EP0926311B1 - Rotor einer Strömungsmaschine - Google Patents

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EP0926311B1
EP0926311B1 EP19970811025 EP97811025A EP0926311B1 EP 0926311 B1 EP0926311 B1 EP 0926311B1 EP 19970811025 EP19970811025 EP 19970811025 EP 97811025 A EP97811025 A EP 97811025A EP 0926311 B1 EP0926311 B1 EP 0926311B1
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EP
European Patent Office
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rotor
cavity
feed
passage
rotor according
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP19970811025
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP0926311A1 (de
Inventor
Wilhelm Dr. Endres
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Switzerland GmbH
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Schweiz AG filed Critical Alstom Schweiz AG
Priority to DE59710425T priority Critical patent/DE59710425D1/de
Priority to EP19970811025 priority patent/EP0926311B1/de
Priority to JP36321398A priority patent/JP4372250B2/ja
Publication of EP0926311A1 publication Critical patent/EP0926311A1/de
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Publication of EP0926311B1 publication Critical patent/EP0926311B1/de
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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
    • F01D5/085—Heating, heat-insulating or cooling means cooling fluid circulating inside the rotor
    • 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
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/085—Heating, heat-insulating or cooling means cooling fluid circulating inside the rotor
    • F01D5/087—Heating, heat-insulating or cooling means cooling fluid circulating inside the rotor in the radial passages of the rotor disc

Definitions

  • the invention relates to a rotor of a turbomachine, which on a Surface of its rotor shaft in one or more rows of blades and / or other parts, for example.
  • Heat shields or heat accumulation segments each of which a foot protruding through the surface into the rotor shaft.
  • GB-A-742 242 describes a rotor for a turbine which is made of has several composite disc wheels composite shaft. Air chambers are formed between the disk wheels, which pass through air supply channels be supplied with fresh air from outside. On the circumference of the disc wheels blades are used with their feet, being below the feet of the blades Cavities are formed which are connected to the air chambers, so that at least the feet of the blades are supplied with a cooling medium.
  • EP-A-0 037 897 a gas turbine with a device for cooling the Described inside the gas turbine.
  • the gas turbine consists of a rotor and a Stator.
  • the cooling gas is introduced through an inlet channel into a buffer channel which it is withdrawn through an outlet channel into a buffer space located in the rotor becomes.
  • An oblique hole leads from the buffer space to a fastening space for a blade root. Due to the oblique arrangement of the hole Cooling gas is transported to the blade root by centrifugal force.
  • the document DE-A-43 24 034 shows a gas turbine with one of several disks welded and bladed rotor. There are cavities between the panes educated. The cavity communicates with axial channels and is covered by a central cooling air supply coming from the downstream rotor end fed.
  • GB-A-810 459 describes a rotor of a turbomachine with an air-cooled one Shovel.
  • the Invention based on the object, with the simplest possible means, the rotor and in particular the surface areas of the rotor shaft of a turbomachine and the radially arranged blades as directly as possible, but using a gentle cooling medium, preferably air.
  • a gentle cooling medium preferably air.
  • the measures according to the invention should also be retrofitted to turbomachines that are already in use can be.
  • This task according to the invention is corresponding with a rotor of a turbomachine the preamble of claim 1 solved in that over the circumference of the rotor shaft at least two feed-through channels are arranged adjacent, in one feed-through channel the cooling medium circulates radially outward from the cavity into a hollow channel and into the feed-through channel adjacent in the circumferential direction, the cooling medium from the hollow channel recirculated radially inward into the cavity.
  • the idea on which the invention is based is based on the consideration that the heat acting on the surface of the rotor shaft together with rotor blades hot gases flowing around the rotor, as close as possible to the peripheral peripheral edge the rotor shaft is to be dissipated directly by a suitable supply of cooling air to the Deflect the temperature of the rotor material and that of the rotor feet.
  • the rotors that are located just below their peripheral peripheral edge Have rotor shaft cavities with radial and / or oblique through channels provided so that the peripheral peripheral edge heated by the hot gases along with blades from the side of the cavity, which in turn has a cooling system with a cooling medium, preferably cooling air, is cooled can.
  • a cooling medium preferably cooling air
  • FIG. 2 A rotor shaft contour known per se, which is used to carry out the inventive Measures are suitable, is shown in Fig. 2 as a representation of the prior art.
  • the highly schematic cross-sectional drawing according to FIG. 2 represents the represents the upper section of a rotor shaft 1 which rotates about the rotor shaft axis A.
  • rotor blades radial to the rotor shaft axis 2 arranged.
  • guide vanes 3 are shown, which are fixedly attached to the stator and in the spaces protrude between two successive blades 2.
