EP0984138B1 - Strömungsmaschine mit gekühlter Rotorwelle - Google Patents
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- EP0984138B1 EP0984138B1 EP99810710A EP99810710A EP0984138B1 EP 0984138 B1 EP0984138 B1 EP 0984138B1 EP 99810710 A EP99810710 A EP 99810710A EP 99810710 A EP99810710 A EP 99810710A EP 0984138 B1 EP0984138 B1 EP 0984138B1
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- cooling
- vanes
- turbomachine according
- rotor shaft
- cooling air
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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
- F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
- F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
- F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
- F01D11/16—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing by self-adjusting means
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
- F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
- F01D11/10—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using sealing fluid, e.g. steam
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- 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
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- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/14—Form or construction
- F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
- F01D5/187—Convection cooling
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- 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
- F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
- F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid
Definitions
- the invention relates to a turbomachine, in particular a compressor of a Gas turbine, according to the preamble of claim 1.
- a first approach is to provide so-called heat shields, the prevent direct contact of the heated flow medium with the rotor shaft and thus their warming within the limits considered admissible to hold.
- the disadvantage here is the increase in manufacturing costs and Complexity of the turbomachine due to the additional components.
- EP 0 790 390 discloses a cooling device with which the rotor shaft at most indirectly and could be cooled effectively.
- the invention seeks to avoid the disadvantages described. She is the one
- the object of the invention is to specify a turbomachine of the type mentioned at the outset, which allows to cool the rotor shaft locally with high efficiency, so that the life expectancy of the rotor shaft even at extremely high thermal Burden is not appreciably affected.
- cooling vanes are formed as cooling vanes, which from a cooling air supply are fed.
- the cooling vanes are configured to be in substantially Radial direction of air ducts are interspersed and in the area the blade tips have blower openings aligned with the rotor shaft are.
- One of the main advantages of the invention is the fact that by the direct Actuation of the rotor shaft with cooling air optimizes the achievable cooling effect can be. Even a comparatively small amount of cooling air is sufficient to keep the rotor shaft locally at a low temperature level. The latter effect can be used in various ways.
- the life of the blading increases due to the cooling air caused lower temperature levels. This does not just affect the Cooling blades, which are flowed through by cooling air, but also the downstream, not cooled blade rings.
- the exiting at the blade tips cooling air causes an improvement the fluidic properties.
- the boundary layer Kinetic energy is supplied locally by the cooling air flow and influences it positive by that.
- the exiting cooling air flow at appropriate Design or arrangement of the exhaust openings a flow around the vanes in the gap between the blade tips and the rotor shaft. Leakage losses in this area are thus almost completely avoided.
- the air ducts can be the vibration behavior the blades vary within wide limits. This makes it possible to tune the natural frequency and flutter characteristics within limits so that critical vibration states no longer occur.
- the air ducts can therefore usually be performed as simple holes that the each guide vane radially fully enforce or as in the axial direction tilted inclined from a central air duct.
- the cooling device has the additional advantage that it can be controlled very easily and precisely.
- the cooling air can be immediate upstream or downstream compressor stages are removed needs however, still a conditioning to the effect that they with higher pressure and lower temperature is fed than the local state variables the main flow corresponds.
- a cooling air flow from a higher Compressor is removed, it must be cooled. If, on the contrary a cooling air flow is taken from a lower compressor stage, this must first be further compressed externally and then cooled.
- the cooling concept according to the invention can also be used to particular advantage with guide wheels be applied with a shroud.
- the shroud allows a even more even education of the cooling film in the circumferential direction, since the exiting cooling air partial flows are not detected directly from the main flow and be carried away.
- cooling blades are in radial Directed displaced and are against the action of return springs moved out of its initial position by the pressure of the cooling air. This makes it possible to control the compressor efficiency and in particular the Considerably increase the pumping limit. This effect is in modern high pressure compressor stages clearly pronounced, because here for safety reasons because of sluggish response large slit widths must be provided to to reliably prevent a run-in of the blade tips in the rotor shaft.
- the return springs are a safety measure in the event that the Cooling air supply should be interrupted.
- the cooling blades return immediately back to their original position and thus increase the gap between the blade tips and the rotor, so this in the case of a then thermally induced strong radial expansion not in contact with the Shovel tips can come.
- the blade root of the cooling blades is provided with a piston-shaped section, in a correspondingly shaped cylindrical housing section is performed sealed to form a working space.
- the workroom is standing in connection with the cooling air supply, so that when exposed to Cooling air in the manner of a pneumatic cylinder, the cooling blades are pushed out can.
- the air ducts of the cooling air blades are in communicating Connection with the respective working space, whereby the air flow is particularly simply designed.
- the air flow fed by the cooling air supply first enters the working space and causes the radial displacement the shovel. From the working space of the cooling air flow now occurs directly in the air ducts and leaves the blade in the blade tip through the bubble openings.
