EP1276971A1

EP1276971A1 - Rotor für eine gasturbine

Info

Publication number: EP1276971A1
Application number: EP00903479A
Authority: EP
Inventors: Jörn-Axel GLAHN; Armin Heger; Jörg Pross
Original assignee: Alstom Technology AG; Alstom Schweiz AG
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2000-02-21
Filing date: 2000-02-21
Publication date: 2003-01-22
Anticipated expiration: 2020-02-21
Also published as: EP1276971B1; AU2000225311A1; DE50013243D1

Abstract

Bei einem Rotor (10) für eine Gasturbine, welcher Rotor (10) eine Mehrzahl von in einer Rotorachse (11) hintereinander angeordneten, miteinander verschweissten Rotorscheiben (14, 15; 20, 21) umfasst, und welcher Rotor sich zwischen einem Kompressorteil (12) und einem Turbinenteil (13) erstreckt und eine zwischen beiden Teilen (12, 13) verlaufende Zentralbohrung (19) mit einem Innendurchmesser (D1) aufweist, wobei erste Mittel (16, 17, 18) vorhanden sind, welche im Kompressorteil (12) Kühlluft abzweigen und durch den Rotor (10) radial nach innen in die Zentralbohrung (19) führen, und wobei zweite Mittel vorhanden sind, welche im Turbinenteil (13) die Kühlluft aus der Zentralbohrung (19) durch den Rotor (10) hindurch radial nach aussen führen, wird ein verlustarm geführter hoher Kühlluft-Massenstrom bei gleichzeitig guter mechanischer Festigkeit dadurch erreicht, dass die ersten Mittel eine Mehrzahl von ersten radialen Bohrungen (16) umfassen, welche ersten radialen Bohrungen (16) von aussen nach innen durch eine erste Rotorscheibe (14) verlaufen und in einen in dieser ersten Rotorscheibe (14) konzentrisch zur Rotorachse (11) angeordneten, ersten ringförmigen Hohlraum (17) münden, dass der erste Hohlraum (17) mit der Zentralbohrung (19) in Verbindung steht, dass der erste Hohlraum (17) einen äusseren Durchmesser (D2) aufweist, welcher grösser ist als der Innendurchmesser (D1) der Zentralbohrung (19), und dass der erste Hohlraum (17) durch eine Mehrzahl von radial angeordneten ersten Rippen (18) in einzelne Kammern (27) unterteilt ist.

Description

ROTOR FÜR EINE GASTURBINE

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Technik der Gasturbinen. Sie betrifft einen Rotor für eine Gasturbine, welcher Rotor eine Mehrzahl von in einer Rotorachse hintereinander angeordneten, miteinander verbundenen, insbesondere verschweissten, Rotorscheiben umfasst, und welcher Rotor sich zwischen einem Kompressorteil und einem Turbinenteil erstreckt und eine zwischen beiden Teilen verlaufende Zentralbohrung mit einem Innendurchmesser aufweist, wobei erste Mittel vorhanden sind, welche im Kompressorteil Kühlluft abzweigen und durch den Rotor radial nach innen in die Zentralbohrung führen, und wobei zweite Mittel vorhanden sind, welche im Turbinenteil die Kühlluft aus der Zentralbohrung durch den Rotor hindurch radial nach aussen führen.

Eine Führung des Kühlluftstroms über die Zentralbohrung im Rotor ist z.B. aus der US-A-5,271 ,711 bekannt.

STAND DER TECHNIK

An die Rotoren von Gasturbinen werden die unterschiedlichsten Anforderungen gestellt. Insbesondere sollen die Rotoren so ausgelegt sein, dass Kühlluft-Mas- senströme am Verdichter (Kompressor) entnommen und verlustarm durch die Zentralbohrung des Rotors zur (Niederdruck-)Turbine geführt werden können, um dort Laufschaufeln zu kühlen. Der Rotor soll dabei zugleich auch durch Zusam- menschweissen aus einzelnen Scheiben hergestellt werden können und insgesamt kostengünstig zu fertigen sein.

Um die Strömungsverluste gering zu halten, muss vermieden werden, dass sich Drallströmungen im Kühlluftstrom ausprägen können. Darum muss die Kühlluft auf ihrem radialen Weg zur und von der Zentralbohrung geführt werden. Fertigungstechnisch bieten sich dafür radiale Bohrungen an. Grosse Kühlluft-Massenströme verlangen jedoch grosse Querschnitte der Bohrungen, so dass die Bohrungen in der benötigten Anzahl und Grosse schon bei einem Durchmesser zusammenlaufen, der deutlich über dem Innendurchmesser der Zentralbohrung liegt.