  • the over The arrow shown in the blade breaks represents the direction of flow of the hot gas through the turbines.
  • Section E should be placed near a blade root of a moving blade provides a cavity at the peripheral peripheral edge of the rotor shaft.
  • the idea of the invention basically provides the area of the rotor shaft above to perforate the cavity so that air exchange between the top of the Rotor shaft and the cooling air located in the cavity can take place.
  • the area of the rotor shaft must be provided with such a perforation so that the cooling air in the cavity directly touches the blade root area of the blades can cool.
  • FIG. 1 The cross-sectional view shown in Fig. 1, which is only a section shows the rotor cross-section corresponds to a central section of one according to the invention stepped rotor, with the aid of the representation according to FIG. 2 the point is to be thought of which corresponds to the circle delimited by E in FIG. 2.
  • the Circle preferably includes all those blade roots that with the invention "Perforation" can be detected.
  • the blade root 7 can be in a circumferential groove 8 or in an axial groove which is axial or extends obliquely axially on the surface of the rotor shaft 1.
  • the circumferential groove 8 and / or axial groove and the blade root 7 can jags for mutual attachment exhibit.
  • the constant heat flow Q acts through the Hot gases flowing around the rotor.
  • the Schaufeffuß 7 of a moving blade which in a Circulation groove 8 is fixed within the rotor shaft 1 with the aid of a feed-through channel 9 to be charged directly with cooling air.
  • a cavity 5 is close to the Blade provided within the rotor shaft 1 and with a passage channel 9 connected such that the feed-through channel 9 is largely radial to Shaft axis A extends from the cavity 5 to the blade root 7.
  • the cavity 5 is connected to a cooling system 4, via which a cooling medium in the Cavity 5 can be fed.
  • the supply 4a of the cooling medium into the cavity 5 is advantageously such that a swirl occurs in cavity 5 relative to the rotor.
  • the return 4b of the heated Cooling medium from the cavity 5 is advantageously carried out on the inner surface of the cavity because the heated cooling medium collects there.
  • the opening of the feed channel 4a into the cavity 5 must e.g. with large radii or bevels or guide vanes in such a way that the cooling medium flows in well can. If the latter is too warm for the rotor, the discharge duct 4b can always be used still isolate, e.g. through a lining pipe or a thermal insulation layer.
  • the circumferential groove 8 in which the blade root 7 is fastened also has a hollow channel 10 on, in which the cooling air present in the cavity 5 via the duct 9 can reach.
  • the circumferential groove 8 runs completely angularly around the rotor shaft 1, in which a plurality are arranged one behind the other.
  • the individual hollow channels 10 under each blade root of a moving blade together form a circumferential channel 10 'through which the cooling air introduced via the duct 9 circulates can. In this way, an integral cooling system that cools the blade feet is inside the rotor shaft can be realized.
  • feed-through channels 9 ' are also provided which cover the peripheral area the rotor shaft completely or only partially. That way the heat flow Q acting on the peripheral peripheral edge 6 directly through the feed-through channels 9 'in the direction of the cavity 5 are provided in the cooling air is derived.
  • the cooling arrangement shown in Fig. 1, preferably for Cooling the rotor blades in the middle of the rotor can be done in different ways Be designed so that the cooling air for removal of the the existing blade heat is used.
  • the cooling air located near the blade root in the hollow duct 1 0 warms due to the large heat input and experiences in the presence of the by the rotation of the rotor generated centrifugal field so much lift that the warmer air directed radially inward climbs through the duct this gives way to the incoming colder air, so that it is called hot Shovel feet can cool.
  • This convection flow that forms in the centrifugal field arises automatically due to the temperature gradient.
  • the Feedthrough channels must, however, be made correspondingly large, so that countercurrent system within a channel as described above can train.
  • the openings of the feed-through channels, which end in the cavity 5, should open a smaller radius, measured from the axis of rotation of the rotor, than the areas of the rotor shaft where the heat is applied.
  • the design of the cavity can be designed as desired. So it is not mandatory required that the upper contour of the cavity from which the feed-through channels 9 go out, runs obliquely to the rotor shaft axis A. They can also Feed-through channels 9 also depart from cavity wall sections that are vertical or run vertically relative to the rotor shaft axis A. Essential with the arrangement of the feed-through channels 9, however, is that the openings of the feed-through channels 9 lie on a smaller radius relative to the rotor shaft axis than that Areas of the feedthrough channels to which the heat is supplied, so that the Principle of the so-called thermosiphon is applicable. In this case, the Rotor shaft the difference between the pumping power for the cold cooling air and the Apply the turbine output of the warm cooling air.
  • the openings 11, 11 ' largely on the same radius lie relative to the rotor shaft axis A; if this is not the case, the radial influences Pressure difference, i.e. the swirl in the cavity caused by the pressure difference Cooling effect.