- the tuning of the geometry of the air-conveying Channel sections and the pressure conditions in the compressed air supply is such that the air jets emerging from the blow-out openings is at high speed own and at high speed on the opposite impinge arranged rotor shaft.
- the resulting impact cooling ensures an optimal heat transfer and thus an optimal cooling effect for the rotor shaft.
- two adjacent cooling blades are fixed to each other connected and positively coupled slidably mounted. Simplified further the structural design of the storage, without the cooling effect disadvantageous to influence.
- the air ducts are preferred as bores, in particular as radial Through holes performed, resulting in minimal production costs to let hold.
- the cooling blades each have a plurality, in particular parallel to each other extending air ducts on, so that at each of the cooling blades can form several partial cooling air jets. This allows the cooling of a Axial section of the rotor shaft corresponding to the axial width of the respective Stator.
- rotor cooling on which the invention is based results in particular from Figs. 1 and 2. It is a typical compressor stage of a high pressure compressor with a rotor and a stator, symbolized by a bucket 11 and vane 12 shown. The blades 11 are in itself known manner to a rotor shaft 18 which rotates in the direction of rotation D. is drivable.
- the blades 11, the vanes 12 are connected downstream, which in known Way on a housing portion 17 - and thus fixed - attached are.
- the vanes 12 are formed as cooling vanes. They point to this Purpose air ducts 13, which are continuous in the radial direction within extend the cooling blade 12 and in the region of the blade tip 15 as Outlet openings 14 open.
- the blow-out openings 14 are on the rotor shaft 18 aligned.
- the air ducts 13 are in a manner not shown with a Cooling air supply connected, which supplies cooling air.
- the pressure is like this chosen that cooling air jets K at high speed from the exhaust openings 14 emerge and impinge on the immediately adjacent rotor shaft 18.
- the cooling effect achieved by this is enormous, since the heat transfer coefficient - And thus the transferable cooling energy - is very high.
- the cooling air ducts 13 do not have to inevitably have a circular cross-section. So, for example the cross-sectional shape optimally to the profile cross-sectional shape of the guide vane 12th be adapted so that realize a high and optimally distributed air flow leaves.
- further advantages result from the fact that the guide vane 12 or the surface around which it flows, is cooled from the inside. With it reduced also the thermal stress of the vane 12 with the so associated benefits of prolonged life or the ability to already allow a higher process temperature at the time of design.
- FIGS. 3 to 5 show different application variants in the concrete implementation the cooling concept of the invention.
- a rotor shaft 38 has a circumferential groove in the axial section to be cooled 39, in which a cooling blade 32 projects radially with its blade tip 35. Again, blow-out openings 34 are provided by the cooling air jets K escape.
- This configuration may have u. a. the advantage that the exiting cooling air K is not immediate is detected by the main flow H and entrained. This is the result local cooling effect more pronounced than, for example, in the above-described Configuration.
- FIG. 4 The embodiment shown in Fig. 4 has cooling blades 42, which with a Shroud 46 in the region of the blade tips 45 are interconnected. Again, blower openings 44 are arranged in the area of the blade tips 45, exit through the cooling air jets K. These meet directly opposite each other on a rotor shaft 48 and cool them locally. Between the Shroud 46 and the rotor 48 is a circumferentially continuous annular gap 49 exists, so that in this case, a certain retention effect for the exiting cooling air jets K is given.
- cooling vanes 52 are present, which Blade tips 55 which extend radially in the direction of a rotor shaft 58 in a funnel shape.
- Blow-out openings 54 are provided, ejected by the cooling air jets K. become.
- the funnel shape of the blade tips 55 allows the admission the rotor shaft 58 along a larger peripheral portion than at radial straight ended blades would be possible.
- FIG. 6 to 8 is a further increase in Pumping limit and a further increase in the compressor efficiency thereby possible that the radial gap of the stator set during operation, d. H. can be downsized.
- cooling vanes have 62 a blade root 67 in the manner of a piston-shaped radial section on, in a correspondingly shaped cylindrical housing portion 78 is slidably mounted. It creates a working space 77, in a supply channel 76 opens. Through the supply channel 76 is off the cooling air supply cooling air, not shown here, the working space 77th fed.
- the blade root 67 is provided with sealing rings 73, so that in this way the working space 77 sealed relative to the cylindrical housing portion 78 is.
- a displacement takes place the cooling blade 62 on the rotor shaft 68 back.
- cooling air occurs from the working space 77 in air ducts 63 and exits through Blow-out openings 64.
- the displacement movement of the cooling blade 62 takes place against the effect of return springs 74, the between the blade root 67 and the housing portion 78 act in the region of the working space 77.
- the return springs 74 on the one hand have the effect that they the cooling blade 62 when turned off Pull back cooling air supply and in this way a gap 70 between the blade tips 65 and the rotor shaft 68 is set so broad is dimensioned that a running-in of the blade tip 65 in the rotor shaft 68 safely is prevented.
