EP1785587A1 - Internally cooled rotor of a turbomachine - Google Patents

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EP1785587A1
EP1785587A1 EP05024742A EP05024742A EP1785587A1 EP 1785587 A1 EP1785587 A1 EP 1785587A1 EP 05024742 A EP05024742 A EP 05024742A EP 05024742 A EP05024742 A EP 05024742A EP 1785587 A1 EP1785587 A1 EP 1785587A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
rotor shaft
cavity
fluid
shaft
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05024742A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Kai Dr. Wieghardt
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP05024742A priority Critical patent/EP1785587A1/en
Publication of EP1785587A1 publication Critical patent/EP1785587A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • F01D5/088—Heating, heat-insulating or cooling means cooling fluid circulating inside the rotor in a closed cavity
    • 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
    • F05D2260/207—Heat transfer, e.g. cooling using a phase changing mass, e.g. heat absorbing by melting or boiling
    • 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
    • F05D2260/232—Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium
    • 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
    • F05D2260/232—Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium
    • F05D2260/2322—Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium steam
    • 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
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/50—Intrinsic material properties or characteristics
    • F05D2300/502—Thermal properties

Definitions

  • the invention relates to a rotor of a turbomachine, in particular a steam and / or gas turbine, with a rotor blade carrying a rotor blade.
  • the blades arranged on the rotor shaft of the rotor are subjected to a hot working gas which, for example in the case of a steam turbine, is steam.
  • the hot working gas flowing around the rotor causes a heat input into the rotor shaft of the rotor, on the one hand as a result of direct contact of the hot working gas with the rotor shaft and, on the other hand, due to heating of the rotor blades arranged on the rotor shaft.
  • the rotor shaft of a rotor In operation, the rotor shaft of a rotor is exposed to high centrifugal forces, which can lead to high tangential stresses and creep strains with increasing temperature of the rotor shaft.
  • it is basically known from the prior art to cool the rotor shaft of a rotor.
  • the previously proposed measures for cooling a rotor shaft measures are technically complex and / or inappropriate to effect such a cooling of the rotor shaft, as a result that a real performance and / or increase in life could be achieved.
  • the rotor shaft near at least one foot of a arranged on the rotor shaft Blade has a cavity which is connected via at least one passage channel with the rotor shaft side facing the end of a foot for cooling purposes.
  • the cavity is also connected to a cooling system, by means of which the cavity is supplied with a cooling medium.
  • the one with the EP-A 0 926 311 proposed rotor is extremely complicated in its constructive design, since the cavity formed in the rotor shaft is connected to a cooling system and on the other with one of the number of blades arranged on the rotor shaft corresponding number of passageways. In this respect, the production of such a trained rotor disadvantageous manufacturing technology consuming and not least costly. In addition, the stability of the rotor shaft is impaired due to the large number of feedthrough channels to be provided. Furthermore, not least the lack of effectiveness of the EP-A 0 926 311 proposed cooling device of disadvantage. Namely, there is mainly a cooling of the feet of the blades arranged on the rotor shaft instead.
  • the invention proposes a rotor of a turbomachine, in particular a steam and / or gas turbine, with a rotor blades carrying rotor blades, wherein the rotor shaft surrounding a to the rotor shaft Atmosphere completed cavity extending in the axial direction of the rotor shaft in a region thereof, which has an axial temperature gradient when using the rotor as intended, and wherein the cavity is filled with serving as a cooling medium fluid having a higher heat capacity than air.
  • the rotor shaft of the rotor according to the invention has a cavity, namely one which is closed to the atmosphere surrounding the rotor shaft.
  • "Completed" in the sense of the invention means that the interior of the cavity is not connected to any further supply or discharge bores and / or lines of a cooling system, as in the rotor according to the EP-A 0 926 311 the case is.
  • the cavity according to the rotor according to the invention rather represents a volume space which is filled with a fluid serving as a cooling medium, which always remains in the cavity, that is, an exchange of the fluid in the cavity with a separately arranged cooling system is not provided.
  • a pressure compensation device may be provided, as will be described below.
  • the peculiarity of the rotor according to the invention thus lies in the closed cavity formed in the rotor shaft, which is filled with a fluid serving as a cooling medium, which cools the hot regions of the rotor shaft surrounding the cavity.
  • the cooling of the rotor shaft takes place exclusively in that the cooling medium located in the closed cavity circulates within the cavity and not by the fact that an exchange of the cooling medium in the cavity would be provided by means of a standing in fluid communication with the cavity cooling system.
  • the rotor according to the invention thus proves to be particularly simple in its structural design, which allows both manufacturing technology and from a economic point of view, a comparatively simple production.
  • the cavity extends in the axial direction of the rotor shaft, specifically in a region which, when the rotor is used as intended, has an axial temperature gradient.
  • axial temperature gradients is meant the temperature gradient in the longitudinal direction of the rotor shaft, which results as a result of the hot working gas flowing past in the longitudinal direction on the rotor shaft.
  • the hot working gas is guided past in the longitudinal direction of the rotor shaft, wherein the working gas cools in the course of the pass on the rotor shaft.
  • the rotor shaft heats up more strongly in the region of the inlet of the hot working gas than in the region of the outlet of the working gas passed past the rotor shaft.
  • a temperature gradient in the longitudinal direction of the rotor shaft which can be referred to as an axial temperature gradient, arises between the inlet and outlet regions.
  • the hollow space formed according to the invention in the rotor shaft extends in the axial direction over preferably the entire section of the rotor shaft, which as a result of an intended use of the rotor falls under an axial temperature gradient.
  • the fluid in the cavity is heated radially outwardly as a result of the heat input into the rotor shaft, which causes the fluid to expand, that is, it reduces its density.
  • the fluid In the direction of the longitudinal axis of the rotor shaft, the fluid is radially heated differently on the outside due to the temperature gradient running in the axial direction, that is, it forms in accordance with the axially extending temperature gradient, a density gradient within the radially outer side located in the cavity fluid.
  • the axial temperature gradient that is, the temperature gradient and the resulting density difference in the axial direction of the radially outer side located in the cavity fluid creates a convection flow within the cavity. This convection flow has an automatic circulation of the located in the cavity Fluids result.
  • the cooling medium used according to the invention is a fluid which has a higher heat capacity than air.
  • a fluid is in particular a gas, for example hydrogen or a gas mixture in question.
  • a cooling medium but also a liquid or a liquid mixture can be used.
  • More generally, in particular, low-density compressible cooling media are advantageous, while having good heat transfer and / or capacity properties. Conceivable, therefore, is the use of a vaporous cooling medium, such as water vapor, which is present in the cold state in the liquid state and in the hot state in the gaseous phase.
  • the above-described embodiment of the rotor shaft of the rotor according to the invention causes an excellent cooling of the same.
  • the convection flow of the fluid located in the cavity of the rotor shaft takes place automatically due to the outer side of the voltage applied to the rotor shaft temperature gradient, which is why the cooling of the rotor shaft in an advantageous manner self-sufficient, that works without supply or discharge of a cooling medium.
  • the cooling integrated into the rotor shaft cools the rotor shaft on the outer peripheral side, which makes it possible to apply hotter working gases to the rotor, as known from the prior art.
  • the range of applications of the rotor according to the invention is thus extended compared to known from the prior art, conventional rotors, which brings with respect to the rotor according to the invention an increase in performance and / or life in an advantageous manner.
  • a displacement body is arranged in the form of internals within the cavity.
  • the internals arranged in the cavity of the rotor shaft are preferably mounted so as to be heat-movable. Any tensions of the fixtures in the cavity by uncontrolled thermal expansion can be counteracted.
  • the internals are preferably formed of a porous material, such as ceramic.
  • the internals are preferably tubular and self-supporting. They have at their respective ends via suitable radial openings, so as not to hinder the flow of fluid within the cavity.
  • the cavity is formed as a conduit system which has both radially and axially to the rotor shaft extending bores.
