EP1564376B1 - Rotorkonstruktion für Turbomaschine - Google Patents

Rotorkonstruktion für Turbomaschine Download PDF

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EP1564376B1
EP1564376B1 EP05100785.4A EP05100785A EP1564376B1 EP 1564376 B1 EP1564376 B1 EP 1564376B1 EP 05100785 A EP05100785 A EP 05100785A EP 1564376 B1 EP1564376 B1 EP 1564376B1
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EP
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rotor
rotor core
rings
cooling air
hot gas
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EP1564376A3 (de
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Klaus DÖBBELING
Joachim Krautzig
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Ansaldo Energia Switzerland AG
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Ansaldo Energia Switzerland AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F04D29/321—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps for axial flow compressors
    • 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
    • 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
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/5853—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps heat insulation or conduction

Definitions

  • the present invention relates to the field of turbomachinery. It relates to a rotor according to the preamble of claim 1.
  • Rotors for high-temperature use in gas or steam turbines are preferably made of ferritic steels because of the lower material costs, the better weldability and ultrasound testability and because of the better fracture mechanical properties. Above 450 ° C, however, the mechanical properties of ferritic steels decrease so much that the use of austenitic steels becomes necessary.
  • the rotor located in gas turbines below the hot gas channel is shielded by separate blades and heat shields made of high temperature materials.
  • this shield has a highly segmented structure and the individual elements are attached to the rotor only by hooks of various types. If a ferritic material is used for the rotor, relatively large amounts of cooling air of at most 450 ° C for flushing the spaces between the rotor and the shielding elements are required. Compressors, even if they have outlet temperatures greater than about 450 ° C, have so far been mostly designed without any shielding and cooling because the clean shield provides little help against excessive peak loads and cooling with recirculation of cooling air into the compressor duct Efficiency deteriorates.
  • the essence of the invention is a rotor core of a first favorable Material that is not sufficient for the higher temperatures in the hot gas channel or cooling air channel, and then concentrically surround the rotor core with shielding rings of a second material, which shield the rotor core against the higher temperature in the hot gas channel or cooling air duct, the second material opposite the first material has a higher heat resistance.
  • the shielding rings are connected to the rotor core cohesively.
  • the first material is a ferritic steel and the second material is an austenitic steel. It has proven particularly useful to connect the shielding rings with the rotor core by soldering or welding. The shielding effect can be further improved if additional cooling channels for the passage of cooling air are provided on the inside of the shielding rings.
  • the shielding rings can be designed exclusively for shielding the rotor core and each have a flat rectangular or wedge-shaped cross section, or, if they shield the rotor core against the temperatures in the hot gas duct, can be designed to accommodate moving blades.
  • the shielding rings each have a cross-sectional profile in the form of a double T in order to achieve greater radial flexibility and thermal insulation.
  • a rotor 11 of a compressor 10 is shown in longitudinal section.
  • the compressor 10 is part of a gas turbine.
  • the section includes the high-pressure and output stages of the multi-stage compressor 10.
  • the rotor 11 is rotatably mounted within the compressor 10 about a rotor axis 21.
  • the rotor 11 consists of a plurality of rotor rings 16a, 16b, 16c arranged in succession in the axial direction, which are connected to one another by welds 15, 17.
  • the rotor 11 is surrounded concentrically by a hot gas channel 12 through which the compressed gas (air) flows in the direction of the drawn arrows.
  • blades 13 and vanes 14 are arranged in alternating rows in the axial direction one behind the other.
  • the vanes 14 are mounted on the hot gas channel 12 enclosing housing.
  • the blades 13 are fixed to the rotor 11 and rotate with the rotor 11 about the rotor axis 21.
  • the central rotor ring 16b in the section of which the high-pressure and output stages of the compressor 10 are located, and which is correspondingly exposed to the highest temperatures in the hot gas duct 12 (or in the cooling air duct), is composed of two different materials: the main component is a solid, central rotor core 22 made of a ferritic steel.
  • Several shielding rings 18 made of austenitic steel with a double T-shaped cross-sectional profile are pushed onto this rotor core one behind the other in the axial direction and welded to the rotor core 22 on the ring inner surface (welded connection 19). In another embodiment, they are soldered. Between adjacent shielding rings 18 are on the outer periphery recesses provided, which serve for receiving and holding the blades 13.
  • the thermal capacity of the rotor 11 is improved, without the rotor must be made entirely of an austenitic material.
  • the austenitic material shielding rings 18 between the hot gas passage 13 of the compressor or the turbine cooling air passage and the ferritic material rotor core 22, the temperatures at the compressor outlet and the cooling air in the cooling air passage can be raised by about 100 ° C.
  • the present invention proposes to use a rotor with a rotor core made of ferritic material, which is surrounded by relatively thin shielding rings of austenitic material, which are firmly connected to the rotor core by soldering or welding.
  • the cross-section of the shielding rings may vary depending on the local requirements: Wide and flat rectangular cross-sections, which are not the subject of the present invention, with a cylindrical or conical outer surface are particularly suitable for purely shielding purposes.
  • Individual rings may be provided with hooks for holding rotor blades.
  • the inventive rings with double T-profile allow greater radial flexibility and thermal insulation.
  • channels for a cooling medium may be integrated on the inner circumference of the shielding rings.