- the cooling air supply is switched on Gap 70 reduced so far, so that by the ejected cooling air flows K a Air cushion is formed in the gap 70, which not only cools the rotor shaft 68, but also a flow around the cooling blade 62 in the region of the gap 70 reliably prevented.
- the compressor efficiency and the surge limit can be thereby optimally increase.
- the width of the gap 70 can, with appropriate control of the cooling air supply be made variably adjustable. A particularly simple constructive But solution can also be achieved in that one is not closer illustrated stop is provided, the displacement of the cooling blade 62 limited and thus dictates the minimum width of the gap 70.
- each of the vanes 62 of a vane ring is individually slidable is stored.
- This configuration includes an additional safety aspect in that in the case of a local disturbance with a single cooling blade 62 - for example, with obstruction of the air duct 63 - the affected Cooling blade 62 returns to its original position.
- One in consequence of the missing internal cooling of the cooling pad 62 caused thermal expansion in radial Direction does not lead to a run-in of the blade tip 65 in the rotor shaft 68th
- FIG. 8 shows a tandem arrangement of two cooling blades 82 on a common blade carrier 87.
- a shroud 86 is provided in the range of blade tips 85.
- cooling air jets K ejected from the cooling vanes 82 via discharge openings 84 and bounce on a rotor shaft 88.
- Cooling vanes 82 configured jointly radially displaceable.
- a return spring 94 acts directly on the blade carrier 87 a.
- the cooling air K each of the two cooling blades 82 is supplied separately, wherein as a length compensation a respective bellows 95 between a supply channel 96 and the blade carrier 87 is arranged.
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Description
Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere einen Verdichter einer
Gasturbine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei Strömungsmaschinen mit hoher thermischer Belastung, insbesondere bei Verdichterstufen
moderner Gasturbinen, ist die Rotorwelle als besonders gefährdetes
Bauteil zu betrachten. Infolge der extremen Temperaturbelastungen sinkt die Lebensdauer
herkömmlich verwendeter Materialien drastisch ab, so dass zusätzliche
Maßnahmen ergriffen werden müssen, um dieses Problem zu lösen.
Ein erster Lösungsansatz besteht darin, sogenannte Hitzeschilde vorzusehen, die
einen direkten Kontakt des erhitzten Strömungsmediums mit der Rotorwelle verhindern
und damit deren Erwärmung innerhalb der als zulässig erachteten Grenzen
halten sollen. Nachteilig hierbei ist die Zunahme der Herstellungskosten und
Komplexität der Strömungsmaschine durch die zusätzlichen Bauteile.
Ein weiterer Lösungsansatz besteht darin, die Rotorwelle aus einem Material mit
verbessertem Hochtemperaturverhalten zu fertigen. Obwohl derartige Materialien
verfügbar sind, ergeben sich im praktischen Einsatz neben erhöhten Materialkosten
Probleme durch ein abweichendes Temperatur-Expansionsverhalten im
Vergleich zu den Materialien benachbarter Bauteile. Insbesondere transiente Vorgänge,
wie zum Beispiel das Starten der Maschine, bereiten durch die unterschiedlichen
zeitabhängigen Temperatur-Expansionsverhalten enorme Schwierigkeiten.
Schließlich ist es auch bekannt, Rotorwellen aus herkömmlichen Materialien über
eine zentrale Kühlmittelbohrung zu kühlen, welche die Rotorwelle durchsetzt. Eine
derartige Lösung ist jedoch äußerst kostenintensiv und darüber hinaus wenig effektiv.
EP 0 790 390 offenbart eine Kühlungseinrichtung mit der die Rotorwelle
höchstens indirekt und kann effektiv gekühlt werden könnte.
Die Erfindung versucht, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die
Aufgabe zugrunde, eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art anzugeben,
die es gestattet, die Rotorwelle lokal mit hoher Effektivität zu kühlen, so
dass die Lebensdauererwartung der Rotorwelle auch bei extrem hoher thermischer
Belastung nicht nennenswert beeinträchtigt wird.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass einzelne oder sämtliche Leitschaufeln
als Kühlschaufeln ausgebildet sind, die von einer Kühlluftversorgung
gespeist sind. Die Kühlschaufeln sind derart ausgebildet, dass sie in im Wesentlichen
radialer Richtung von Luftführungskanälen durchsetzt sind und im Bereich
der Schaufelspitzen Ausblaseöffnungen aufweisen, die auf die Rotorwelle ausgerichtet
sind.
Die Vorteile der Erfindung sind vielfältiger Natur und beziehen sich sowohl auf
technisch-konstruktive Vereinfachungen als auch auf aero-thermodynamische Aspekte.
Einer der Hauptvorteile der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch die direkte
Beaufschlagung der Rotorwelle mit Kühlluft die erzielbare Kühlwirkung optimal gestaltet
werden kann. Bereits eine vergleichsweise geringe Kühlluftmenge ist ausreichend,
um die Rotorwelle lokal auf einem niedrigen Temperatumiveau zu halten.