  • the cavity can be formed by a conduit system be having a plurality of radially extending bores near the outer surface of the rotor shaft. These radial holes are fluidly connected via a plurality of axially extending bores with one or more further radially extending bores, which are formed, for example, in the region of the rotor shaft axis. In this way, a closed conduit system, through which the fluid used as a cooling medium is forcibly guided.
  • the cavity has a pressure compensation device.
  • a pressure compensation device may be required in particular if the fluid used as the cooling medium has a different thermal expansion coefficient than the rotor shaft material.
  • Such a pressure compensation device can be designed according to the invention in two different ways. According to a first alternative, provision may be made to fluidly connect the cavity to the atmosphere surrounding the rotor shaft by means of an axial bore. In order to prevent the fluid in the cavity from being discharged uncontrollably via this axial bore to the atmosphere surrounding the rotor shaft, this is to close for the purpose of pressure equalization axial bore on the atmosphere side with a pressure-sensitive closure piston.
  • the axial bore provided for the purpose of pressure equalization is thus tightly sealed on the atmosphere side. If, as a result of the heating of the fluid arranged in the cavity, a critical increase in pressure within the cavity occurs, the closure piston occluding the axial bore opens, which effects a pressure equalization.
  • the closure piston can be arranged spring-loaded within the axial bore and thus act in the manner of a pressure relief valve.
  • a displacement body is in the form of internals within the cavity
  • the displacement body forming internals are hollow and provide a pressure compensation space available. If there is a critical overpressure in the cavity, fluid can flow into the hollow internals to lower the pressure. If the pressure within the cavity decreases again, the amount of fluid received by the internals can be returned to the cavity.
  • This embodiment of the pressure compensation device is preferred because it requires no axial bore for the fluidic connection of the cavity with the atmosphere surrounding the rotor shaft.
  • the rotor shaft has two cavities of the aforementioned type, which are separated from each other by means of a partition wall.
  • the formation of two cavities is particularly useful in a two-flow design of the rotor shaft.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a rotor 1 according to the invention.
  • the rotor 1 shown in FIG. 1 has a rotor shaft 2 which is rotatably mounted about the shaft axis 3.
  • the rotor shaft 2 carries in Fig. 1, not shown blades, wherein the rotor shaft 2 for the purpose of arrangement of the blades circumferential grooves 4 carries, of which in Fig. 1 by way of example two are shown.
  • the feet of the blades not shown in Fig. 1.
  • the blades and thus also the rotor shaft 2 are acted upon by a hot working gas, which is introduced via the inlet 5 in the rotor 1.
  • the hot working gas passing via the inlet 5 into the rotor 1 flows through the rotor 1 in the longitudinal direction 8 of the rotor shaft 2, with reference to the plane of the drawing according to FIG. 1 from right to left.
  • the flow path of the hot working gas is indicated in FIG. 1 by the reference numeral 7. After flowing through the rotor 1, the hot working gas leaves the rotor 1 at the outlet 6.
  • the rotor shaft heats 2.
  • the heating of the rotor shaft 2 in the region of the inlet 5 is greatest, whereas the heating of the rotor shaft 2 in the region of the outlet 6 is the lowest.
  • a temperature gradient arises between the inlet 5 on the one hand and the outlet 6 on the other hand.
  • the rotor shaft 2 is thus heated differently with respect to its longitudinal extent, so that, starting from the inlet 5 in the direction of the outlet 6, an axial temperature gradient is established.
  • the rotor shaft 2 has a cavity 9.
  • This cavity 9 is filled with a fluid serving as a cooling medium, which may be gaseous, for example.
  • a gaseous fluid in particular hydrogen comes into consideration.
  • the fluid located in the cavity 9 is heated at the radially outer boundary wall of the cavity 9, in dependence on the temperature input made in the rotor shaft 2. As a result of the heating, the fluid in the cavity 9 expands, which leads to a reduction in the density of the heated fluid quantity fractions. It turns due to the axial temperature gradient applied to the rotor shaft 2, there is a density difference in the fluid in the cavity 9, along the inner surface of the wall delimiting the cavity 9 to the atmosphere surrounding the rotor shaft 2. Due to the temperature gradient and the resulting difference in density in the fluid located in the cavity 9, a convection flow, that is to say a fluid flow 10, automatically sets in.
  • the fluid located in the hot region of the rotor shaft 2 expands, that is, it reduces its density and is transported by the high centrifugal acceleration to the shaft axis 3 and thereafter into colder regions of the shaft axis 2, in which heat sinks 15 are located.
  • the heat sink 15 which are in the embodiment of FIG. 1 frontally of the cavity 9, the fluid located in the cavity 9 cools, gaining in density and is transported along the cavity inner wall from the respective colder into the hotter areas, creating a automatic cooling circulation with cooling effect for the radially outer side wall of the cavity 9 is formed.
  • FIG. 2 shows a schematic side view of a rotor with a double-flow rotor shaft 2.
  • the rotor shaft 2 or the blades arranged on the rotor shaft 2 and not shown in FIG. 2 are charged with a hot working gas which passes via the inlet 5 in the rotor 1.
  • the hot working gas passing via the inlet 5 into the rotor 1 is divided into two partial flows, with a partial flow starting from the inlet 5 from right to left and a partial flow starting from the inlet 5 from left to right with reference to the plane of the drawing according to FIG ,
  • the hot working gas flowing through the rotor 1 leaves the same with reference to the plane of the drawing according to FIG. 2 both on the left and on the right side via the outlets 6.
  • this has two cavities 9, in which for the purpose the cooling of the rotor shaft 2 is in each case a fluid.
  • the two cavities 9 are separated from each other by a partition wall 17, which is why the left in the drawing plane of FIG. 2 cavity 9 for cooling the rotor shaft 2 in the left and the reference to the drawing plane of FIG. 2 right cavity 9 for cooling the rotor shaft 2 in the right area serves.
  • the cavities 9 formed in the rotor shaft 2 can be designed differently depending on the application, which shows the rotor shaft 2 shown in FIG. 2 by way of example.
  • left cavity 9 is formed as a conduit system 18.
  • This line system 18 is formed from radial bores 13 and axial bores 14, which provide a closed loop system for the fluid in the cavity 9.
  • the fluid in the cavity 9 is forcibly guided.
  • the mode of operation of the cooling also corresponds in this embodiment of the cavity 9 to that described above with reference to FIG. Again, the region 16 of the rotor shaft 2, which is subject to an axial temperature gradient, cooled.
  • the right in the drawing plane of FIG. 2 cavity 9 is formed for the purpose of illustrating the invention in a different way than the reference to the drawing plane of FIG. 2 left cavity 9.
  • the reference to the drawing plane of FIG. 2 right Cavity 9 corresponds in its embodiment to that cavity 9 of FIG. 1.
  • two internals 11 are arranged in the right cavity 9 of FIG. 2, which serve as a displacement body. In this way, the amount of fluid in the cavity 9 can be reduced, which helps reduce the centrifugal forces initiated by the fluid and acting on the rotor 1.
  • the internals 11 are made of a porous material and are preferably arranged by means of heat-movable bearings 12 within the cavity 9. As can be seen from Fig.
  • baffles 11 a kind of conduit system through which the fluid located in the cavity 9 passes.
  • the internals 11 may also be at least partially hollow and provide a volume space for the purpose of pressure equalization available. If the pressure within the cavity 9 rises above a critical level, the fluid in the cavity 9 at least partially flows into the pressure compensation volumes provided by the internals 11. In the case of a pressure reduction, the quantities of the fluid contained in the cavity 9 can then be returned to the cavity 9 back from the fittings 11.
  • the rotor 1 exemplified with reference to FIGS. 1 and 2 is distinguished by its simple and robust shape of the rotor shaft cooling by temperature compensation.
  • the cooling concept is completely internal, that is arranged within the rotor shaft 2.
  • the function of the cooling concept is guaranteed as soon as a temperature gradient is present.
  • the rotor according to the invention is characterized by its stable construction, because he lacks radial bores, such as these for cooling the feet of the arranged on the rotor shaft blades with the EP-A 0 926 311 be proposed. In this respect, the rotor 1 according to the invention is much less sensitive to notch effects.
  • the proposed with the rotor 1 according to the invention cooling concept causes an extremely effective cooling of the rotor shaft, which makes it possible to increase the steam conditions at a given shaft material or to reduce creep damage.
  • the stability of the shaft relevant for the mechanical design can be increased by a factor of more than 2.
  • the range of applications for the rotor 1 according to the invention is increased, wherein the rotor 1 according to the invention can be used for all types of steam turbines.
  • the heat flow removed for cooling in the inflow becomes fed back to the steam in the further expansion process. The same applies to friction losses from the circulation of the fluid.
  • suitable internals 11 torsional vibrations can be damped in an advantageous manner.