Eine weitere Lösungsmöglichkeit sind (radiale) Rippen, welche die Hohlräume zwischen den Scheiben des Rotors in kleinere Kammern aufteilen und so die Drallbildung im Kühlluft-Massenstrom verhindern. Solche Rippen sind jedoch aufwendig in der Fertigung und werden durch die bei den hohen Drehzahlen des Rotors auftretenden Kräfte mechanisch hoch beansprucht. Bei geschweissten Rotoren kommt die weitere Einschränkung hinzu, dass diese Rotoren nur unter grossen Schwierigkeiten repariert werden können, d.h., geschweisste Rotoren müssen so ausgelegt werden, dass eine Rissbildung ausgeschlossen werden kann.

Die bekannten Lösungen erfüllen nur einen Teil der o.g. Anforderungen. Zum Teil sind die Scheiben als Komponenten verschraubter Rotoren ausgelegt. Diese Fügetechnik erlaubt mehr Freiheitsgrade in der Geometrie der Scheiben, so dass die erwähnten Rippen leichter realisiert werden können. Ausserdem ist ein geschraubter Rotor reparierbar. Bei geschweissten Rotoren ist dies so nicht der Fall. Zum Teil sind die Scheiben aber auch nur für kleinere Kühlluft-Massenströme ausgelegt. In diesem Fall können die Kühlluftbohrungen bis nahe an die Zentralbohrung geführt werden, ohne dass es zu Ueberschneidungen kommt. Eine Lösung, welche alle Anforderungen gleichermassen erfüllt, ist nicht bekannt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Rotor für eine Gasturbine zu schaffen, welcher die Nachteile bekannter Rotoren vermeidet und insbesondere die verlustarme Führung grosser Kühlluft-Massenströme bei gleichzeitig grosser mechanischer Stabilität ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, radiale Bohrungen und einen durch Rippen unterteilten Hohlraum so miteinander zu kombinieren, dass einerseits mit den Bohrungen eine grosser Gesamtquerschnitt für die Kühlluft erreicht wird, und dass andererseits die Rippen nur einer vergleichsweise moderaten Fliehkraft ausgesetzt sind. Im ausseren, durch die Fliehkräfte am stärksten beanspruchten Bereich des Rotors wird die Luft durch radiale Bohrungen entnommen. Das Ende der Bohrungen wird soweit in Richtung auf die Rotorachse verlegt, dass die Austrittsöffnungen einen akzeptablen Abstand voneinander haben. Der Hohlraum, in den die Bohrungen münden, und in den die Kühlluft dann eingeblasen wird, wird durch relativ kurze Rippen in Kammern unterteilt, die einen Drallaufbau verhindern. Diese kurzen Rippen haben den Vorteil, dass sie auf einem verhältnismässig kleinen ausseren Radius des Hohlraums enden, und so die belastenden Zentrifugalkräfte klein gehalten werden.

Grundsätzlich können die Bohrungen unterschiedliche Durchmesser aufweisen und einen Abstand voneinander haben, der zunächst beliebig sein kann und so gewählt wird, dass die Anforderungen bezüglich Festigkeit, Herstellbarkeit und Aerodynamik erfüllt werden. Eine erste bevorzugte Ausführungsform des Rotors nach der Erfindung ist jedoch dadurch gekennzeichnet, dass alle ersten radialen Bohrungen denselben Bohrungsdurchmesser aufweisen, und dass der äussere Durchmesser des ersten Hohlraums so gewählt ist, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten ersten radialen Bohrungen an der Mündung zum ersten Hohlraum in etwa dem Bohrungsdurchmesser entspricht. Durch diese Bemessung wird ein optimierter Kompromiss zwischen Massenstrom und Rippenbeanspruchung erreicht.

Eine weitere Verbesserung der Festigkeit der Rippen ergibt sich, wenn gemäss einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die ersten Rippen im Zentrum des ersten Hohlraums in einer gemeinsamen Nabe zusammenlaufen.

Besonders einfach wird die Fertigung, wenn gemäss einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Rotors der erste Hohlraum und die darin befindlichen ersten Rippen durch Ausfräsen von einer Seite aus der ersten Rotorscheibe herausgearbeitet sind, und der erste Hohlraum durch eine benachbarte Rotorscheibe begrenzt wird.

Je nach Führung des Kühlluft-Massenstromes können die ersten radialen Bohrungen in einer zur Rotorachse senkrechten Ebene verlaufen, oder in axialer Richtung angestellt sein. Es ist kann aus strömungstechnischen Gründen aber auch vorteilhaft sein, wenn die ersten radialen Bohrungen in tangentialer Richtung angestellt sind.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen Fig. 1 im Längsschnitt einen Abschnitt eines Rotors gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 2 den Querschnitt durch den Rotor nach Fig. 1 entlang der Ebene

II.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist im Längsschnitt ein Abschnitt eines Rotors gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Rotor 10, der rotationssymmetrisch zur Rotorachse 11 ausgebildet ist, ist aus einer Mehrzahl von einzelnen, in Richtung der Rotorachse 11 hintereinander angeordneten Rotorscheiben zusammengesetzt, die (in diesem Fall) miteinander verschweisst sind. Dargestellt sind in Fig. 1 nur vier ausgewählte Rotorscheiben 14, 15, 20 und 21 , die durch entsprechende Schweissnähte 25 bzw. 26 untereinander verbunden sind. Die (benachbarten) Rotorscheiben 14 und 15 befinden sich im Kompressorteil 12 der zum Rotor 10 gehörenden Gasturbine. Die (benachbarten) Rotorscheiben 20, 21 liegen im Turbinenteil 13 der Gasturbine.