Der letztgenannte Effekt kann auf verschiedene Art und Weise genutzt werden.
Einerseits ist es möglich, herkömmliche, preisgünstige Materialien zur Herstellung
der Rotorwelle zu verwenden, auch wenn ein höheres Druckverhältnis als bisher
realisiert wird.
Selbst in thermisch stark belasteten Hochdruckverdichterstufen kann auf Hitzeschilde
vollständig verzichtet werden, da die Rotorwelle örtlich gezielt gekühlt werden
kann.
Aufgrund der hohen Kühleffektivität kann es ausreichend sein, lediglich einzelne
Leitschaufeln eines Leitschaufelkranzes als Kühlschaufeln auszubilden. Im Regelfall
sind jedoch sämtliche Laufschaufeln eines Schaufelkranzes gekühlt, da sich
auf diese Weise eine optimal vergleichmäßigte Beaufschlagung der Rotorwelle mit
Kühlluft erzielen läßt.
Andererseits erhöht sich die Lebensdauer der Beschaufelung infolge des durch
die Kühlluft bewirkten niedrigeren Temperaturniveaus. Dies betrifft nicht nur die
Kühlschaufeln, die von Kühlluft durchströmt werden, sondern auch die stromabgelegenen,
nicht gekühlten Schaufelkränze.
Insgesamt erniedrigt sich auch die Verdichteraustrittstemperatur, so dass sich der
aero-thermodynamische Wirkungsgrad des Verdichters verbessert.
Auch bewirkt die an den Schaufelspitzen austretende Kühlluft eine Verbesserung
der strömungsmechanischen Eigenschaften. So wird einerseits der Grenzschicht
durch den Kühlluftstrom kinetische Energie lokal zugeführt und beeinflusst diese
dadurch positiv. Andererseits verhindert der austretende Kühlluftstrom bei entsprechender
Gestaltung bzw. Anordnung der Ausblaseöffnungen eine Umströmung
der Leitschaufeln im Spalt zwischen den Schaufelspitzen und der Rotorwelle.
Leckverluste in diesem Bereich sind somit fast vollständig zu vermeiden.
Durch die Verbesserung dieser aero-thermodynamischen Verhältnisse zeigt der
Verdichter auch ein verbessertes Betriebsverhalten, das sich auch in einer deutlichen
Anhebung der Pumpgrenze niederschlägt.
Durch Variation von Auslegungsparametem der Luftführungskanäle, wie beispielsweise
Anzahl, Dimensionierung oder Ort der Anbringung, läßt sich das Schwingungsverhalten
der Schaufeln in weiten Grenzen variieren. Damit ist es möglich,
die Eigenfrequenz- und Flattercharakteristik in Grenzen so abzustimmen, dass
kritische Schwingungszustände nicht mehr auftreten.
Das Anbringen der Luftführungskanäle an den Leitschaufeln gestaltet sich in der
Regel denkbar einfach und kostengünstig, da Kühlschaufeln speziell in den thermisch
hochbelasteten hinteren Stufen von Verdichtern vorzusehen sind und diese
Leitschaufeln im Regelfall nicht oder nur wenig verwunden sind. Die Luftführungskanäle
können deshalb meist als einfache Bohrungen ausgeführt werden, die die
jeweilige Leitschaufel radial vollständig durchsetzen bzw. als in axialer Richtung
geneigt von einem zentralen Luftführungskanal abzweigen.
Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung hat darüber hinaus den Vorteil, dass sie
sehr leicht und präzise angesteuert werden kann. Die Kühlluft kann hierbei unmittelbar
vor- oder nachgeschalteten Verdichterstufen entnommen werden, bedarf
jedoch noch einer Aufbereitung dahingehend, dass sie mit höherem Druck und
niedrigerer Temperatur eingespeist wird, als dies den örtlichen Zustandsgrößen
der Hauptströmung entspricht. Sofern als Kühlluft ein Kühlluftstrom aus einer höheren
Verdichterstufe entnommen wird, muss dieser gekühlt werden. Wenn hingegen
ein Kühlluftstrom aus einer niedrigeren Verdichterstufe entnommen wird,
muss dieser zunächst extern weiter verdichtet und anschließend gekühlt werden.
Das erfindungsgemäße Kühlkonzept kann mit besonderem Vorteil auch bei Leiträdern
mit einem Deckband angewendet werden. Das Deckband ermöglicht eine
noch stärker vergleichmäßigte Ausbildung des Kühlfilms in Umfangsrichtung, da
die austretenden Kühlluftteilströme nicht direkt von der Hauptströmung erfasst und
mitgerissen werden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind darauf gerichtet, die
Kühlluft zugleich zur Beeinflussung der Spaltbreite zwischen den Leitschaufelspitzen
und der Rotorwelle zu verwenden. Hierzu sind die Kühlschaufeln in radialer
Richtung verschiebbar gelagert und werden gegen die Wirkung von Rückstellfedern
aus ihrer Ausgangsposition heraus durch den Druck der Kühlluft verschoben.