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Abstract

Rotor (1) of turbo machine e.g. steam or gas turbine has rotor shaft (2) supporting rotor blades. Rotor shaft has hollow space (9), which is closed to atmosphere surrounding rotor shaft whereby hollow space extends in the axial direction (8) of the rotor shaft, within an area, which has axial temperature gradient during the specified normal application of rotor. The hollow space is filled with fluid serving as a cooling medium, which has a high thermal capacity than air.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Dampf- und/oder Gasturbine, mit einer Laufschaufel tragenden Rotorwelle.The invention relates to a rotor of a turbomachine, in particular a steam and / or gas turbine, with a rotor blade carrying a rotor blade.

Rotoren der vorgenannten Art sind aus dem Stand der Technik an sich bekannt, weshalb es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises an dieser Stelle nicht bedarf.Rotors of the aforementioned type are known per se from the prior art, which is why it does not require a separate documentary proof at this point.

Um den Rotor einer Strömungsmaschine in eine Drehbewegung zu versetzen, werden die an der Rotorwelle des Rotors angeordneten Laufschaufeln mit einem heißen Arbeitsgas beaufschlagt, welches beispielsweise im Falle einer Dampfturbine Dampf ist. Das den Rotor umströmende heiße Arbeitsgas bewirkt einen Wärmeeintrag in die Rotorwelle des Rotors, und zwar zum einen infolge eines direkten Kontaktes des heißen Arbeitsgases mit der Rotorwelle sowie zum anderen aufgrund der Erwärmung der an der Rotorwelle angeordneten Laufschaufeln.In order to set the rotor of a turbomachine into a rotational movement, the blades arranged on the rotor shaft of the rotor are subjected to a hot working gas which, for example in the case of a steam turbine, is steam. The hot working gas flowing around the rotor causes a heat input into the rotor shaft of the rotor, on the one hand as a result of direct contact of the hot working gas with the rotor shaft and, on the other hand, due to heating of the rotor blades arranged on the rotor shaft.

Im Betrieb ist die Rotorwelle eines Rotors hohen Fliehkräften ausgesetzt, die mit steigender Temperatur der Rotorwelle zu hohen Tangentialspannungen und Kriechdehnungen führen können. Um mit dem Ziel einer Leistungs- und/oder Lebensdauersteigerung die auf die Rotorwelle einwirkende Materialbeanspruchung zu minimieren, ist es aus dem Stand der Technik dem Grunde nach bekannt, die Rotorwelle eines Rotors zu kühlen. Die zur Kühlung einer Rotorwelle bisher vorgeschlagenen Maßnahmen sind allerdings technisch aufwendig und/oder dazu ungeeignet, eine solche Kühlung der Rotorwelle zu bewirken, als dass hierdurch eine wirkliche Leistungs- und/oder Lebensdauersteigerung erreicht werden könnte.In operation, the rotor shaft of a rotor is exposed to high centrifugal forces, which can lead to high tangential stresses and creep strains with increasing temperature of the rotor shaft. In order to minimize the material stress acting on the rotor shaft with the aim of increasing the output and / or lifetime, it is basically known from the prior art to cool the rotor shaft of a rotor. The previously proposed measures for cooling a rotor shaft measures, however, are technically complex and / or inappropriate to effect such a cooling of the rotor shaft, as a result that a real performance and / or increase in life could be achieved.

So ist beispielsweise aus der EP-A 0 926 311 ein Rotor einer Strömungsmaschine bekannt geworden, dessen Rotorwelle nahe wenigstens eines Fußes einer an der Rotorwelle angeordneten Laufschaufel einen Hohlraum aufweist, der über wenigstens einen Durchführungskanal mit dem rotorwellenseitig zugewandten Ende eines Fußes zu Kühlzwecken verbunden ist. Der Hohlraum ist zudem an ein Kühlsystem angeschlossen, mittels welchem der Hohlraum mit einem Kühlmedium versorgt wird.For example, from the EP-A 0 926 311 a rotor of a turbomachine has become known, the rotor shaft near at least one foot of a arranged on the rotor shaft Blade has a cavity which is connected via at least one passage channel with the rotor shaft side facing the end of a foot for cooling purposes. The cavity is also connected to a cooling system, by means of which the cavity is supplied with a cooling medium.

Der mit der EP-A 0 926 311 vorgeschlagene Rotor ist in seiner konstruktiven Ausgestaltung äußerst aufwendig, da der in der Rotorwelle ausgebildete Hohlraum zum einen mit einem Kühlsystem sowie zum anderen mit einer der Anzahl der an der Rotorwelle angeordneten Laufschaufeln entsprechenden Anzahl an Durchtrittskanälen verbunden ist. Insofern ist die Herstellung eines solch ausgebildeten Rotors in nachteiliger Weise fertigungstechnisch aufwendig und nicht zuletzt kostenintensiv. Darüber hinaus wird die Stabilität der Rotorwelle aufgrund der Vielzahl der vorzusehenden Durchführungskanäle beeinträchtigt. Ferner ist nicht zuletzt die mangelnde Effektivität der mit der EP-A 0 926 311 vorgeschlagenen Kühleinrichtung von Nachteil. Es findet nämlich vornehmlich eine Kühlung der Füße der an der Rotorwelle angeordneten Laufschaufeln statt. Der Hauptwärmeeintrag in die Rotorwelle geschieht jedoch nicht über die Laufschaufeln, sondern über das direkt an der Rotorwelle vorbeigeführte heiße Arbeitsgas. Der hierdurch bedingten Erwärmung der Rotorwelle kann die mit der EP-A 0 926 311 vorgeschlagene Kühleinrichtung nur bedingt entgegenwirken, weshalb es in nachteiliger Weise zu einer insgesamt nur unzufriedenstellenden Kühlung der Rotorwelle kommt.The one with the EP-A 0 926 311 proposed rotor is extremely complicated in its constructive design, since the cavity formed in the rotor shaft is connected to a cooling system and on the other with one of the number of blades arranged on the rotor shaft corresponding number of passageways. In this respect, the production of such a trained rotor disadvantageous manufacturing technology consuming and not least costly. In addition, the stability of the rotor shaft is impaired due to the large number of feedthrough channels to be provided. Furthermore, not least the lack of effectiveness of the EP-A 0 926 311 proposed cooling device of disadvantage. Namely, there is mainly a cooling of the feet of the blades arranged on the rotor shaft instead. However, the main heat input into the rotor shaft does not take place via the rotor blades, but via the hot working gas passed directly to the rotor shaft. The consequent heating of the rotor shaft can with the EP-A 0 926 311 Proposed cooling device counteract only conditionally, which is why it comes in a disadvantageous way to a total only unsatisfactory cooling of the rotor shaft.

Ausgehend vom vorerläuterten Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der Erfindung, einen Rotor einer Strömungsmaschine zu schaffen, der die vorgenannten Nachteile überwindet und bei gleichzeitig einfachem Aufbau innerhalb eines erweiterten Anwendungsspektrums Verwendung finden kann.Based on the prior art described above, it is therefore the object of the invention to provide a rotor of a turbomachine, which overcomes the aforementioned disadvantages and can be used with a simultaneously simple design within an extended range of applications.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung vorgeschlagen ein Rotor einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Dampf- und/oder Gasturbine, mit einer Laufschaufeln tragenden Rotorwelle, wobei die Rotorwelle einen zur die Rotorwelle umgebenden Atmosphäre abgeschlossenen Hohlraum aufweist, der sich in axialer Richtung der Rotorwelle in einem Bereich derselben erstreckt, der bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Rotors einen axialen Temperaturgradienten aufweist, und wobei der Hohlraum mit einem als Kühlmedium dienenden Fluid befüllt ist, das eine höhere Wärmekapazität als Luft aufweist.To solve this problem, the invention proposes a rotor of a turbomachine, in particular a steam and / or gas turbine, with a rotor blades carrying rotor blades, wherein the rotor shaft surrounding a to the rotor shaft Atmosphere completed cavity extending in the axial direction of the rotor shaft in a region thereof, which has an axial temperature gradient when using the rotor as intended, and wherein the cavity is filled with serving as a cooling medium fluid having a higher heat capacity than air.