  • FIG. 1 b is the sectional view according to the section A entered in Fig. 1a - A is shown.
  • the cross-sectional representation shown perpendicular to the axis of rotation in 1 b shows two adjacent feed-through channels 9, each on the rotor shaft side have facing openings 11, 11 'and of different sizes Inlet curves R and r have.
  • the cooling medium in the cavity 5 flows relative to the rotor in the direction indicated by the large arrow.
  • This Cross flow over the openings 11, 11 'is in the holes 11 with the larger ones Opening radii R generate a higher pressure than in the holes 11 'with smaller ones Opening radius r.
  • This Flow continues through the circumferential groove 10 'and returns in the adjacent channels 9 with the smaller opening radii r back into the cavity 5.
  • opening area of a through-channel in such a way that an opening has two different radii R and r. So it is for the above described flow direction specification necessary, the opening areas two adjacent passageways, which are closest to each other form the same radii of curvature.
  • opening contours shown can create real scooping edges at the respective points of the openings of the through channels be provided. However, this is with an additional constructive Effort associated with the operation of the above "Thermosyphons" is not absolutely necessary.
  • the direct cooling of the blade feet of the moving blades by a targeted below the cooling medium introduced, preferably cooling air, is also the blade roots for reasons of possible contamination by dust particles within the Cooling system an advantage.
  • dust particles get through the feed-through channels in the circumferential grooves of the mounting rails, they can in principle also to blockages of the circumferential grooves and thus to a considerable one Reduce the cooling effect.
  • one can counteract such contamination Provide so-called dust holes, such as those in cooled blades are used, on the other hand, it is easy for maintenance work Effort possible by removing the blades from the mounting rail to easily remove contaminants deposited in the circumferential grooves.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotor einer Strömungsmaschine, der an einer Oberfläche seiner Rotorwelle in einer oder mehreren Reihen Laufschaufeln und/oder andere Teile, bspw. Hitzeschilder oder Wärmestausegmente vorsieht, die jeweils über einen Fuß zur Befestigung durch die Oberfläche in die Rotorwelle hineinragen.
Stand der Technik
In Hinblick auf die Leistungs- und Lebensdauersteigerung von modernen Gasturbinen, deren einzelne Komponenten sehr großen thermischen Belastungen ausgesetzt sind, spielt die Kühlung von den thermisch hoch belasteten Aggregaten eine immer wichtigere Rolle. Insbesondere wird an dieser Stelle an die Kühlung des Rotors und der Laufschaufeln einer Gasturbine gedacht, die dem von der Brennkammer kommenden Heißgasen unmittelbar ausgesetzt sind und somit eine große Kühlintensität benötigt.
Neben bekannten Kühlmaßnahme, bspw. einen Teil der vorverdichteten Luft zu Kühlzwecken abzuzweigen - was jedoch aufgrund des nur beschränkten Lufthaushaltes in einer modernen Gasturbine unweigerlich mit einem gewissen Wirkungsgradverlust verbunden ist -, wird alternativ vorgeschlagen, die Kühlung der thermisch belasteten Aggregate einer Gasturbine mit anderen Kühlmedien zu bewerkstelligen, beispielsweise mit Kühldampf zu beaufschlagen, das in einem rotorinternen Kühlkreislauf, zur Kühlung aller heißen Regionen, geleitet wird.
In der Schrift GB-A-742 242 ist ein Rotor für eine Turbine beschrieben, der einen aus mehreren zusammengesetzten Scheibenrädern zusammengesetzten Schaft besitzt. Zwischen den Scheibenrädern sind Luftkammern ausgebildet, welche über Luftzuführungskanäle von aussen mit Frischluft versorgt werden. Am Umfang der Scheibenräder sind Laufschaufeln mit ihren Füssen eingesetzt, wobei unterhalb der Füsse der Laufschaufeln Hohlräume ausgebildet sind, die mit den Luftkammern in Verbindung stehen, so dass zumindest die Füsse der Laufschaufeln mit einem Kühlmedium versorgt werden. In der Schrift EP-A-0 037 897 wird eine Gasturbine mit einer Einrichtung zur Kühlung des Inneren der Gasturbine beschrieben. Die Gasturbine besteht aus einem Rotor und einem Stator. Das Kühlgas wird durch einen Eintrittskanal in einen Pufferkanal eingeführt, aus welchem es durch einen Austrittkanal in einen im Rotor befindlichen Pufferraum abgezogen wird. Vom Pufferraum führt eine schräg verlaufende Bohrung zu einem Befestigungsraum für einen Schaufelfuss. Durch die schräge Anordnung der Bohrung wird Kühlgas durch die Zentrifugalkraft zum Schaufelfuss befördert.