Damit ist es möglich, den Verdichterwirkungsgrad und insbesondere die
Pumpgrenze erheblich anzuheben. Dieser Effekt ist bei modernen Hochdruckverdichterstufen
deutlich ausgeprägt, da hier aus Sicherheitsgründen wegen des
trägen Ansprechverhaltens große Spaltbreiten vorgesehen werden müssen, um
ein Einlaufen der Schaufelspitzen in die Rotorwelle zuverlässig zu verhindern.
Die Rückstellfedern stellen eine Sicherheitsmaßnahme für den Fall dar, dass die
Kühlluftversorgung unterbrochen werden sollte. Die Kühlschaufeln kehren unmittelbar
in ihre Ausgangsposition zurück und vergrößern auf diese Weise den Spalt
zwischen den Schaufelspitzen und dem Rotor, so dass dieser auch im Falle einer
dann thermisch bedingten starken radialen Expansion nicht in Kontakt mit den
Schaufelspitzen kommen kann.
Gemäß einer konstruktiv besonders einfachen Umsetzung dieses Konzeptes ist
der Schaufelfuß der Kühlschaufeln mit einem kolbenförmigen Abschnitt versehen,
der in einem korrespondierend gestalteten zylinderförmigen Gehäuseabschnitt
unter Bildung eines Arbeitsraumes abgedichtet geführt ist. Der Arbeitsraum steht
in Verbindung mit der Kühlluftversorgung, so dass bei einer Beaufschlagung mit
Kühlluft nach Art eines Pneumatikzylinders die Kühlschaufeln ausgeschoben werden
können.
Bevorzugt stehen die Luftführungskanäle der Kühlluftschaufeln in kommunizierender
Verbindung mit dem jeweiligen Arbeitsraum, wodurch sich die Luftführung besonders
einfach gestaltet. Der von der Kühlluftversorgung eingespeiste Luftstrom
gelangt jeweils zunächst in den Arbeitsraum und bewirkt die Radialverschiebung
der Schaufel. Aus dem Arbeitsraum tritt der Kühlluftstrom nunmehr unmittelbar in
die Luftführungskanäle ein und verläßt die Schaufel im Bereich der Schaufelspitze
durch die Ausblaseöffnungen. Die Abstimmung der Geometrie der luftführenden
Kanalabschnitte und der Druckverhältnisse in der Druckluftversorgung ist derart,
dass die aus den Ausblaseöffnungen austretenden Luftstrahlen eine hohe Geschwindigkeit
besitzen und mit hoher Geschwindigkeit auf die gegenüberliegend
angeordnete Rotorwelle auftreffen. Die hierdurch realisierte Prallkühlung gewährleistet
einen optimalen Wärmeübergang und damit eine optimale Kühlwirkung für
die Rotorwelle.
Vorteilhafterweise sind jeweils zwei benachbarte Kühlschaufeln miteinander fest
verbunden und zwangsgekoppelt verschiebbar gelagert. Hierdurch vereinfacht
sich weiter der konstruktive Aufbau der Lagerung, ohne die Kühlwirkung nachteilig
zu beeinflussen.
Die Luftführungskanäle sind bevorzugt als Bohrungen, insbesondere als radiale
Durchgangsbohrungen ausgeführt, wodurch sich der Fertigungsaufwand minimal
halten läßt.
Bevorzugt weisen die Kühlschaufeln jeweils mehrere, insbesondere parallel zueinander
verlaufende Luftführungskanäle auf, so dass sich bei jeder der Kühlschaufeln
mehrere Teilkühlluftstrahlen ausbilden können. Dies erlaubt die Kühlung eines
Axialabschnittes der Rotorwelle entsprechend der axialen Breite des jeweiligen
Leitrades.
Ein ähnlicher Effekt läßt sich auch dann erzielen, wenn jeweils mehrere radialmündende
Ausblaseöffnungen vorgesehen sind, die auf einen gemeinsamen Luftführungskanal
zugreifen. Eine solche Lösung wird beispielsweise bei solchen
Kühlschaufeln angewendet, die verschiebbar mittels eines kolbenförmigen Abschnitts
am Schaufelfuß ausgestattet sind und deshalb aus Platzgründen keine
Mehrfachanordnung von Durchgangsbohrungen ermöglichen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen:
- Fig. 1
- Verdichterstufe im Teillängsschnitt;
- Fig. 2
- Schnitt A-A gem. Fig. 1 in vergrößerter Darstellung;
- Fig. 3
- erste Ausführungsvariante, Teillängsschnitt;
- Fig. 4
- zweite Ausführungsvariante, Teilansicht im Axialschnitt;
- Fig. 5
- dritte Ausführungsvariante, Teilansicht im Axialschnitt;
- Fig. 6
- vierte Ausführungsvariante im Teillängsschnitt mit einstellbarer Spaltbreite;
- Fig. 7
- Ansicht von links gem. Fig. 6;
- Fig. 8
- weitere Ausführungsvariante mit einstellbarer Spaltbreite, Teilansicht im Axialschnitt.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt,
wobei teilweise lediglich die Funktion verdeutlichende, abstrakte Symbole verwendet
wurden.