Die Rotorwelle des erfindungsgemäßen Rotors weist einen Hohlraum auf, und zwar einen solchen, der zur Atmosphäre, die die Rotorwelle umgibt, abgeschlossen ist. "Abgeschlossen" im Sinne der Erfindung bedeutet, dass der Innenraum des Hohlraums an keine weiteren Zuführungs- oder Abführungsbohrungen und/oder Leitungen eines Kühlsystems angeschlossen ist, wie dies beim Rotor gemäß der EP-A 0 926 311 der Fall ist. Der Hohlraum nach dem erfindungsgemäßen Rotor stellt vielmehr einen Volumenraum dar, der mit einem als Kühlmedium dienenden Fluid befüllt ist, welches stets im Hohlraum verbleibt, das heißt ein Austausch des im Hohlraum befindlichen Fluids mit einem separat angeordneten Kühlsystem ist nicht vorgesehen. Allenfalls kann gemäß einem besonderen Vorteil der Erfindung eine Druckausgleichseinrichtung vorgesehen sein, wie sie im Weiteren noch beschrieben wird.The rotor shaft of the rotor according to the invention has a cavity, namely one which is closed to the atmosphere surrounding the rotor shaft. "Completed" in the sense of the invention means that the interior of the cavity is not connected to any further supply or discharge bores and / or lines of a cooling system, as in the rotor according to the EP-A 0 926 311 the case is. The cavity according to the rotor according to the invention rather represents a volume space which is filled with a fluid serving as a cooling medium, which always remains in the cavity, that is, an exchange of the fluid in the cavity with a separately arranged cooling system is not provided. At best, according to a particular advantage of the invention, a pressure compensation device may be provided, as will be described below.

Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Rotors liegt also in dem in der Rotorwelle ausgebildeten, abgeschlossenen Hohlraum, der mit einem als Kühlmedium dienenden Fluid befüllt ist, welches die den Hohlraum umgebenden, heißen Bereiche der Rotorwelle kühlt. Dabei erfolgt die Kühlung der Rotorwelle ausschließlich dadurch, dass das im abgeschlossenen Hohlraum befindliche Kühlmedium innerhalb des Hohlraumes zirkuliert und nicht etwa dadurch, dass ein Austausch des im Hohlraum befindlichen Kühlmediums mittels eines mit dem Hohlraum in strömungstechnischer Verbindung stehenden Kühlsystems vorgesehen wäre. Der erfindungsgemäße Rotor erweist sich damit in seinem konstruktiven Aufbau als besonders einfach, was sowohl fertigungstechnisch als auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten eine vergleichsweise einfache Herstellung ermöglicht.The peculiarity of the rotor according to the invention thus lies in the closed cavity formed in the rotor shaft, which is filled with a fluid serving as a cooling medium, which cools the hot regions of the rotor shaft surrounding the cavity. In this case, the cooling of the rotor shaft takes place exclusively in that the cooling medium located in the closed cavity circulates within the cavity and not by the fact that an exchange of the cooling medium in the cavity would be provided by means of a standing in fluid communication with the cavity cooling system. The rotor according to the invention thus proves to be particularly simple in its structural design, which allows both manufacturing technology and from a economic point of view, a comparatively simple production.

Erfindungsgemäß erstreckt sich der Hohlraum in axialer Richtung der Rotorwelle, und zwar in einem Bereich, der bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Rotors einen axialen Temperaturgradienten aufweist. Unter "axialen Temperaturgradienten" ist dabei das Temperaturgefälle in Längsrichtung der Rotorwelle gemeint, welches sich infolge des in Längsrichtung an der Rotorwelle vorbeiströmenden, heißen Arbeitsgases ergibt. Bei einer einflutigen Ausgestaltung des Rotors wird das heiße Arbeitsgas in Längsrichtung an der Rotorwelle vorbeigeführt, wobei sich das Arbeitsgas im Zuge der Vorbeiführung an der Rotorwelle abkühlt. Dies führt dazu, dass sich die Rotorwelle im Bereich des Einlasses des heißen Arbeitsgases stärker erwärmt als im Bereich des Auslasses des an der Rotorwelle vorbeigeführten Arbeitsgases. Zwischen Einlass- und Auslassbereich stellt sich also mit Bezug auf die Erwärmung der Rotorwelle ein Temperaturgefälle in Längsrichtung der Rotorwelle ein, das als axialer Temperaturgradient bezeichnet werden kann. Der erfindungsgemäß in der Rotorwelle ausgebildete Hohlraum erstreckt sich in axialer Richtung über vorzugsweise den gesamten Abschnitt der Rotorwelle, der infolge einer bestimmungsgemäßen Verwendung des Rotors einem axialen Temperaturgradienten unterfällt.According to the invention, the cavity extends in the axial direction of the rotor shaft, specifically in a region which, when the rotor is used as intended, has an axial temperature gradient. By "axial temperature gradients" is meant the temperature gradient in the longitudinal direction of the rotor shaft, which results as a result of the hot working gas flowing past in the longitudinal direction on the rotor shaft. In a single-flow design of the rotor, the hot working gas is guided past in the longitudinal direction of the rotor shaft, wherein the working gas cools in the course of the pass on the rotor shaft. As a result, the rotor shaft heats up more strongly in the region of the inlet of the hot working gas than in the region of the outlet of the working gas passed past the rotor shaft. Thus, with respect to the heating of the rotor shaft, a temperature gradient in the longitudinal direction of the rotor shaft, which can be referred to as an axial temperature gradient, arises between the inlet and outlet regions. The hollow space formed according to the invention in the rotor shaft extends in the axial direction over preferably the entire section of the rotor shaft, which as a result of an intended use of the rotor falls under an axial temperature gradient.

Das im Hohlraum befindliche Fluid wird radialaußenseitig infolge des Wärmeeintrags in die Rotorwelle erwärmt, was dazu führt, dass sich das Fluid ausdehnt, das heißt es verringert seine Dichte. In Richtung der Längsachse der Rotorwelle wird das Fluid radialaußenseitig aufgrund des in axialer Richtung verlaufenden Temperaturgradienten unterschiedlich stark erwärmt, das heißt es bildet sich in Entsprechung des axial verlaufenden Temperaturgradienten ein Dichtegefälle innerhalb des radialaußenseitig im Hohlraum befindlichen Fluids aus. Infolge des axialen Temperaturgradienten, das heißt des Temperaturgefälles und des sich hieraus ergebenden Dichteunterschiedes in axialer Richtung des sich radialaußenseitig im Hohlraum befindlichen Fluids entsteht eine Konvektionsströmung innerhalb des Hohlraums. Diese Konvektionsströmung hat eine automatische Zirkulation des sich im Hohlraum befindlichen Fluids zur Folge. Diejenigen Mengenanteile des Fluids, die eine vergleichsweise hohe Dichte aufweisen, werden aufgrund der hohen Zentrifugalbeschleunigung einer sich in Drehbewegung befindlichen Rotorwelle radial nach außen gedrückt. Dies hat zur Folge, dass sich diejenigen Teilmengen des Fluids, die aufgrund ihrer Erwärmung eine verringerte Dichte aufweisen, in Richtung zur Wellenachse der Rotorwelle befördert werden, wo sie entlang kälterer Bereiche der Rotorwelle vorbeigeführt und abgekühlt werden. Infolge der Abkühlung gewinnt das Fluid an Dichte und wird an der Hohlrauminnenwand entlang aus den jeweils kälteren in die heißeren Bereiche der Rotorwelle befördert, wodurch eine Kühlwirkung infolge eines durch Konvektionswärme bedingten Zirkulationsstromes entsteht.The fluid in the cavity is heated radially outwardly as a result of the heat input into the rotor shaft, which causes the fluid to expand, that is, it reduces its density. In the direction of the longitudinal axis of the rotor shaft, the fluid is radially heated differently on the outside due to the temperature gradient running in the axial direction, that is, it forms in accordance with the axially extending temperature gradient, a density gradient within the radially outer side located in the cavity fluid. As a result of the axial temperature gradient, that is, the temperature gradient and the resulting density difference in the axial direction of the radially outer side located in the cavity fluid creates a convection flow within the cavity. This convection flow has an automatic circulation of the located in the cavity Fluids result. The proportions of the fluid which have a comparatively high density are pressed radially outwards due to the high centrifugal acceleration of a rotor shaft rotating in rotation. This has the consequence that those portions of the fluid, which have a reduced density due to their heating, are conveyed in the direction of the shaft axis of the rotor shaft, where they are passed along colder regions of the rotor shaft and cooled. As a result of the cooling, the fluid gains in density and is transported along the cavity inner wall from the respective colder into the hotter areas of the rotor shaft, whereby a cooling effect arises as a result of convection caused by circulation heat flow.