Zur Kühlung der Schaufeln im Turbinenteil 13 wird im Kompressorteil 12 Kühlluft abgezweigt und in einer Zentralbohrung 19 des Rotors 10 vom Kompressorteil 12 zum Turbinenteil 13 geführt und dort in die aussen auf dem Rotor 10 befindlichen (in Fig. 1 nicht gezeigten) Schaufeln eingeleitet (Pfeile in Fig. 1). Die Zentralbohrung 19 hat einen im Vergleich zum Aussendurchmesser des Rotors 10 relativ kleinen Innendurchmesser D1. Würden daher die in der Rotorscheibe 14 angeordneten radialen Bohrungen 16, welche die abgezweigte Kühlluft durch das Innere des Rotors 10 zur Zentralbohrung 19 führen, ganz bis zur Zentralbohrung 19 geführt werden, hätten auf dem Umgang der Zentralbohrung 19 nur wenige Bohrungen Platz, so dass sich nur ein begrenzter Kühlluft-Massenstrom ergäbe. Um Platz für mehr Bohrungen (bzw. Bohrungen mit grösserem Bohrungsdurchmesser) zu schaffen, wird in der Rotorscheibe 14 ein ringförmiger Hohlraum 17 angeordnet, der einen ausseren Durchmesser D2 aufweist, welcher deutlich grosser ist als der Innendurchmesser D1 der Zentralbohrung 19. In diesen Hohlraum 17, der im Querschnittsprofil strömungsgünstig ausgebildet ist, münden die radialen Bohrungen 16 (siehe auch Fig. 2). Der Hohlraum 17 erstreckt sich soweit zur Rotorachse 11 nach innen, dass er mit der Zentralbohrung 19 in Verbindung steht. Er ist vorzugsweise von einer Seite in die Rotorscheibe 14 hineingefräst und wird an dieser Seite durch die benachbarte Rotorscheibe 15 begrenzt. Der Abstand der benachbarten Rotorscheiben 14, 15 richtet sich dabei nach den Toleranzen bei der Verschweissung und den thermischen und mechanischen Dehnungen im Betrieb. Die beiden Scheiben dürfen jedenfalls in keinem Betriebszustand in Kontakt kommen.

Der äussere Durchmesser D2 des Hohlraums 17 ist vorzugsweise so gewählt, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten radialen Bohrungen 16 an der Mündung zum ersten Hohlraum 17 in etwa dem Bohrungsdurchmesser D3 entspricht (Fig. 2). Damit die Kühlluftströmung beim Durchqueren des Hohlraumes 17 von den Mündungen der radialen Bohrungen 16 zur Zentralbohrung 19 keinen unerwünschten Drall bekommt, wird der Hohlraum durch radiale Rippen 18 in einzelne Kammern 27 (Fig. 2) unterteilt. Die Rippen 18 werden beim Ausfräsen des Hohlraumes 17 stehengelassen, so dass im Zentrum eine (gemeinsame) Nabe 28 entsteht, in welcher die Rippen 18 zusammenlaufen, und die Rippen 18 am Aus- trittsumfang der radialen Bohrungen 16 enden. Dadurch wird die Rotorscheibe 14 mechanisch entlastet.

Die Kühlluft kann im Turbinenteil 13 in analoger Weise aus der Zentralbohrung 19 durch das Innere des Rotors 10 nach aussen geführt werden. Hierzu sind in der Rotorscheibe 21 entsprechende radiale Bohrungen 22 vorgesehen, die von einem ringförmigen, durch Rippen 24 unterteilten Hohlraum 23 ausgehen, der mit der Zentralbohrung 19 in Verbindung steht. Für den ausseren Durchmesser D4 des Hohlraumes 23 gelten dabei dieselben Ueberlegungen wie beim Hohlraum 17.