Das der Erfindung zugrundeliegende Konzept der Rotorkühlung ergibt sich insbesondere
aus den Fig. 1 und 2. Es ist eine typische Verdichterstufe eines Hochdruckverdichters
mit einem Lauf- und einem Leitrad, symbolisiert durch Laufschaufel
11 und Leitschaufel 12 dargestellt. Die Laufschaufeln 11 sind in an sich
bekannter Weise an einer Rotorwelle 18 angebracht, die in Drehrichtung D rotierend
antreibbar ist.
Den Laufschaufeln 11 sind die Leitschaufeln 12 nachgeschaltet, welche in bekannter
Weise an einem Gehäuseabschnitt 17 - und damit feststehend - angebracht
sind.
Die Leitschaufeln 12 sind als Kühlschaufeln ausgebildet. Sie weisen zu diesem
Zweck Luftführungskanäle 13 auf, die sich in radialer Richtung durchgehend innerhalb
der Kühlschaufel 12 erstrecken und im Bereich der Schaufelspitze 15 als
Ausblaseöffnungen 14 münden. Die Ausblaseöffnungen 14 sind auf die Rotorwelle
18 ausgerichtet.
Die Luftführungskanäle 13 sind in nicht näher dargestellter Art und Weise mit einer
Kühlluftversorgung verbunden, die Kühlluft zuführt. Der Druck ist hierbei so
gewählt, dass Kühlluftstrahlen K mit hoher Geschwindigkeit aus den Ausblaseöffnungen
14 austreten und auf die unmittelbar benachbarte Rotorwelle 18 auftreffen.
Die hierdurch erzielte Kühlwirkung ist enorm, da der Wärmeübergangskoeffizient
- und damit die übertragbare Kühlenergie - sehr hoch ist.
Wie sich beispielsweise aus Fig. 2 ergibt, müssen die Kühlluftkanäle 13 nicht
zwangsläufig einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. So kann beispielsweise
die Querschnittsform optimal an die Profil-Querschnittsform der Leitschaufel 12
angepasst sein, so dass sich ein hoher und optimal verteilter Luftdurchsatz realisieren
läßt. Weitere Vorteile ergeben sich andererseits dadurch, dass die Leitschaufel
12 bzw. deren umströmte Oberfläche, von innen gekühlt wird. Damit reduziert
sich auch die thermische Beanspruchung der Leitschaufel 12 mit den damit
verbundenen Vorteilen einer verlängerten Lebensdauer bzw. der Möglichkeit,
bereits im Zeitpunkt der Auslegung eine höhere Prozesstemperatur zuzulassen.
Die Fig. 3 bis 5 zeigen verschiedene Anwendungsvarianten in der konkreten Umsetzung
der erfindungsgemäßen Kühlkonzeption.
Eine Rotorwelle 38 weist in dem zu kühlenden Axialabschnitt eine umlaufende Nut
39 auf, in die eine Kühlschaufel 32 mit ihrer Schaufelspitze 35 radial hineinragt.
Wiederum sind Ausblaseöffnungen 34 vorgesehen, durch die Kühlluftstrahlen K
austreten.
Diese Konfiguration hat u. a. den Vorteil, dass die austretende Kühlluft K nicht unmittelbar
von der Hauptströmung H erfasst und mitgerissen wird. Dadurch ist die
lokale Kühlwirkung stärker ausgeprägt als beispielsweise bei der vorstehend beschriebenen
Konfiguration.
Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsvariante besitzt Kühlschaufeln 42, die mit einem
Deckband 46 im Bereich der Schaufelspitzen 45 miteinander verbunden sind.
Wiederum sind Ausblaseöffnungen 44 im Bereich der Schaufelspitzen 45 angeordnet,
durch die Kühlluftstrahlen K austreten. Diese treffen unmittelbar gegenüberliegend
auf eine Rotorwelle 48 auf und kühlen diese lokal. Zwischen dem
Deckband 46 und dem Rotor 48 ist ein in Umfangsrichtung durchgehender Ringspalt
49 vorhanden, so dass auch in diesem Fall ein gewisser Rückhalteeffekt für
die austretenden Kühlluftstrahlen K gegeben ist.
Bei der Ausführungsvariante gemäß Fig. 5 sind Kühlschaufeln 52 vorhanden, welche
Schaufelspitzen 55 aufweisen, die sich radial in Richtung auf eine Rotorwelle
58 hin trichterförmig erweitern. Im Bereich der Schaufelspitzen 55 sind wiederum
Ausblaseöffnungen 54 vorgesehen, durch die Kühlluftstrahlen K ausgestoßen
werden. Die Trichterform der Schaufelspitzen 55 ermöglicht die Beaufschlagung
der Rotorwelle 58 längs eines größeren Umfangsabschnittes als dies bei radial
geradlinig endenden Schaufeln möglich wäre.