Die Schrift DE-A-43 24 034 zeigt eine Gasturbine mit einem aus mehreren Scheiben zusammengeschweissten und beschaufelten Rotor. Zwischen den Scheiben sind Hohlräume ausgebildet. Der Hohlraum steht mit Axialkanälen in Verbindung und wird von einer zentralen, vom stromabwärts liegenden Rotorende ausgehenden Kühlluftzufuhr gespeist.
Die Schrift GB-A-810 459 beschreibt einen Rotor einer Turbomaschine mit einer luftgekühlten Schaufel.
Darstellung der Erfindung
Ergänzend oder alternativ zu den vorstehend genannten Kühleinrichtungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit möglichst einfachen Mitteln den Rotor und insbesondere die Oberflächenbereiche der Rotorwelle einer Strömungsmaschine sowie die radial an ihr angeordneten Laufschaufein möglichst direkt, aber unter Einsatz eines schonenden Kühlmediums, vorzugsweise Luft zu kühlen. Insbesondere sollen die ohnehin bei bekannten Rotoren vorhandenen Konturen zu Kühlzwecken genutzt werden, so daß die Kühlmaßnahmen mit geringem konstruktivem sowie auch finanziellem Einsatz durchgeführt werden können. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sollten auch bei bereits im Einsatz befindlichen Strömungsmaschinen nachgerüstet werden können.
Diese erfindungsgemässe Aufgabe wird bei einem Rotor einer Strömungsmaschine entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass über den Umfang der Rotorwelle benachbart mindestens zwei Durchführungskanäle angeordnet sind, wobei in einem Durchführungskanal das Kühlmedium vom Hohlraum radial auswärts in einen Hohlkanal zirkuliert und in dem in Umfangsrichtung benachbarten Durchführungskanal das Kühlmedium vom Hohlkanal radial einwärts in den Hohlraum rückzirkuliert.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee geht dabei von der Ueberlegung aus, daß die auf die Oberfläche der Rotorwelle nebst Laufschaufeln einwirkende Wärme der den Rotor umströmenden Heißgase, so nah wie möglich am peripheren Umfangsrand der Rotorwelle durch geeignete Kühlluftzufuhr direkt abgeführt werden soll, um die Temperatur des Rotormaterials sowie die der Laufschaufeffüße abzulenken.
Hierzu werden bei Rotoren, die nahe unterhalb ihres peripheren Umfangsrandes der Rotorwelle Hohlräume aufweisen, mit radialen und/oder schrägradialen Durchführungskanälen versehen, so daß der durch die Heißgase erhitzte periphere Umfangsrand nebst Laufschaufeln von Seiten des Hohlraumes, der seinerseits über ein Kühlsystem mit einem Kühlmedium, vorzugsweise Kühlluft, versorgt wird, gekühlt werden kann.
Eine an sich bekannte Rotorwellenkontur, die zur Durchführung der erfindungsgemäßen Maßnahmen geeignet ist, ist in Fig. 2 als Darstellung zum Stand der Technik gezeigt.
Die stark schematisiert dargestellte Querschnittszeichnung gemäß Fig. 2 stellt den oberen Abschnitt einer Rotorwelle 1 dar, die um die Rotorwellenachse A rotiert. Am peripheren Umfangerand der Rotorwelle sind radial zur Rotorwellenachse Laufschaufeln 2 angeordnet. Zwischen den Laufschaufeln sind nur der Vollständigkeit halber die Leitschaufeln 3 gezeigt, die fest am Stator angebracht sind und in die Zwischenräume zwischen zwei aufeinander folgenden Laufschaufeln 2 hineinragen. Der über den Schaufelabrissen dargestellte Pfeil stellt die Durchströmungsrichtung des Heißgases durch die Turbinen dar.
Ein besonderes Augenmerk soll jedoch auf den in der Fig. 2 dargestellten mittigen Abschnitt E gelegt werden, der in der Nähe eines Schaufelfußes einer Lauftschaufel am peripheren Umfangsrand der Rotorwelle einen Hohlraum vorsieht.