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Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Turbomaschinen. Sie betrifft einen Rotor gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
    • STAND DER TECHNIK
  • Rotoren für den Hochtemperatureinsatz bei Gas- oder Dampfturbinen werden wegen der niedrigeren Materialkosten, der besseren Schweissbarkeit und Ultraschall-Testbarkeit und wegen der günstigeren bruchmechanischen Eigenschaften vorzugsweise aus ferritischen Stählen hergestellt. Oberhalb von 450°C fallen jedoch die mechanischen Eigenschaften von ferritischen Stählen so stark ab, dass der Einsatz von austenitischen Stählen notwendig wird.
  • Seit langer Zeit wird der in Gasturbinen unterhalb des Heissgaskanals liegende Rotor durch separate Schaufeln und Hitzeschilde aus Hochtemperaturmaterialien abgeschirmt. Diese Abschirmung hat jedoch eine hochgradig segmentierte Struktur und die einzelnen Elemente sind nur durch Haken verschiedener Art am Rotor befestigt. Wenn ein ferritisches Material für den Rotor eingesetzt wird, werden relativ grosse Mengen Kühlluft von maximal 450°C zur Spülung der Zwischenräume zwischen dem Rotor und den Abschirmelementen benötigt.
    Kompressoren sind, selbst wenn sie Auslasstemperaturen von mehr als etwa 450°C hatten, bisher meist ohne irgendeine Abschirmung und Kühlung ausgelegt worden, weil die reine Abschirmung nur wenig Hilfe gegen zu hohe Spitzenlasten bringt und die Kühlung mit einer Rückführung von Kühlluft in den Kompressorkanal den Wirkungsgrad verschlechtert.
  • Gleichwohl ist auch bei Kompressoren bereits der Einsatz von Hitzeschilden zur Abschirmung des Rotors vom Heissgaskanal vorgeschlagen worden (siehe die US-A-5,842,831 und die US-BI-6,416,276 ). Die Hitzeschilde sind bei diesen bekannten Abschirmungen formschlüssig am Rotor befestigt. Sie weisen daher dieselben Nachteile auf, die weiter oben bereits für die Gasturbinen mit segmentierter Abschirmung angeführt worden sind. Es ist ebenfalls bekannt den Rotor aus zwei verschiedenen Teilen herzustellen, nämlich einen Rotorkern und z.B. hohl zylindrische Abschirmungen, die aus verschiedenen Materialien angefertigt werden und die anschließend mittels einer stoffschlüssigen Verbindung miteinander verbunden werden. Diese Vorgehensweise ist z.B. aus US6350325 , EP0264936 und GB616432 bekannt.
    • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Rotor für den Betrieb bei erhöhten Temperaturen zu schaffen, der die Nachteile bekannter Rotoren vermeidet und insbesondere die Verwendung eines günstigeren Materials für den Rotor ermöglicht, ohne wesentliche Abstriche bei der Betriebstemperatur und dem Wirkungsgrad der Maschine machen zu müssen.
    Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, einen Rotorkern aus einem ersten günstigen Material zu fertigen, das für die höheren Temperaturen im Heissgaskanal bzw. Kühlluftkanal nicht ausreicht, und dann den Rotorkern konzentrisch mit Abschirmringen aus einem zweiten Material zu umgeben, welche den Rotorkern gegen die höhere Temperatur im Heissgaskanal bzw. Kühlluftkanal abschirmen, wobei das zweite Material gegenüber dem ersten Material eine höhere Wärmefestigkeit aufweist. Die Abschirmringe werden dabei mit dem Rotorkern stoffschlüssig verbunden.
    Bevorzugt ist das erste Material ein ferritischer Stahl und zweite Material ein austenitischer Stahl.
    Es hat sich besonders bewährt, die Abschirmringe mit dem Rotorkern durch Löten oder Schweissen zu verbinden.
    Die Abschirmwirkung lässt sich weiter verbessern, wenn auf der Innenseite der Abschirmringe zusätzlich Kühlkanäle für das Durchströmen von Kühlluft vorgesehen sind.
    Je nach Position innerhalb des Rotors können die Abschirmringe ausschliesslich zur Abschirmung des Rotorkerns ausgebildet sein und jeweils einen flachen rechteckigen oder keilförmigen Querschnitt aufweisen, oder sie können, wenn sie den Rotorkern gegen die Temperaturen im Heissgaskanal abschirmen, zur Aufnahme von Laufschaufeln ausgebildet sein. Erfindungsgemäss weisen die Abschirmringe jeweils ein Querschnittsprofil in Form eines doppelten T auf, um eine grössere radiale Flexibilität und Wärmeisolierung zu erreichen.
  • Die oben erwähnten flachen rechteckigen oder keilförmigen Querschnitte sind somit nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
    • KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die einzige Figur zeigt in einem längsgeschnittenen Ausschnitt den Rotor eines Kompressors gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
    • WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • In der Figur ist der Ausschnitt eines Rotors 11 eines Kompressors 10 im Längsschnitt wiedergegeben. Der Kompressor 10 ist Teil einer Gasturbine. Der Ausschnitt umfasst die Hochdruck- und Ausgangsstufen des mehrstufigen Kompressors 10. Der Rotor 11 ist innerhalb des Kompressors 10 um eine Rotorachse 21 drehbar gelagert. Der Rotor 11 besteht aus mehreren in axialer Richtung hintereinander angeordneten Rotorringen 16a, 16b, 16c, die durch Schweissnähte 15, 17 miteinander verbunden sind. Der Rotor 11 ist konzentrisch von einem Heissgaskanal 12 umgeben, durch den in Richtung der eingezeichneten Pfeile das komprimierte Gas (Luft) strömt.
  • Im Heissgaskanal 12 sind in alternierenden Reihen in axialer Richtung hintereinander Laufschaufeln 13 und Leitschaufeln 14 angeordnet. Die Leitschaufeln 14 sind am den Heissgaskanal 12 umschliessenden Gehäuse angebracht. Die Laufschaufeln 13 sind am Rotor 11 befestigt und drehen sich mit dem Rotor 11 um die Rotorachse 21.
  • Der mittlere Rotorring 16b, in dessen Abschnitt sich die Hochdruck- und Ausgangsstufen des Kompressors 10 befinden, und der entsprechend den höchsten Temperaturen im Heissgaskanal 12 (oder im Kühlluftkanal) ausgesetzt ist, ist aus zwei unterschiedlichen Materialien aufgebaut: Hauptbestandteil ist ein massiver, zentraler Rotorkern 22 aus einem ferritischen Stahl. Auf diesen Rotorkern sind in axialer Richtung hintereinander mehrere Abschirmringe 18 aus austenitischem Stahl mit Doppel-T-förmigem Querschnittsprofil aufgeschoben und an der Ringinnenfläche mit dem Rotorkern 22 verschweisst (Schweissverbindung 19). In einem anderen Ausführungsbeispiel sind sie verlötet. Zwischen benachbarten Abschirmringen 18 sind am äusseren Umfang Aussparungen vorgesehen, die zur Aufnahme und Halterung der Laufschaufeln 13 dienen. Unterhalb der Laufschaufeln 13 befinden sich zwischen den Abschirmringen 18 Hohlräume. Durch den T-förmigen Fussbereich der Abschirmringe 18 verlaufen kurz oberhalb der Schweissverbindungen 19 in axialer Richtung zusätzliche Kühlkanäle 20, welche die thermische Entkopplung zwischen Rotorkern 22 und Heissgaskanal 12 bzw. Kühlluftkanal weiter verbessern.
    Durch die vorliegende Erfindung wird die thermische Belastbarkeit des Rotors 11 verbessert, ohne dass der Rotor vollständig aus einem austenitischen Material hergestellt werden muss. Durch die Anordnung der Abschirmringe 18 aus austenitischem Material zwischen dem Heissgaskanal 13 des Kompressors oder dem Kühlluftkanal der Turbine und dem Rotorkern 22 aus ferritischem Material können die Temperaturen am Kompressorauslass bzw. der Kühlluft im Kühlluftkanal um etwa 100°C angehoben werden. Gleichzeitig ist nur eine geringe Menge an Kühlluft mit niedrigerer Temperatur zur Kühlung der Innenseite der Abschirmringe 18 (mittels der Kühlkanäle 20) nötig. Hierdurch lassen sich deutliche Verbesserungen im Wirkungsgrad erzielen, ohne dass der Rotor in seiner Gesamtheit aus einem anderen Material gefertigt werden muss.
    Insgesamt schlägt die vorliegende Erfindung vor, einen Rotor mit einem Rotorkern aus ferritischem Material einzusetzen, der von relativ dünnen Abschirmringen aus austenitischem Material umgeben ist, die mit dem Rotorkern durch Löten oder Schweissen fest verbunden sind. Der Querschnitt der Abschirmringe kann je nach den lokalen Anforderungen unterschiedlich sein: Breite und flache rechteckige Querschnitte, welche nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, mit einer zylindrischen oder konischen Aussenfläche sind besonders für reine Abschirmzwecke geeignet. Einzelne Ringe können mit Haken für die Halterung von Laufschaufeln versehen sein. Die erfindungsgemässen Ringe mit Doppel-T-Profil ermöglichen eine grössere radiale Flexibilität und Wärmeisolation. Um den ferritischen Rotorkern vor zu hohen Temperaturen zu schützen, können Kanäle für ein Kühlmedium am inneren Umfang der Abschirmringe integriert sein.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 10
    Kompressor
    11
    Rotor
    12
    Heissgaskanal
    13
    Laufschaufel
    14
    Leitschaufel
    15,17
    Schweissnaht
    16a,b,c
    Rotorring
    18
    Abschirmring
    19
    Schweissverbindung
    20
    Kühlkanal
    21
    Rotorachse
    22
    Rotorkern