Als Kühlmedium dient erfindungsgemäß ein Fluid, das eine höhere Wärmekapazität als Luft aufweist. Als Fluid kommt insbesondere ein Gas, beispielsweise Wasserstoff oder ein Gasgemisch in Frage. Als Kühlmedium kann aber auch eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch eingesetzt werden. Ganz allgemein gilt, dass insbesondere kompressible Kühlmedien mit geringer Dichte von Vorteil sind, die gleichzeitig gute Wärmeübergangs- und/oder Kapazitäts-Eigenschaften aufweisen. Denkbar ist deshalb auch die Verwendung eines dampfförmigen Kühlmediums, wie zum Beispiel Wasserdampf, das im Kaltzustand in flüssiger und im Heißzustand in gasförmiger Phase vorliegt.The cooling medium used according to the invention is a fluid which has a higher heat capacity than air. As a fluid is in particular a gas, for example hydrogen or a gas mixture in question. As a cooling medium but also a liquid or a liquid mixture can be used. More generally, in particular, low-density compressible cooling media are advantageous, while having good heat transfer and / or capacity properties. Conceivable, therefore, is the use of a vaporous cooling medium, such as water vapor, which is present in the cold state in the liquid state and in the hot state in the gaseous phase.

Die vorbeschriebene Ausgestaltung der Rotorwelle des erfindungsgemäßen Rotors bewirkt eine hervorragende Kühlung derselben. Die Konvektionsströmung des im Hohlraum der Rotorwelle befindlichen Fluids erfolgt aufgrund des außenumfangsseitig an der Rotorwelle anliegenden Temperaturgefälles automatisch, weshalb die Kühlung der Rotorwelle in vorteilhafter Weise autark, das heißt ohne Zufuhr oder Abfuhr eines Kühlmediums arbeitet. Die in die Rotorwelle integrierte Kühlung kühlt die Rotorwelle außenumfangsseitig ab, was es ermöglicht, den Rotor mit heißeren Arbeitsgasen zu beaufschlagen, als aus dem Stand der Technik bisher bekannt. Das Anwendungsspektrum des erfindungsgemäßen Rotors ist damit gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten, herkömmlichen Rotoren erweitert, was mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Rotor eine Leistungs- und/oder Lebensdauersteigerung in vorteilhafter Weise mit sich bringt.The above-described embodiment of the rotor shaft of the rotor according to the invention causes an excellent cooling of the same. The convection flow of the fluid located in the cavity of the rotor shaft takes place automatically due to the outer side of the voltage applied to the rotor shaft temperature gradient, which is why the cooling of the rotor shaft in an advantageous manner self-sufficient, that works without supply or discharge of a cooling medium. The cooling integrated into the rotor shaft cools the rotor shaft on the outer peripheral side, which makes it possible to apply hotter working gases to the rotor, as known from the prior art. The range of applications of the rotor according to the invention is thus extended compared to known from the prior art, conventional rotors, which brings with respect to the rotor according to the invention an increase in performance and / or life in an advantageous manner.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist innerhalb des Hohlraumes ein Verdrängungskörper in Form von Einbauten angeordnet. Durch diese Maßnahme lässt sich in Abhängigkeit der gewünschten Kühlleistung die Fluidmenge innerhalb des Hohlraumes verringern, so dass die durch das im Hohlraum befindliche Fluid auf den Rotor einwirkenden Fliehkräfte gering gehalten werden können. Die im Hohlraum befindliche Menge an Fluid kann also durch die Größe des optional im Hohlraum anzuordnenden Verdrängungskörpers eingestellt werden, wobei mit abnehmender Fluidmenge die auf den Rotor einwirkenden Fliehkräfte bei gleichzeitiger Abnahme der Kühlleistung verringert werden. Je nach Anwendungsfall ist also die Abwägung zwischen Kühlleistung einerseits und auf den Rotor einwirkende Fliehkräfte andererseits zu treffen.According to a further feature of the invention, a displacement body is arranged in the form of internals within the cavity. By this measure, depending on the desired cooling capacity, the amount of fluid within the cavity can be reduced so that the centrifugal forces acting on the rotor due to the fluid in the cavity can be kept low. The amount of fluid in the cavity can thus be adjusted by the size of the optionally to be arranged in the cavity displacement body, with decreasing amount of fluid acting on the rotor centrifugal forces are reduced while decreasing the cooling capacity. Depending on the application, therefore, the balance between cooling performance on the one hand and on the rotor acting centrifugal forces on the other hand to meet.

Die im Hohlraum der Rotorwelle angeordneten Einbauten sind vorzugsweise wärmebeweglich gelagert. Etwaigen Verspannungen der Einbauten im Hohlraum durch unkontrollierte Wärmeausdehnung kann so entgegengewirkt werden. Zudem sind die Einbauten vorzugsweise aus einem porösen Material gebildet, wie zum Beispiel Keramik.The internals arranged in the cavity of the rotor shaft are preferably mounted so as to be heat-movable. Any tensions of the fixtures in the cavity by uncontrolled thermal expansion can be counteracted. In addition, the internals are preferably formed of a porous material, such as ceramic.

Erfindungsgemäß sind die Einbauten vorzugsweise rohrförmig ausgestaltet und selbsttragend. Sie verfügen an ihren jeweiligen Enden über geeignete radiale Öffnungen, um die Strömung des Fluids innerhalb des Hohlraumes nicht zu behindern.According to the invention, the internals are preferably tubular and self-supporting. They have at their respective ends via suitable radial openings, so as not to hinder the flow of fluid within the cavity.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Hohlraum als Leitungssystem ausgebildet, welches sowohl radial als auch axial zur Rotorwelle verlaufende Bohrungen aufweist. So kann der Hohlraum beispielsweise durch ein Leitungssystem gebildet sein, das mehrere, radial verlaufende Bohrungen nahe der Außenoberfläche der Rotorwelle aufweist. Diese radialen Bohrungen sind über mehrere axial verlaufende Bohrungen strömungstechnisch mit einer oder mehreren weiteren radial verlaufenden Bohrungen verbunden, die beispielsweise im Bereich der Rotorwellenachse ausgebildet sind. Auf diese Weise entsteht ein geschlossenes Leitungssystem, durch welches das als Kühlmedium eingesetzte Fluid zwangsgeführt wird.According to a further feature of the invention, the cavity is formed as a conduit system which has both radially and axially to the rotor shaft extending bores. For example, the cavity can be formed by a conduit system be having a plurality of radially extending bores near the outer surface of the rotor shaft. These radial holes are fluidly connected via a plurality of axially extending bores with one or more further radially extending bores, which are formed, for example, in the region of the rotor shaft axis. In this way, a closed conduit system, through which the fluid used as a cooling medium is forcibly guided.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung verfügt der Hohlraum über eine Druckausgleichseinrichtung. Das Vorsehen einer Druckausgleichseinrichtung kann insbesondere dann erforderlich werden, wenn das als Kühlmedium eingesetzte Fluid einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Rotorwellenwerkstoff aufweist. Eine solche Druckausgleichseinrichtung kann erfindungsgemäß auf zweierlei unterschiedliche Arten ausgebildet sein. Gemäß einer ersten Alternative kann vorgesehen sein, den Hohlraum mittels einer axialen Bohrung strömungstechnisch mit der die Rotorwelle umgebenden Atmosphäre zu verbinden.'Um zu vermeiden, dass das im Hohlraum befindliche Fluid unkontrolliert über diese Axialbohrung an die die Rotorwelle umgebende Atmosphäre abgegeben wird, ist diese zum Zwecke des Druckausgleiches vorzusehende Axialbohrung atmosphärenseitig mit einem überdruckempfindlichen Verschlusskolben zu verschließen. Im Normalzustand ist die zum Zwecke des Druckausgleiches vorgesehene Axialbohrung also atmosphärenseitig dicht abgeschlossen. Kommt es infolge der Erwärmung des im Hohlraum angeordneten Fluids zu einem kritischen Druckanstieg innerhalb des Hohlraums, so öffnet sich der die Axialbohrung verschließende Verschlusskolben, was einen Druckausgleich bewirkt. Der Verschlusskolben kann federbelastet innerhalb der Axialbohrung angeordnet sein und insofern nach Art eines Überdruckventils fungieren.According to a further feature of the invention, the cavity has a pressure compensation device. The provision of a pressure compensation device may be required in particular if the fluid used as the cooling medium has a different thermal expansion coefficient than the rotor shaft material. Such a pressure compensation device can be designed according to the invention in two different ways. According to a first alternative, provision may be made to fluidly connect the cavity to the atmosphere surrounding the rotor shaft by means of an axial bore. In order to prevent the fluid in the cavity from being discharged uncontrollably via this axial bore to the atmosphere surrounding the rotor shaft, this is to close for the purpose of pressure equalization axial bore on the atmosphere side with a pressure-sensitive closure piston. In the normal state, the axial bore provided for the purpose of pressure equalization is thus tightly sealed on the atmosphere side. If, as a result of the heating of the fluid arranged in the cavity, a critical increase in pressure within the cavity occurs, the closure piston occluding the axial bore opens, which effects a pressure equalization. The closure piston can be arranged spring-loaded within the axial bore and thus act in the manner of a pressure relief valve.