Der Erfindungsgedanke sieht grundsätzlich vor, den Bereich der Rotorwelle oberhalb des Hohlraumes zu perforieren, so daß ein Luftaustausch zwischen der Oberseite der Rotorwelle und der im Hohlraum befindlichen Kühlluft stattfinden kann. Insbesondere ist der Bereich der Rotorwelle mit einer derartigen Perforierung zu versehen, so daß die im Hohlraum vorhandene Kühlluft den Schaufelfussbereich der Laufschaufeln direkt kühlen kann.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen hinsichtlich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:
Fig. 1a
Teilquerschnittdarstellung durch einen Teil des peripheren Umfangsrandes einer Rotorwelle mit einem geschlossenen Hohlraum,
Fig. 1 b
Schnittdarstellung gemäß Schnittlinie A - A in Fig. 1 a,
Fig. 1 c
alternative Schnittdarstellung zur Figur 1 b und
Fig. 2
Prinzipquerschnittsdarstellung durch eine an sich bekannte Rotoranordnung.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Die in Fig. 1 dargestellte Querschnittsdarstellung, die lediglich einen Ausschnitt aus dem Rotorquerschnitt zeigt, entspricht einem Mittenabschnitt eines erfindungsgemäß ausgestafteten Rotors, das unter zu Zuhilfenahme der Darstellung gemäß Fig. 2 an die Stelle zu denken ist, die in Fig. 2 dem mit E eingegrenzten Kreis entspricht. Der Kreis umfasst vorzugsweise all jene Laufschaufelfüsse, die mit der erfindungsgemäßen "Perforierung" erfasst werden können.
Der Schaufelfuß 7 kann in einer Umfangsnut 8 oder in einer Axialnut, die axial oder schrägaxial an der Oberfläche der Rotorwelle 1 verläuft, befestigt sein. Die Umfangsnut 8 und/oder Axialnut sowie der Schaufelfuß 7 kann Zacken für eine gegenseitige Befestigung aufweisen.
Auf die Oberfläche 6 der Rotorwelle 1 wirkt der stete Wärmefluß Q durch die den Rotor umströmenden Heißgase ein. Zusätzlich dringt über den Schaufelfuß 7 einer nicht in der Fig. 1 dargestellten Laufschaufel, die sich im übrigen radial über die Oberfläche 6 der Rotorwelle 1 erhebt, ein zusätzlicher Wärmefluß Qs in die Rotorwelle 1 ein.
Um die in die Rotorwelle 1 eingebrachte Wärme möglichst rasch abzufahren, ist zum einen erfindungsgemäß vorgesehen, den Schaufeffuß 7 einer Laufschaufel, der in einer Umlaufnut 8 innerhalb der Rotorwelle 1 fixiert ist, mit Hilfe eines Durchführungskanales 9 direkt mit Kühlluft zu beaufschlagen. Hierzu wird ein Hohlraum 5 nahe der Laufschaufel innerhalb der Rotorwelle 1 vorgesehen und mit einem Durchführungskanal 9 derart verbunden, daß sich der Durchführungskanal 9 weitgehend radial zur Wellenachse A von dem Hohlraum 5 hin zum Schaufelfuß 7 erstreckt. Ueberdies ist der Hohlraum 5 mit einem Kühlsystem 4 verbunden, über das ein Kühlmedium in den Hohlraum 5 eingespeist werden kann. Im dargestellten Fall gemäß Figur 1 besteht das Kühlsystem 4 lediglich aus einem Zuführ- 4a und einen Abführkanal 4b für das Kühlmedium (siehe Pfeile, die die Strömungsrichtung des Kühlmediums angeben). Natürlich können auch mehrere Schaufelfüsse von einem Hohlraum aus mit Durchführungskanälen mit einem Kühlmedium versorgt werden, bspw. zwei Schaufelfüsse, wie es in dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 dargestellt ist.
Die Zuführung 4a des Kühlmediums in den Hohlraum 5 erfolgt vorteilhaft derart, daß im Hohlraum 5 ein Drall relativ zum Rotor entsteht. Die Rückführung 4b des erwärmten Kühlmediums aus dem Hohlraum 5 erfolgt vorteilhaft an der inneren Oberfläche des Hohlraums, weil sich dort das erwärmte Kühlmedium ansammelt. Die Öffnung des Zuführkanals 4a in den Hohlraum 5 muß z.B. mit großen Radien oder Anschrägungen oder Leitschaufein derart gestaltet sein, daß das Kühlmedlum gut einströmen kann. Falls letzteres für den Rotor zu warm ist, kann man den Abführkanal 4b immer noch isolieren, z.B. durch ein Auskleiderohr oder eine Wärmedämmschicht.
Die Umfangsnut 8, in der der Schaufelfuß 7 befestigt ist, weist überdies einen Hohlkanal 10 auf, in dem die in dem Hohlraum 5 vorhandene Kühlluft über den Durchführungskanal 9 gelangen kann.
Die Umfangsnut 8 verläuft vollständig angulär um die Rotorwelle 1, in der eine Vielzahl von Laufschaufein hintereinander angeordnet sind. Die einzelnen Hohlkanäle 10 unter jedem Schaufelfuß einer Laufschaufel ergeben zusammen einen Umfangskanal 10' durch den die über die Durchführungskanäle 9 eingeleitete Kühlluft zirkulieren kann. Auf diese Weise ist ein die Schaufelfüße kühlendes, integrales Kühlsystem innerhalb der Rotorwelle realisierbar.
