axial distance between two neighboring ones Cavities.
- the advantage of the invention is that with very simple Average thermal insulation can be achieved. To have to no additional expensive heat accumulation segments used become. It can save the time for assembling these elements become.
- the flow channel is opposite previously known prior art more space available, so that the machine can work more effectively.
- the separation gap which connects the heat-insulating, cavity arranged near the surface of the rotor with the surface of the rotor and thus the flow channel produces, an expansion of the rotor surface is easy possible. Due to the circular cross-sectional area of the cavities their notch effect is minimized.
- Fig. 1 shows schematically in a partial longitudinal section a gas turbine system. It essentially consists of one a common shaft 1 arranged compressor 2 and one Turbine 3, wherein between the compressor 2 and the turbine 3 a combustion chamber 4 is provided.
- the combustion chamber 4 is here an annular combustion chamber. Only the last of compressor 2 Rows of the blades 6 arranged in the rotor 5 and in the Blade carrier 7 shown guide vanes 8 shown, while from turbine 3 only the first rows in the rotor 5 arranged turbine blades 9 and those in the turbine blade carrier 10 suspended turbine guide vanes 11 shown are.
- the inlet parts of the compressor 3, the Exhaust casing and the chimney of the turbine are not in Fig. 1 shown.
- Adequate thermal insulation is intended with the present invention of the rotor 5 of the compressor part, in particular the High pressure compressor sections can be achieved. In this area the temperature stress of the rotor 5 is not so extremely high as in the turbine area.
- FIG. 2 shows an embodiment variant of the invention.
- the Cavities 13 are arranged, between each of which here Blade row, not shown, is arranged.
- the Cavities 13 each have a circular cross-sectional area on and are each with a separation gap 14 with connected to the flow channel 15.
- the separation gap 14 allows an expansion of the surface when the compressor is loaded 2 with the hot compressed air and guaranteed thus the compressor 2 runs correctly.
- the axial extension d of the cavity 13 compared to the axial Distance s between two adjacent cavities 13 relative be large, because otherwise there would be insufficient thermal insulation is guaranteed.
- the axial extent d the cavity 13 should not be chosen too large, because otherwise Strength problems would occur in the rotor and moreover there is not enough space to dig the blades would be present.
- the axial extent d of each circumferential cavity 13 is therefore advantageous about as large as the distance s between two neighboring ones Cavities 13.
- This web between the cavities 13 has compared to the Surface a reduced cross-section for braking the heat flow.
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Description
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.
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 972 310 C ist ein flüssigkeitsgekühlter Läufer bekannt.
Dieser wird für Gasturbinen eingesetzt, welche bei hohen
Temperaturen betrieben werden. Dieser Läufer ist aus einzelnen
Ringen zusammengesetzt, die die Schaufeln tragen.
Zwecks Abdichtung des Läuferinnern nach aussen sind die
Schaufelringe ausserhalb ihrer Einspannung durch in Achsrichtung
federnde Ringkörper miteinander verbunden. Diese federnden
Ringkörper können beispielsweise eine U-Form besitzen,
bei welcher die Schenkel des Querschnittes am offenen Ende so
weit genähert sind, dass der Federweg annähernd gleich der
axialen Wärmedehnung des Läufers ist. Dadurch wird gewährleistet,
dass keine Kühlflüssigkeit oder Dampf nach aussen dringen
können.
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.
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 mehreren Reihen
Laufschaufeln bestückten Verdichterrotor thermischer Turbomaschinen,
welcher um eine Achse in einem von einem heissen
Medium durchströmten Strömungskanal rotiert, wobei im Rotor
in Oberflächennähe mehrere umlaufende Hohlräume vorgesehen
sind, welche jeweils über einen Trennungsspalt mit dem Strömungskanal
verbunden sind und welche jeweils zwischen den
Laufschaufelreihen angeordnet sind, dadurch erreicht, dass jeder der
Hohlräume eine kreisförmige Querschnittsfläche
aufweist, und dass die axiale Ausdehnung besagter Hohlräume
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.
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.
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.
- 1
- Welle
- 2
- Verdichter
- 3
- Turbine
- 4
- Brennkammer
- 5
- Rotor
- 6
- Laufschaufeln 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)
- Vorrichtung zur Wärmedämmung von einem mit mehreren Reihen Laufschaufeln (6) bestückten Verdichterrotor (5) einer thermischen Turbomaschine, insbesondere eines Hochdruckverdichters, welcher um eine Achse (12) in einem von einem heissen Medium durchströmten Strömungskanal (15) rotiert, wobei im Rotor (5) in Oberflächennähe mehrere umlaufende Hohlräume (13) vorgesehen sind, welche jeweils über einen Trennungsspalt (14) mit dem Strömungskanal (15) verbunden sind und welche jeweils zwischen den Laufschaufelreihen (6) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Hohlräume (13) eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweist, und dass die axiale Ausdehnung (d) jedes Hohlraumes (13) etwa so gross ist wie der axiale Abstand (s) zwischen zwei benachbarten Hohlräumen (13).
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