Für den Fall, dass sich innerhalb des Hohlraumes ein Verdrängungskörper in Form von Einbauten befindet, kann gemäß einer zweiten alternativen Ausgestaltungsform der Druckausgleichseinrichtung vorgesehen sein, dass die den Verdrängungskörper bildenden Einbauten hohl ausgebildet sind und einen Druckausgleichsraum zur Verfügung stellen. Kommt es im Hohlraum zu einem kritischen Überdruck, so kann zur Absenkung des Drucks Fluid in die hohl ausgebildeten Einbauten einströmen. Sinkt der Druck innerhalb des Hohlraumes wieder, so kann die von den Einbauten aufgenommene Fluidmenge zurück an den Hohlraum abgegeben werden. Diese Ausgestaltung der Druckausgleichseinrichtung ist bevorzugt, da es keiner axialen Bohrung zur strömungstechnischen Verbindung des Hohlraumes mit der der Rotorwelle umgebenden Atmosphäre bedarf.In the event that a displacement body is in the form of internals within the cavity, may be provided according to a second alternative embodiment of the pressure compensation device that the displacement body forming internals are hollow and provide a pressure compensation space available. If there is a critical overpressure in the cavity, fluid can flow into the hollow internals to lower the pressure. If the pressure within the cavity decreases again, the amount of fluid received by the internals can be returned to the cavity. This embodiment of the pressure compensation device is preferred because it requires no axial bore for the fluidic connection of the cavity with the atmosphere surrounding the rotor shaft.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rotorwelle über zwei Hohlräume der vorgenannten Art verfügt, die mittels einer Trennwand voneinander separiert sind. Die Ausbildung zweier Hohlräume bietet sich insbesondere bei einer zweiflutigen Ausgestaltung der Rotorwelle an.According to a further feature of the invention it is provided that the rotor shaft has two cavities of the aforementioned type, which are separated from each other by means of a partition wall. The formation of two cavities is particularly useful in a two-flow design of the rotor shaft.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:

Fig. 1
in schematischer Seitenansicht einen erfindungsgemäßen Rotor mit einer einflutigen Rotorwelle und
Fig. 2
in einer schematischen Seitenansicht einen erfindungsgemäßen Rotor mit einer zweiflutigen Rotorwelle.
Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description with reference to FIGS. Showing:
Fig. 1
in a schematic side view of a rotor according to the invention with a single-shaft rotor shaft and
Fig. 2
in a schematic side view of a rotor according to the invention with a double-flow rotor shaft.

Fig. 1 zeigt in schematischer Seitenansicht einen erfindungsgemäßen Rotor 1. Der in Fig. 1 dargestellte Rotor 1 verfügt über eine Rotorwelle 2, die um die Wellenachse 3 drehbar gelagert ist. Die Rotorwelle 2 trägt in der Fig. 1 nicht dargestellte Laufschaufeln, wobei die Rotorwelle 2 zwecks Anordnung der Laufschaufeln umlaufende Nuten 4 trägt, von denen in Fig. 1 beispielhaft zwei gezeigt sind. Im montierten Zustand des Rotors 1 greifen in diese umlaufende Nuten 4 die Füße der in Fig. 1 nicht dargestellten Laufschaufeln ein.FIG. 1 shows a schematic side view of a rotor 1 according to the invention. The rotor 1 shown in FIG. 1 has a rotor shaft 2 which is rotatably mounted about the shaft axis 3. The rotor shaft 2 carries in Fig. 1, not shown blades, wherein the rotor shaft 2 for the purpose of arrangement of the blades circumferential grooves 4 carries, of which in Fig. 1 by way of example two are shown. In the assembled state of the rotor 1 engage in these circumferential grooves 4, the feet of the blades, not shown in Fig. 1.

Bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung des Rotors 1 werden die Laufschaufeln und damit auch die Rotorwelle 2 mit einem heißen Arbeitsgas beaufschlagt, welches über den Eintritt 5 in den Rotor 1 eingeleitet wird. Das über den Eintritt 5 in den Rotor 1 gelangende heiße Arbeitsgas durchströmt den Rotor 1 in Längsrichtung 8 der Rotorwelle 2, und zwar mit Bezug auf die Zeichnungsebene nach Fig. 1 von rechts nach links. Der Strömungsweg des heißen Arbeitsgases ist in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 7 gekennzeichnet. Nach einem Durchströmen des Rotors 1 verlässt das heiße Arbeitsgas den Rotor 1 am Austritt 6.In a proper use of the rotor 1, the blades and thus also the rotor shaft 2 are acted upon by a hot working gas, which is introduced via the inlet 5 in the rotor 1. The hot working gas passing via the inlet 5 into the rotor 1 flows through the rotor 1 in the longitudinal direction 8 of the rotor shaft 2, with reference to the plane of the drawing according to FIG. 1 from right to left. The flow path of the hot working gas is indicated in FIG. 1 by the reference numeral 7. After flowing through the rotor 1, the hot working gas leaves the rotor 1 at the outlet 6.

Infolge der Durchströmung des Rotors 1 mit einem heißen Arbeitsgas erwärmt sich die Rotorwelle 2. Die Erwärmung der Rotorwelle 2 im Bereich des Eintritts 5 ist am größten, wohingegen die Erwärmung der Rotorwelle 2 im Bereich des Austritts 6 am geringsten ist. Über den Strömungsweg 7 ergibt sich also in axialer Richtung der Rotorwelle 2, das heißt in Längsrichtung 8, und zwar mit Bezug auf die Zeichnungsebene nach Fig. 1 von rechts nach links ein Temperaturgefälle zwischen Eintritt 5 einerseits und Austritt 6 andererseits. Die Rotorwelle 2 wird also mit Bezug auf ihre Längserstreckung unterschiedlich erwärmt, so dass sich ausgehend vom Eintritt 5 in Richtung auf den Austritt 6 ein axialer Temperaturgradient einstellt.As a result of the flow through the rotor 1 with a hot working gas, the rotor shaft heats 2. The heating of the rotor shaft 2 in the region of the inlet 5 is greatest, whereas the heating of the rotor shaft 2 in the region of the outlet 6 is the lowest. Thus, in the axial direction of the rotor shaft 2, that is to say in the longitudinal direction 8, with reference to the plane of the drawing according to FIG. 1, from the right to the left, a temperature gradient arises between the inlet 5 on the one hand and the outlet 6 on the other hand. The rotor shaft 2 is thus heated differently with respect to its longitudinal extent, so that, starting from the inlet 5 in the direction of the outlet 6, an axial temperature gradient is established.

Erfindungsgemäß verfügt die Rotorwelle 2 über einen Hohlraum 9. Dieser Hohlraum 9 ist mit einem als Kühlmedium dienenden Fluid befüllt, welches beispielsweise gasförmig sein kann. Als gasförmiges Fluid kommt insbesondere Wasserstoff in Betracht.According to the invention, the rotor shaft 2 has a cavity 9. This cavity 9 is filled with a fluid serving as a cooling medium, which may be gaseous, for example. As a gaseous fluid in particular hydrogen comes into consideration.