In Ergänzung zu den, die Schaufeffüße 7 unmittelbar kühlenden Durchführungskanälen 9 sind auch weitere Durchführungskanäle 9' vorgesehen, die den peripheren Bereich der Rotorwelle vollständig oder nur teilweise durchsetzen. Auf diese Weise wird der auf den peripheren Umfangsrand 6 einwirkende Warmefluß Q unmittelbar durch die Durchführungskanäle 9' in Richtung des Hohlraumes 5, in der Kühlluft vorgesehen ist, abgeleitet.
Neben den in radialer Erstreckung orientierten Durchführungskanälen 9, 9' können alternativ oder in Ergänzung auch schrägradiale Durchführungskanäle in die Rotorwelle eingebracht werden.
Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Kühlanordnung, die vorzugsweise zum Kühlen der Laufschaufein jeweils in der Rotormitte vorgesehen ist, kann in unterschiedlicher Weise ausgestaltet werden, so daß die Kühlluft zum Abtransport der an den Schaufelfüßen vorhandenen Wärme dient.
Grundsätzlich wird die nahe dem Schaufelfuß im Hohlkanal 1 0 befindliche Kühlluft aufgrund des großen Wärmeeintrages Qs erwärmt und erfährt in Gegenwart des durch die Rotation des Rotors erzeugten Zentrifugalfeldes so viel Auftrieb, daß die wärmere Luft radial nach innen gerichtet den Durchführungskanal durchsteigt und auf diese Weise der nachströmenden kälteren Luft Platz macht, so daß diese die heißen Schaufelfüße zu kühlen vermag. Diese, in dem Zentrifugalfeld sich ausbildende Konvektionsströmung entsteht aufgrund des Temperaturgefälles automatisch. Die Durchführungskanäle müssen jedoch entsprechend groß ausgebildet sein, so daß sich innerhalb eines Kanales ein Gegenstromsystem der vorstehend genannten Weise ausbilden kann.
Die Öffnungen der Durchführungskanäle, die im Hohlraum 5 enden, sollten sich auf einem kleineren Radius, gemessen von der Rotationsachse des Rotors, befinden als die Bereiche der Rotorwelle, an denen die Wärme zugeführt wird.
Ferner ist die Ausbildung des Hohlraumes beliebig zu gestalten. So ist es nicht zwingend erforderlich, daß die obere Kontur des Hohlraumes, von der aus die Durchführungskanäle 9 ausgehen, schräg zur Rotorwellenachse A verläuft. Auch können die Durchführungskanäle 9 ebenso von Hohlraumwandabschnitten abgehen, die senkrecht oder vertikal relativ zur Rotorwellenachse A verlaufen. Wesentlich bei der Anordnung der Durchführungskanäle 9 ist es jedoch, daß die Öffnungen der Durchführungskanäle 9 auf einem kleineren Radius relativ zur Rotorwellenachse liegen, als jene Bereiche der Durchführungskanäle, an denen die Wärme zugeführt wird, so daß das Prinzip des sogenannten Thermosyphons anwendbar ist. In diesem Fall muß die Rotorwelle die Differenz zwischen der Pumpleistung für die kalte Kühlluft und der Turbinenleistung der warmen Kühllüft aufbringen.
Auch ist es von Vorteil, daß die Öffnungen 11, 11' weitgehend auf gleichem Radius relativ zur Rotorwellenachse A liegen; ist dies nicht der Fall, so beeinflusst die radiale Druckdifferenz, d.h. der durch die Druckdifferenz entstehenden Drall im Hohlraum die Kühlwirkung.
Neben den sich selbständig ausbildenden Kühlströmungen, die sich innerhalb eines Durchführungskanals, vergleichsweise in Art eines des vorstehend erwähnten "Thermosyphons' ausbilden, können jedoch auch gezielt Kühlströme in die Durchführungskanäle 9 initiiert werden. Da sich die rotorwellenseitig zugewandten Öffnungen 11 der Durchführungskanäle 9 aufgrund der Rotationsbewegung des Rotors relativ zum im Hohlraum 5 befindlichen Kühlmedium bewegen, kann durch gezielte Ausbildung der Öffnungsgeometrie zu jedem Durchführungskanal 9die Strömungsrichtung innerhalb des Kanals vorgegeben werden.