Im Rahmen der Erfindung kann der Rotor 10 den Erfordernissen entsprechend unter grossen Variationen der Bohrungs- und Rippenzahl aus vorgeschmiedeten Rotorscheiben gefertigt werden. Die Bohrungen 16, 22 können dabei nicht nur rein radial, sondern sowohl in tangentialer als auch - wie in Fig. 1 gezeigt - in axialer Richtung angestellt sein.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine Konstruktion, welche die folgenden Merkmale und Vorteile aufweist:

- Die einfach herzustellenden radialen Bohrungen sind so lang wie möglich;

- die festigkeitsmässig und fertigungstechnisch ungünstigen Rippen sind so kurz wie möglich;

- die geforderten grossen Massenströme können realisiert werden;

- die Konstruktion ist schweissbar;

- der Fertigungsaufwand hält sich im Rahmen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Rotor (Gasturbine)

11 Rotorachse

12 Kompressorteil

13 Turbinenteil

14,15 Rotorscheibe

16,22 radiale Bohrung

17,23 Hohlraum

18,24 Rippe

19 Zentralbohrung 20,21 Rotorscheibe

25,26 Schweissnaht

27 Kammer

28 Nabe

D1 Innendurchmesser (Zentralbohrung)

D2,D4 äusserer Durchmesser (Hohlraum)

D3 Bohrungsdurchmesser (radiale Bohrung)

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Rotor (10) für eine Gasturbine, welcher Rotor (10) eine Mehrzahl von in einer Rotorachse (1 1) hintereinander angeordneten, miteinander verbundenen, insbesondere verschweissten, Rotorscheiben (14, 15; 20, 21) umfasst, und welcher Rotor sich zwischen einem Kompressorteil (12) und einem Turbinenteil (13) erstreckt und eine zwischen beiden Teilen (12, 13) verlaufende Zentralbohrung (19) mit einem Innendurchmesser (D1) aufweist, wobei erste Mittel (16, 17, 18) vorhanden sind, welche im Kompressorteil (12) Kühlluft abzweigen und durch den Rotor (10) radial nach innen in die Zentralbohrung (19) führen, und wobei zweite Mittel vorhanden sind, welche im Turbinenteil (13) die Kühlluft aus der Zentralbohrung (19) durch den Rotor (10) hindurch radial nach aussen führen, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel eine Mehrzahl von ersten radialen Bohrungen (16) umfassen, welche ersten radialen Bohrungen (16) von aussen nach innen durch eine erste Rotorscheibe (14) verlaufen und in einen in dieser ersten Rotorscheibe (14) konzentrisch zur Rotorachse (11) angeordneten, ersten ringförmigen Hohlraum (17) münden, dass der erste Hohlraum (17) mit der Zentralbohrung (19) in Verbindung steht, dass der erste Hohlraum (17) einen ausseren Durchmesser (D2) aufweist, welcher grosser ist als der Innendurchmesser (D1) der Zentralbohrung (19), und dass der erste Hohlraum (17) durch eine Mehrzahl von radial angeordneten ersten Rippen (18) in einzelne Kammern (27) unterteilt ist.

2. Rotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass alle ersten radialen Bohrungen (16) denselben Bohrungsdurchmesser (D3) aufweisen, und dass der äussere Durchmesser (D2) des ersten Hohlraums (17) so gewählt ist, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten ersten radialen Bohrungen (16) an der Mündung zum ersten Hohlraum (17) in etwa dem Bohrungsdurchmesser (D3) entspricht.

3. Rotor nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Rippen (18) im Zentrum des ersten Hohlraums (17) in einer gemeinsamen Nabe (28) zusammenlaufen.

4. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hohlraum (17) und die darin befindlichen ersten Rippen (18) durch Ausfräsen von einer Seite aus der ersten Rotorscheibe (14) herausgearbeitet sind, und dass der erste Hohlraum (17) durch eine benachbarte Rotorscheibe (15) begrenzt wird.

5. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten radialen Bohrungen (16) in einer zur Rotorachse (11) senkrechten Ebene verlaufen.

6. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten radialen Bohrungen (16) in axialer Richtung angestellt sind.

7. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten radialen Bohrungen (16) in tangentialer Richtung angestellt sind.

8. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel eine Mehrzahl von zweiten radialen Bohrungen (22) umfassen, welche zweiten radialen Bohrungen (22) von innen nach aussen durch eine zweite Rotorscheibe (21) verlaufen und mit der Zentralbohrung (19) in Verbindung stehen.

9. Rotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten radialen Bohrungen (22) von einem in der zweiten Rotorscheibe (21) konzentrisch zur Rotorachse (11 ) angeordneten, zweiten ringförmigen Hohlraum (23) ausgehen, dass der zweite Hohlraum (23) mit der Zentralbohrung (19) in Verbindung steht, dass der zweite Hohlraum (23) einen ausseren Durchmesser (D4) aufweist, welcher grosser ist als der Innendurchmesser (D1) der Zentralbohrung (19), und dass der zweite Hohlraum (23) durch eine Mehrzahl von radial angeordneten zweiten Rippen (24) in einzelne Kammern unterteilt ist.