Das im Hohlraum 9 befindliche Fluid wird an der radial außenliegenden Begrenzungswand des Hohlraums 9 erwärmt, und zwar in Abhängigkeit des in die Rotorwelle 2 erfolgten Temperatureintrages. Infolge der Erwärmung dehnt sich das im Hohlraum 9 befindliche Fluid aus, was zu einer Verringerung der Dichte der erwärmten Fluidmengenanteile führt. Dabei stellt sich aufgrund des an der Rotorwelle 2 anliegenden, axialen Temperaturgradienten ein Dichteunterschied in dem im Hohlraum 9 befindlichen Fluid ein, und zwar entlang der Innenoberfläche der den Hohlraum 9 zur die Rotorwelle 2 umgebenden Atmosphäre abgrenzenden Wandung. Aufgrund des Temperaturgefälles und des sich hieraus ergebenden Dichteunterschiedes in dem im Hohlraum 9 befindlichen Fluid stellt sich eine Konvektionsströmung, das heißt eine Fluidströmung 10 automatisch ein. Im einzelnen dehnt sich das im heißen Bereich der Rotorwelle 2 befindliche Fluid aus, das heißt es verringert seine Dichte und wird durch die hohe Zentrifugalbeschleunigung zur Wellenachse 3 und dort entlang in kältere Bereiche der Wellenachse 2, in denen sich Wärmesenken 15 befinden, befördert. In den Wärmesenken 15, die sich im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 stirnseitig des Hohlraumes 9 befinden, kühlt sich das im Hohlraum 9 befindliche Fluid ab, gewinnt an Dichte und wird an der Hohlrauminnenwand entlang aus den jeweils kälteren in die heißeren Bereiche befördert, wodurch eine automatische Kühlzirkulation mit Kühlwirkung für die radialaußenseitig liegende Wand des Hohlraumes 9 entsteht.The fluid located in the cavity 9 is heated at the radially outer boundary wall of the cavity 9, in dependence on the temperature input made in the rotor shaft 2. As a result of the heating, the fluid in the cavity 9 expands, which leads to a reduction in the density of the heated fluid quantity fractions. It turns due to the axial temperature gradient applied to the rotor shaft 2, there is a density difference in the fluid in the cavity 9, along the inner surface of the wall delimiting the cavity 9 to the atmosphere surrounding the rotor shaft 2. Due to the temperature gradient and the resulting difference in density in the fluid located in the cavity 9, a convection flow, that is to say a fluid flow 10, automatically sets in. In detail, the fluid located in the hot region of the rotor shaft 2 expands, that is, it reduces its density and is transported by the high centrifugal acceleration to the shaft axis 3 and thereafter into colder regions of the shaft axis 2, in which heat sinks 15 are located. In the heat sink 15, which are in the embodiment of FIG. 1 frontally of the cavity 9, the fluid located in the cavity 9 cools, gaining in density and is transported along the cavity inner wall from the respective colder into the hotter areas, creating a automatic cooling circulation with cooling effect for the radially outer side wall of the cavity 9 is formed.

Fig. 2 zeigt in einer schematischen Seitenansicht einen Rotor mit einer zweiflutigen Rotorwelle 2. Im Unterschied zur Ausgestaltungsform nach Fig. 1 wird die Rotorwelle 2 bzw. werden die an der Rotorwelle 2 angeordneten und in Fig. 2 nicht gezeigten Laufschaufeln mit einem heißen Arbeitsgas beaufschlagt, welches über den Eintritt 5 in den Rotor 1 gelangt. Das über den Eintritt 5 in den Rotor 1 gelangende heiße Arbeitsgas wird in zwei Teilströme aufgeteilt, wobei mit Bezug auf die Zeichnungsebene nach Fig. 2 ein Teilstrom ausgehend vom Eintritt 5 von rechts nach links und ein Teilstrom ausgehend vom Eintritt 5 von links nach rechts strömt. Das den Rotor 1 durchströmende heiße Arbeitsgas verlässt denselben mit Bezug auf die Zeichnungsebene nach Fig. 2 sowohl links- als auch rechtsseitig über die Austritte 6.2 shows a schematic side view of a rotor with a double-flow rotor shaft 2. In contrast to the embodiment according to FIG. 1, the rotor shaft 2 or the blades arranged on the rotor shaft 2 and not shown in FIG. 2 are charged with a hot working gas which passes via the inlet 5 in the rotor 1. The hot working gas passing via the inlet 5 into the rotor 1 is divided into two partial flows, with a partial flow starting from the inlet 5 from right to left and a partial flow starting from the inlet 5 from left to right with reference to the plane of the drawing according to FIG , The hot working gas flowing through the rotor 1 leaves the same with reference to the plane of the drawing according to FIG. 2 both on the left and on the right side via the outlets 6.

In Entsprechung der zweiflutigen Ausgestaltung der Rotorwelle 2 verfügt diese über zwei Hohlräume 9, in denen sich zum Zwecke der Kühlung der Rotorwelle 2 jeweils ein Fluid befindet. Die beiden Hohlräume 9 sind durch eine Trennwand 17 voneinander separiert, weshalb der in der Zeichnungsebene nach Fig. 2 linke Hohlraum 9 zur Kühlung der Rotorwelle 2 im linken Bereich und der mit Bezug auf die Zeichnungsebene nach Fig. 2 rechte Hohlraum 9 zur Kühlung der Rotorwelle 2 im rechten Bereich dient.Corresponding to the twin-flow design of the rotor shaft 2, this has two cavities 9, in which for the purpose the cooling of the rotor shaft 2 is in each case a fluid. The two cavities 9 are separated from each other by a partition wall 17, which is why the left in the drawing plane of FIG. 2 cavity 9 for cooling the rotor shaft 2 in the left and the reference to the drawing plane of FIG. 2 right cavity 9 for cooling the rotor shaft 2 in the right area serves.

Die in der Rotorwelle 2 ausgebildeten Hohlräume 9 können je nach Anwendungsfall unterschiedlich ausgebildet sein, was die in Fig. 2 dargestellte Rotorwelle 2 exemplarisch zeigt. So ist der mit Bezug auf die Zeichnungsebene nach Fig. 2 linke Hohlraum 9 als Leitungssystem 18 ausgebildet. Dieses Leitungssystem 18 ist aus Radialbohrungen 13 sowie Axialbohrungen 14 gebildet, die für das im Hohlraum 9 befindliche Fluid ein geschlossenes Kreislaufsystem zur Verfügung stellen. In diesem Kreislaufsystem wird das im Hohlraum 9 befindliche Fluid zwangsgeführt. Die Funktionsweise der Kühlung entspricht auch bei dieser Ausgestaltung des Hohlraumes 9 derjenigen, wie sie zuvor anhand von Fig. 1 beschrieben ist. Auch hier wird der Bereich 16 der Rotorwelle 2, der einem axialen Temperaturgradienten unterliegt, gekühlt.The cavities 9 formed in the rotor shaft 2 can be designed differently depending on the application, which shows the rotor shaft 2 shown in FIG. 2 by way of example. Thus, with reference to the drawing plane of FIG. 2 left cavity 9 is formed as a conduit system 18. This line system 18 is formed from radial bores 13 and axial bores 14, which provide a closed loop system for the fluid in the cavity 9. In this circulation system, the fluid in the cavity 9 is forcibly guided. The mode of operation of the cooling also corresponds in this embodiment of the cavity 9 to that described above with reference to FIG. Again, the region 16 of the rotor shaft 2, which is subject to an axial temperature gradient, cooled.