In Fig. 1 b ist die Schnittdarstellung gemäß dem in Fig. 1a eingetragenen Schnittes A - A dargestellt. Die senkrecht zur Rotationsachse gezeigte Querschnittsdarstellung in Fig. 1 b gibt zwei benachbarte Durchführungskanäle 9 wieder, die jeweils rotorwellenseitig zugewandte Öfnungen 11, 11' aufweisen und über unterschiedlich groß dimensionierte Einlaßrundungen R und r verfügen. Das Kühlmedium in dem Hohlraum 5 strömt relativ zum Rotor in der durch den großen Pfeil angegebenen Richtung. Diese Querströmung über den Öffnungen 11, 11' wird in den Löchern 11 mit den größeren Öffnungsradien R einen höheren Druck erzeugen als in den Löchern 11' mit kleine-ren Öffnungsradien r. Dadurch wird eine radial nach aussen gerichtete Kühlströmung in an die Öffnungen 11 anschließende Durchführungskanäle 9 eingeleitet. Diese Strömung setzt sich über die Umfangsnut 10' fort und kehrt in den benachbarten Kanälen 9 mit den kleineren Öffnungsradien r in den Hohlraum 5 zurück.
Alternativ zu der in Figur 1b dargestellten Ausbildung der Öffnungen der Durchführungskanäle, die jeweils über unterschiedlich dimensionierte Oeffnungsradien R, r verfügen, die sich jeweils zwischen benachbarten Durchgangskanälen abwechseln, ist es auch möglich, den Öffnungbereich eines Durchgangskanals derart auszubilden, daß eine Öffnung zwei unterschiedliche Radien R und r aufweist. So ist es zur vorstehend beschriebenen Strömungsrichtungsvorgabe notwendig, die Öffnungsbereiche zweier benachbarter Durchgangskanäle, die sich jeweils am nächsten liegen mit gleichen Krümmungsradien auszubilden. (siehe hierzu Figur 1c)
Damit das Kühlsystem, wie in der Fig. 1b und 1c ausschnittsweise dargestellt, arbeiten kann, muß die Anzahl der Durchführungskanäle 9 eine natürliche gerade Zahl annehmen, so daß einem Einströmkanal jeweils ein Auströmkanal zugeordnet ist.
Altemativ oder ergänzend zu den Fig. 1 b und 1 c dargestellten Öffnungskonturen, können regelrechte Schöpfkanten an die jeweiligen Stellen der Öffnungen der Durchgangskanäle vorgesehen werden. Dies jedoch ist mit einem zusätzlichen konstruktiven Aufwand verbunden, der durch die Funktionsweise des vorstehend beschriebenen "Thermosyphons" nicht zwingend erforderlich ist.
Die unmittelbare Kühlung der Schaufelfüße der Laufschaufeln durch ein gezielt unterhalb der Schaufelfüße eingebrachtes Kühlmedium, vorzugsweise Kühlluft, ist auch aus Gründen möglicher Verschmutzungsgefähren durch Staubpartikel innerhalb des Kühlsystems von Vorteil. Gelangen beispielsweise Staubpartikel durch die Durchführungskanäle in die Umfängsnuten der Aufnahmeschienen, so können diese grundsätzlich auch zu Verstopfungen der Umfängsnuten und somit zu einer erheblichen Verminderung des Kühleffektes führen. Zum einen kann man gegen derartige Verschmutzungen sogenannte Staublöcher vorsehen, wie sie in gekühlten Schaufeln eingesetzt werden, zum anderen ist es jedoch bei Wartungsarbeiten ohne weiteren Aufwand möglich, durch Entnahme der Laufschaufeln aus der Aufnahmeschiene, die sich in den Umfängsnuten abgesetzten Verunreinigungen auf leichte Weise zu entfernen.
Bezugszeichenliste
1
Rotorwelle
2
Laufschaufel
3.
Leitschaufel
4.
Kühlsystem
4a
Zuführungskanal
4b
RückführungManal
5·
Hohlraum
6·
Oberfläche der Rotorwelle
7·
Schaufelfuß
8·
Umfängsnut
9, 9'
Durchführungskanal
10
Hohlkanal
10'
Umfangsnut
11, 11'
Öffnungen der Durchführungskanäle
A
Rotorwellenachse
R, r
Großer und kleiner Krümmungsradius der Öffnungen 11, 11'

Claims (22)

  1. Rotor einer Strömungsmaschine, der an einer Oberfläche (6) seiner Rotorwelle (1) in einer oder mehreren Reihen Laufschaufeln (2) und/oder andere Teile vorsieht, die jeweils über einen Fuß (7) zur Befestigung (1) durch die Oberfläche (6) in die Rotorwelle (1) hineinragen, wobei die Rotorwelle (1) an wenigstens einem Bereich unterhalb der Oberfläche (6) nahe wenigstens eines Fußes (7) wenigstens einen geschlossenen Hohlraum (5) aufweist, wobei der Hohlraum (5) über wenigstens einen Durchführungskanal (9) mit dem rotorwellenseitig zugewandten Ende eines Fußes (7) zu Kühlzwecken verbunden ist, und wobei ein Kühlsystem (4) vorgesehen ist, durch das der Hohlraum (5) mit einem Kühlmedium versorgbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    über den Umfang der Rotorwelle (1) benachbart mindestens zwei Durchführungskanäle (9) angeordnet sind, wobei in einem Durchführungskanal (9) das Kühlmedium vom Hohlraum (5) radial auswärts in einen Hohlkanal (10) zirkuliert und in dem in Umfangsrichtung benachbarten Durchführungskanal (9) das Kühlmedium vom Hohlkanal (10) radial einwärts in den Hohlraum (5) rückzirkuliert.