Claims (5)

  1. Rotor (11) einer thermisch belasteten Turbomaschine, insbesondere eines Kompressors (10) oder einer Gasturbine, welcher Rotor (11) um eine Rotorachse (21) drehbar gelagert und konzentrisch von einem Heissgaskanal (12) oder Kühlluftkanal umgeben ist, wobei der Rotor (11) einen Rotorkern (22) aus einem ersten Material umfasst, dass der Rotorkern (22) konzentrisch von Abschirmringen (18) aus einem zweiten Material umgeben ist, welche den Rotorkern (22) gegen die Temperatur im Heissgaskanal (12) bzw. Kühlluftkanal abschirmen, wobei das zweite Material gegenüber dem ersten Material eine höhere Wärmefestigkeit aufweist, und dass die Abschirmringe (18) mit dem Rotorkern (22) stoffschlüssig verbunden sind; der Rotor (11) ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmringe (18) jeweils ein Querschnittsprofil in Form eines doppelten T aufweisen.
  2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material ein ferritischer Stahl ist, und dass das zweite Material ein austenitischer Stahl ist.
  3. Rotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmringe (18) mit dem Rotorkern (22) durch Löten oder Schweissen verbunden sind.
  4. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Innenseite der Abschirmringe (18) Kühlkanäle (20) für das Durchströmen von Kühlluft vorgesehen sind.
  5. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmringe (18) den Rotorkern (22) gegen die Temperaturen im Heissgaskanal (12) abschirmen, und dass die Abschirmringe (18) zur Aufnahme von Laufschaufeln (13) ausgebildet sind.
EP05100785.4A 2004-02-14 2005-02-04 Rotorkonstruktion für Turbomaschine Not-in-force EP1564376B1 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
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EP1564376A2 EP1564376A2 (de) 2005-08-17
EP1564376A3 EP1564376A3 (de) 2013-06-19
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EP (1) EP1564376B1 (de)
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