Der in der Zeichnungsebene nach Fig. 2 rechte Hohlraum 9 ist zum Zwecke der anschaulichen Darstellung der Erfindung in anderer Weise ausgebildet, als der mit Bezug auf die Zeichnungsebene nach Fig. 2 linke Hohlraum 9. Der mit Bezug auf die Zeichnungsebene nach Fig. 2 rechte Hohlraum 9 entspricht in seiner Ausgestaltung demjenigen Hohlraum 9 nach Fig. 1. Im Unterschied zur Ausgestaltung nach Fig. 1 sind im rechten Hohlraum 9 nach Fig. 2 zwei Einbauten 11 angeordnet, die als Verdrängungskörper dienen. Auf diese Weise kann die Menge an im Hohlraum 9 befindlichen Fluid reduziert werden, was die durch das Fluid initiierten und auf den Rotor 1 einwirkenden Fliehkräfte reduzieren hilft. Die Einbauten 11 bestehen aus einem porösen Material und sind vorzugsweise mittels wärmebeweglicher Lagerungen 12 innerhalb des Hohlraums 9 angeordnet. Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, entsteht durch die im Hohlraum 9 angeordneten Einbauten 11 eine Art Leitungssystem, durch welches das im Hohlraum 9 befindliche Fluid hindurchströmt. Zum Zwecke eines möglicherweise erforderlich werdenden Druckausgleiches können die Einbauten 11 auch zumindest teilweise hohl ausgeführt sein und einen Volumenraum zum Zwecke des Druckausgleiches zur Verfügung stellen. Steigt der Druck innerhalb des Hohlraumes 9 über ein kritisches Maß, so strömt das im Hohlraum 9 befindliche Fluid zumindest teilweise in die von den Einbauten 11 bereitgestellten Druckausgleichsvolumina. Im Falle einer Druckverminderung können dann die von den Einbauten 11 aufgenommenen Mengenanteile des im Hohlraum 9 befindlichen Fluids an den Hohlraum 9 zurück abgegeben werden.The right in the drawing plane of FIG. 2 cavity 9 is formed for the purpose of illustrating the invention in a different way than the reference to the drawing plane of FIG. 2 left cavity 9. The reference to the drawing plane of FIG. 2 right Cavity 9 corresponds in its embodiment to that cavity 9 of FIG. 1. In contrast to the embodiment of FIG. 1, two internals 11 are arranged in the right cavity 9 of FIG. 2, which serve as a displacement body. In this way, the amount of fluid in the cavity 9 can be reduced, which helps reduce the centrifugal forces initiated by the fluid and acting on the rotor 1. The internals 11 are made of a porous material and are preferably arranged by means of heat-movable bearings 12 within the cavity 9. As can be seen from Fig. 2, arises by arranged in the cavity 9 baffles 11 a kind of conduit system through which the fluid located in the cavity 9 passes. For the purpose of possibly becoming pressure equalization, the internals 11 may also be at least partially hollow and provide a volume space for the purpose of pressure equalization available. If the pressure within the cavity 9 rises above a critical level, the fluid in the cavity 9 at least partially flows into the pressure compensation volumes provided by the internals 11. In the case of a pressure reduction, the quantities of the fluid contained in the cavity 9 can then be returned to the cavity 9 back from the fittings 11.

Der anhand der Figuren 1 und 2 exemplarisch erläuterte Rotor 1 zeichnet sich durch seine einfache und robuste Form der Rotorwellenkühlung durch Temperaturausgleich aus. Das Kühlkonzept ist komplett intern, das heißt innerhalb der Rotorwelle 2 angeordnet. Die Funktion des Kühlkonzeptes ist gewährleistet, sobald ein Temperaturgradient vorhanden ist. Der erfindungsgemäße Rotor zeichnet sich durch seinen stabilen Aufbau aus, denn fehlt es ihm an Radialbohrungen, wie diese zur Kühlung der Füße der an der Rotorwelle angeordneten Laufschaufeln mit der EP-A 0 926 311 vorgeschlagen werden. Insofern ist der erfindungsgemäße Rotor 1 wesentlich unempfindlicher gegenüber Kerbwirkungen.The rotor 1 exemplified with reference to FIGS. 1 and 2 is distinguished by its simple and robust shape of the rotor shaft cooling by temperature compensation. The cooling concept is completely internal, that is arranged within the rotor shaft 2. The function of the cooling concept is guaranteed as soon as a temperature gradient is present. The rotor according to the invention is characterized by its stable construction, because he lacks radial bores, such as these for cooling the feet of the arranged on the rotor shaft blades with the EP-A 0 926 311 be proposed. In this respect, the rotor 1 according to the invention is much less sensitive to notch effects.

Das mit dem erfindungsgemäßen Rotor 1 vorgeschlagene Kühlkonzept bewirkt eine außerordentlich effektive Kühlung der Rotorwelle, was es ermöglicht, die Dampfzustände bei gegebenem Wellenwerkstoff zu erhöhen bzw. Kriechschädigungen zu reduzieren. Durch die Kühlung der kritischen Bereiche der Rotorwelle 2 lässt sich die für die mechanische Auslegung relevante Standfestigkeit der Welle um einen Faktor größer 2 erhöhen. Damit ist das Anwendungsspektrum für den erfindungsgemäßen Rotor 1 erhöht, wobei der erfindungsgemäße Rotor 1 für alle Typen von Dampfturbinen eingesetzt werden kann. Zudem wird der zur Kühlung in der Einströmung entzogene Wärmestrom dem Dampf im weiteren Expansionsverlauf wieder zugeführt. Gleiches gilt für Reibungsverluste aus der Umwälzung des Fluids. Darüber hinaus lassen sich mit geeigneten Einbauten 11 Torsionsschwingungen in vorteilhafter Weise abdämpfen.The proposed with the rotor 1 according to the invention cooling concept causes an extremely effective cooling of the rotor shaft, which makes it possible to increase the steam conditions at a given shaft material or to reduce creep damage. By cooling the critical regions of the rotor shaft 2, the stability of the shaft relevant for the mechanical design can be increased by a factor of more than 2. Thus, the range of applications for the rotor 1 according to the invention is increased, wherein the rotor 1 according to the invention can be used for all types of steam turbines. In addition, the heat flow removed for cooling in the inflow becomes fed back to the steam in the further expansion process. The same applies to friction losses from the circulation of the fluid. In addition, with suitable internals 11 torsional vibrations can be damped in an advantageous manner.

Claims (10)

Rotor einer Strömungsmaschine,
insbesondere einer Dampf- und/oder Gasturbine,
mit einer Laufschaufeln tragenden Rotorwelle (2),
wobei die Rotorwelle (2) einen zur die Rotorwelle (2) umgebenden Atmosphäre abgeschlossenen Hohlraum (9) aufweist, der sich in axialer Richtung (8) der Rotorwelle (2) in einem Bereich (16) derselben erstreckt, der bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Rotors (1) einen axialen Temperaturgradienten aufweist, und
wobei der Hohlraum (9) mit einem als Kühlmedium dienenden Fluid befüllt ist, das eine höhere Wärmekapazität als Luft aufweist.Rotor of a turbomachine,
in particular a steam and / or gas turbine,
with a rotor blade carrying rotor blades (2),
wherein the rotor shaft (2) has a hollow space (9) enclosed by the atmosphere surrounding the rotor shaft (2), which extends in the axial direction (8) of the rotor shaft (2) in a region (16) of the rotor when the rotor is used as intended (1) has an axial temperature gradient, and
wherein the cavity (9) is filled with a serving as a cooling medium fluid having a higher heat capacity than air. Rotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Fluid ein Gas oder ein Gasgemisch ist.Rotor according to claim 1,
characterized in that
the fluid is a gas or a gas mixture. Rotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Fluid eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch ist.Rotor according to claim 1,
characterized in that
the fluid is a liquid or a liquid mixture. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
innerhalb des Hohlraums (9) Verdrängungskörper in Form von Einbauten (11) angeordnet sind.Rotor according to one of the preceding claims,
characterized in that
inside the cavity (9) displacement body in the form of internals (11) are arranged. Rotor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einbauten (11) wärmebeweglich gelagert sind.Rotor according to claim 4,
characterized in that
the internals (11) are mounted heat-movable. Rotor nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einbauten (11) aus einem porösen Material, vorzugsweise Keramik bestehen.Rotor according to claim 4 or 5,
characterized in that
the internals (11) made of a porous material, preferably ceramic. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hohlraum (9) als Leitungssystem (18) ausgebildet ist.Rotor according to one of the preceding claims 1 to 3,
characterized in that
the cavity (9) is designed as a conduit system (18). Rotor nach Anspruch (7),
dadurch gekennzeichnet, dass
das Leitungssystem 18) sowohl radial als auch axial zur Rotorwelle (2) verlaufende Bohrungen (13, 14) aufweist.Rotor according to claim (7),
characterized in that
the line system 18) both radially and axially to the rotor shaft (2) extending bores (13, 14). Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hohlraum (9) über eine Druckausgleichseinrichtung verfügt.Rotor according to one of the preceding claims,
characterized in that
the cavity (9) has a pressure compensation device. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
zwei Hohlräume (9), die mittels einer Trennwand (17) voneinander separiert sind.Rotor according to one of the preceding claims,
marked by
two cavities (9) which are separated from each other by means of a partition wall (17).
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