  2. Rotor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    als Kühlmedium Kühlluft vorgesehen ist.
  3. Rotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Hohlraum (5) von den Enden der Rotorwelle (1) beabstandet ist.
  4. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    mindestens ein Durchführungskanal (9) radial oder schrägradial zur Rotorwelle (1) angeordnet ist.
  5. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Fuß (7) in einer Umfangsnut (8) innerhalb der Rotorwelle (1) sitzt, die radial unterhalb des eingesetzten Fußes (7) den Hohlkanal (10) vorsieht, der mit den mindestens zwei Durchführungskanälen (9) verbunden ist.
  6. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Fuß (7) in einer Axialnut, die axial oder schrägaxial an der Oberfläche der Rotorwelle (1) verläuft, innerhalb der Rotorwelle (1) sitzt, die radial unterhalb des eingesetzten Fußes (7) den Hohlkanal (10) vorsieht, der mit den mindestens zwei Durchführungskanälen (9) verbunden ist.
  7. Rotor nach Anspruch 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Umfangsnut und/oder Axialnut sowie der Fuß Zacken für eine gegenseitige Befestigung aufweisen.
  8. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet daß
    eine Vielzahl von Laufschaufeln (2) oder Teilen radial an der Oberfläche (6) der Rotorwelle (1) nebeneinander angeordnet ist, zu deren Füßen (7) jeweils ein Durchführungskanal (9) zugeordnet ist.
  9. Rotor nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    ein Durchführungskanal (9) eine Öffnung (11, 11') zum Hohlraum (5) aufweist, deren Einlassrundung in radialer Richtung jeweils derart bemessen ist, daß die Öffnungen (11, 11') zweier unmittelbar benachbarter Durchführungskanäle (9) unterschiedliche Radien (R, r) besitzen.
  10. Rotor nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Öffnungen (11, 11') eine große (R) oder eine kleine (r) Einlassrundung aufweisen.
  11. Rotor nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Öffnung (11, 11') eines Durchführungskanals (9) zwei unterschiedlich groß ausgebildete Einlassrundungen (R, r) in radialer Richtung aufweist und benachbarte Einlassrundungen (R, r) zwischen zwei Durchführungskanälen (9) übereinstimmen.
  12. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Hohlkanäle (10) unter allen, um die Rotorwelle (1) verteilt angebrachten Füßen miteinander zu einem Umfangskanal (10') verbunden sind.
  13. Rotor nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    eine geradzahlige Anzahl radialer und/oder schrägradialer Durchgangskanäle (9) in einen Umfangskanal (10') mündet.
  14. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Strömungsmaschine eine Turbine, eine Verdichterstufe einer Gasturbine oder einer Dampfturbine ist.
  15. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    sich der Rotor relativ zu einem, in dem Hohlraum (5) enthaltenen Medium bewegt.
  16. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Fuß (7) einer Laufschaufel (2) oder eines Teils radial über dem Hohlraum (5) angeordnet ist.
  17. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Teil ein Wärmesegment oder ein Hitzeschild ist.
  18. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem (4) Kühlkanäle (4a, 4b) aufweist, die in der Rotorwelle (1) verlaufen und mit Kühlluft versorgbar sind.
  19. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Kühlkanäle (4a, 4b) des Kühlsystems (4) dem Kühlmedium im Hohlraum (5) einen zum Rotor relativen Drall in der Umfangsrichtung des Rotors erteilen, wobei der relative Drall mit der Drehrichtung des Rotors oder entgegen strömen kann.
  20. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 19,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    einer der Kühlkanäle (4a, 4b) ein Rückführkanal (4b) ist, der das erwärmte Kühlmedium aus dem Hohlraum (5) abführt und am innersten Radius des Hohlraums (5) mündet.
  21. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 20,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (4b), der das erwärmte Kühlmedium aus dem Hohlraum (5) abführt, gegen das Rotormaterial isoliert ist.
  22. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 21,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (5) sich bis zur Rotorwellenachse (A) erstreckt.
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