Allen vorstehenden Ausführungsvarianten ist gemeinsam, dass durch die austretenden
Kühlluftstrahlen K eine Umströmung der Schaufelspitzen 15, 35, 45, 55
durch Teilströme der Hauptströmung H weitgehend oder sogar vollständig verhindert
wird. Die Pumpgrenze solchermaßen gekühlter Verdichterstufen sind somit
merklich höher als bei vergleichbaren Verdichtern ohne Kühleinrichtung aus dem
Stand der Technik.
Bei den Ausführungsvarianten gemäß Fig. 6 bis 8 ist eine weitere Anhebung der
Pumpgrenze und eine weitere Steigerung des Verdichterwirkungsgrades dadurch
möglich, dass der Radialspalt des Leitrades während des Betriebes eingestellt, d.
h. verkleinert werden kann.
Gemäß der in den Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsvariante weisen Kühlschaufeln
62 einen Schaufelfuß 67 nach Art eines kolbenförmigen Radialabschnittes
auf, der in einem korrespondierend gestalteten zylinderförmigen Gehäuseabschnitt
78 verschiebbar gelagert ist. Es entsteht ein Arbeitsraum 77, in
den ein Versorgungskanal 76 mündet. Durch den Versorgungskanal 76 wird aus
der hier nicht näher dargestellten Kühlluftversorgung Kühlluft dem Arbeitsraum 77
zugeführt.
Der Schaufelfuß 67 ist mit Dichtungsringen 73 versehen, so dass auf diese Weise
der Arbeitsraum 77 gegenüber dem zylindrischen Gehäuseabschnitt 78 abgedichtet
ist. Sobald der Arbeitsraum 77 mit Kühlluft beaufschlagt wird, erfolgt eine Verschiebung
der Kühlschaufel 62 auf die Rotorwelle 68 hin. Weiterhin tritt Kühlluft
aus dem Arbeitsraum 77 in Luftführungskanäle 63 ein und verläßt diese durch
Ausblaseöffnungen 64. Die Verschiebebewegung der Kühlschaufel 62 erfolgt gegen
die Wirkung von Rückstellfedern 74, die zwischen dem Schaufelfuß 67 und
dem Gehäuseabschnitt 78 im Bereich des Arbeitsraums 77 wirken. Die Rückstellfedern
74 haben einerseits die Wirkung, dass sie die Kühlschaufel 62 bei abgeschalteter
Kühlluftversorgung zurückziehen und auf diese Weise ein Spalt 70 zwischen
den Schaufelspitzen 65 und der Rotorwelle 68 eingestellt wird, der so breit
bemessen ist, dass ein Einlaufen der Schaufelspitze 65 in die Rotorwelle 68 sicher
verhindert wird. Andererseits wird bei eingeschalteter Kühlluftversorgung der
Spalt 70 soweit verkleinert, so dass durch die ausgestoßenen Kühlluftströme K ein
Luftkissen im Spalt 70 ausgebildet wird, welches nicht nur die Rotorwelle 68 kühlt,
sondern auch eine Umströmung der Kühlschaufel 62 im Bereich des Spalts 70 zuverlässig
verhindert. Der Verdichterwirkungsgrad und die Pumpgrenze lassen sich
hierdurch optimal steigern.
Die Breite des Spalts 70 kann bei entsprechender Ansteuerung der Kühlluftversorgung
variabel einstellbar gestaltet werden. Eine besonders einfache konstruktive
Lösung kann aber auch dadurch erreicht werden, dass ein hier nicht näher
dargestellter Anschlag vorgesehen ist, der den Verschiebeweg der Kühlschaufel
62 begrenzt und damit die minimale Breite des Spalts 70 vorgibt.
Die in den Fig. 6 und 7 dargestellte Variante zeichnet sich weiterhin dadurch aus,
dass jede der Kühlschaufeln 62 eines Leitschaufelkranzes einzeln verschieblich
gelagert ist. Diese Konfiguration beinhaltet einen zusätzlichen Sicherheitsaspekt
dahingehend, dass im Falle einer lokalen Störung bei einer einzelnen Kühlschaufel
62 - beispielsweise bei Verstopfung des Luftführungskanals 63 - die betroffene
Kühlschaufel 62 in ihre Ausgangslage zurückkehrt. Eine in Folge der ausbleibenden
internen Kühlung der Kühlschaufel 62 bewirkte thermische Expansion in radialer
Richtung führt nicht zu einem Einlaufen der Schaufelspitze 65 in die Rotorwelle
68.
Die in Fig. 8 dargestellte Variante zeigt eine Tandemanordnung zweier Kühlschaufeln
82 an einem gemeinsamen Schaufelträger 87. Im Bereich von Schaufelspitzen
85 ist ein Deckband 86 vorgesehen. Wiederum werden Kühlluftstrahlen
K aus den Kühlschaufeln 82 über Ausblaseöffnungen 84 ausgestoßen und prallen
auf eine Rotorwelle 88.
Im Unterschied zum vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind hier beide
Kühlschaufeln 82 gemeinsam radial verschiebbar ausgestaltet. Eine Rückstellfeder
94 wirkt unmittelbar auf den Schaufelträger 87 ein. Hierbei dient ein Gehäuseabschnitt
98 als rückwärtiger Anschlag für den Schaufelträger 87. Die Kühlluft K
wird jeder der beiden Kühlschaufeln 82 separat zugeführt, wobei als Längenausgleich
jeweils ein Balg 95 zwischen einem Versorgungskanal 96 und dem Schaufelträger
87 angeordnet ist.
- 11
- Laufschaufel
- 12
- Kühlschaufel, Leitschaufel
- 13
- Luftführungskanal
- 14
- Ausblaseöffnung
- 15
- Schaufelspitze
- 17
- Gehäuseabschnitt
- 18
- Rotorwelle
- 32
- Kühlschaufel
- 34
- Ausblaseöffnung
- 35
- Schaufelspitze
- 38
- Rotorwelle
- 39
- Nut
- 42
- Kühlschaufel
- 44
- Ausblaseöffnung
- 45
- Schaufelspitze
- 46
- Deckband
- 48
- Rotorwelle
- 49
- Ringspalt
- 52
- Kühlschaufel
- 54
- Ausblaseöffnung
- 55
- Schaufelspitze
- 58
- Rotorwelle
- 62
- Kühlschaufel
- 63
- Luftführungskanal
- 64
- Ausblaseöffnung
- 65
- Schaufelspitze
- 67
- Schaufelfuß
- 68
- Rotorwelle
- 70
- Spalt
- 73
- Dichtungsring
- 74
- Rückstellfeder
- 76
- Versorgungskanal
- 77
- Arbeitsraum
- 78
- Gehäuseabschnitt
- 82
- Kühlschaufel
- 84
- Ausblaseöffnung
- 85
- Schaufelspitze
- 86
- Deckband
- 87
- Schaufelträger
- 88
- Rotorwelle
- 94
- Rückstellfeder
- 95
- Balg
- 96
- Versorgungskanal
- 98
- Gehäuseabschnitt
- H
- Hauptströmung
- K
- Kühlluft
- D
- Drehrichtung
Claims (10)
- Strömungsmaschine, insbesondere Verdichter einer Gasturbine mit Laufschaufeln und Leitschaufeln, die zu wenigstens einem Laufrad und einem Leitrad angeordnet sind, und mit wenigstens einer Rotorwelle, die mittels einer Kühleinrichtung gekühlt ist, wobei einzelne oder sämtliche Leitschaufeln (12, 32, 42, 52, 62, 82) als von einer Kühlluftversorgung gespeiste Kühlschaufeln derart ausgebildet sind, dass sie von Luftführungskanälen (13, 63) durchsetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Bereich der Schaufelspitzen (15, 35, 45, 55, 65, 85) Ausblaseöffnungen (14, 34, 44, 54, 64, 84) aufweisen, die auf die Rotorwelle (18, 38, 48, 68, 88) ausgerichtet sind, so daß die Rotorwelle mit Kühlluft direkt beaufschlagt wird.
- Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne oder sämtliche Leitschaufeln eines Leitrades als Kühlschaufeln (12, 32, 42, 52, 62, 82) ausgebildet sind.
- Strömungsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitrad ein Deckband (46, 86) aufweist.
- Strömungsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschaufeln (12, 32, 42, 52, 62, 82) durch den Druck der Kühlluft (K) aus einer Ausgangsposition heraus gegen die Wirkung von Rückstellfedern (74, 94) verschiebbar gelagert sind.
- Strömungsmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufeifuß (67) der Kühlschaufeln (62) einen kolbenförmigen Abschnitt aufweist, der in einem korrespondierenden zylinderförmigen Gehäuseabschnitt (78) unter Bildung eines Arbeitsraumes (77) abgedichtet geführt ist, wobei der Arbeitsraum (77) in kommunizierender Fluidverbindung mit der Kühlluftversorgung steht.
- Strömungsmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftführungskanal (63) in kommunizierender Fluidverbindung mit dem jeweiligen Arbeitsraum (77) steht.
- Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei benachbarte Kühlschaufeln (82) miteinander fest verbunden und zwangsgekoppelt verschiebbar sind.
- Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftführungskanäle (13, 63) als Bohrungen, bzw. als Durchgangsbohrungen ausgeführt sind.
- Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschaufeln (12, 32, 52, 62, 82) jeweils mehrere, bzw. parallel zueinander verlaufende Luftführungskanäle (13) aufweisen.
- Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschaufeln (12, 32, 42, 52, 62, 82) jeweils mehrere, bzw. an der Schaufelspitze (15, 35, 45, 55, 65, 85) mündende Ausblaseöffnungen (14, 34, 44, 54, 64, 84) aufweisen.
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