EP1970528A1 - Rotor of a thermal fluid flow engine - Google Patents

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EP1970528A1
EP1970528A1 EP07005083A EP07005083A EP1970528A1 EP 1970528 A1 EP1970528 A1 EP 1970528A1 EP 07005083 A EP07005083 A EP 07005083A EP 07005083 A EP07005083 A EP 07005083A EP 1970528 A1 EP1970528 A1 EP 1970528A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
tie rod
ring
spring elements
recess
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07005083A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Francois Dr. Benkler
Armin Hülfenhaus
Andreas Lüttenberg
Raymond Slaughter
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 EP07005083A priority Critical patent/EP1970528A1/en
Publication of EP1970528A1 publication Critical patent/EP1970528A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F01D5/06—Rotors for more than one axial stage, e.g. of drum or multiple disc type; Details thereof, e.g. shafts, shaft connections
    • F01D5/066—Connecting means for joining rotor-discs or rotor-elements together, e.g. by a central bolt, by clamps
    • 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
    • F01D5/10—Anti- vibration means

Definitions

  • the invention relates to a rotor of a thermal fluid machine with a number of individual, held together by a tie rod and assembled into a unit rotor parts.
  • the invention further relates to a thermal turbomachine with such a rotor.
  • the thermal turbomachinery includes steam and gas turbines as well as rotary compressors and jet engines. These usually have a rotatably mounted rotor surrounded by a stationary housing.
  • the fixed components of a thermal turbomachine are collectively referred to as a stator.
  • a flow channel extending in the axial direction of the turbomachine for a compressible flow medium is arranged.
  • On the rotor usually in the flow channel projecting and combined into groups of blades or rows of blades blades are attached.
  • the blades serve to drive the rotor shaft by momentum transfer from a hot and pressurized flow medium.
  • the thermal energy of the flow medium is thus converted in its relaxation in mechanical energy that can be used for example to drive an electric generator.
  • a compressor unit and a turbine unit are preferably arranged on a common shaft.
  • the compressor also called a compressor, draws in cold ambient air, compresses it and then feeds it to a combustion chamber where it is burned together with an injected fuel.
  • the hot combustion gases eventually flow under high pressure and at high speed into the turbine unit and drive them. Part of the mechanical energy thus generated is used to drive the compressor, the remaining part being available as usable energy.
  • the rotor of a gas turbine is also referred to as a rotor, which is exposed to a high mechanical and thermal stress. Mainly due to the high temperature of the working medium and the forces acting on the rotor forces during operation of the gas turbine, the rotor component is heavily stressed. Nevertheless, in order to be able to ensure operational safety on the one hand and to keep the manufacturing costs of the runner within acceptable limits on the other hand, a large number of design options have been proposed in the past.
  • a proposed embodiment of the rotor for example, by the production of a part feasible.
  • a production method is comparatively complicated in the manufacturing process.
  • no order-independent prefabrication and no parallel processing of individual parts is possible, resulting in high production throughput times.
  • a larger axial distance between the impeller discs must be accepted in order to work with the appropriate tools.
  • these production-related relatively large distances between the wheels worsen the rotor dynamics.
  • the rotor can also be composed of individual rotor parts.
  • the rotor parts of the rotor component are mounted on a shaft and optionally shrunk.
  • the individual rotor parts are held together via a tie rod.
  • the tie rod is guided by an axially extending recess in the rotor parts, whereby the rotor parts can be clamped together.
  • the rotor of the gas turbine is arranged at the end by suitable bearings in the housing of the turbine.
  • vibrations of the rotor component occur whose frequency u. a. from the distance between the two thrust bearings, d. H. is dependent on the free-swinging length of the rotor, in particular of the free-swinging length of the tie rod, in such a construction.
  • With increasing length of the gas turbine and the free-swinging length of the tie rod increases, which causes its natural frequency shifts to a lower level near the rotational frequency of the rotor component. This frequency shift can lead to impermissibly high vibration amplitudes during operation of the gas turbine, which impair the function of the rotor and can lead to damage to the turbine.
  • the invention is therefore based on the object to provide a rotor of the type mentioned, which ensures safe operation of the gas turbine even with increasing overall length.
  • the vibration amplitudes of the tie rod be kept as small as possible, especially in the area of the central hollow shaft.
  • the tie rod with a number of, a tie rod surrounding the ring forming ring segments is provided, wherein the ring segments are clamped in the axially extending recess of the rotor by means of tangentially acting and circumferentially arranged between the ring segments spring elements and wherein the Tie rod is fixed within the ring segments by radially acting and seen in the circumferential direction of the tie rod symmetrically arranged spring elements.
  • the invention is based on the consideration that just for the achievement of an effective damping of the oscillations of the tie rod this should be suitably supported in the rotor, the thermally induced different expansions of the rotor components should still be compensated.
  • the fact should be taken into account that due to the increasing requirements with respect to the performance of the turbine whose length increases, whereby the natural frequency of the tie rod approaches the operating speed of the gas turbine.
  • the tie rod should be suitably supported for this purpose to increase its rigidity. This is achieved in that the tie rod is supported in at least one rotor part by means of a number of preferably symmetrically distributed around the tie rod and radially acting spring elements is supported.
  • ring segments are provided as support elements. These form together with a front between each two ring segments arranged spring element a surrounding the tie rod ring. Starting from these ring segments, the tie rod is fixed axially in the rotor part by means of the radially acting spring elements.
  • the front side between the individual ring segments are arranged Spring elements, acting spring elements.
  • suitable holding elements may be provided on the ring segment.
  • the spring elements used in this system have in addition to the above-mentioned functions, the task to dampen the oscillations of the tie rod occurring during operation of the gas turbine.
  • the tangentially acting spring elements can in principle be formed from different types of springs such as torsion springs or elastomer springs.
  • the use of disc springs is particularly preferred since these have a number of advantageous properties in comparison to other types of spring.
  • disc springs can absorb very large forces even in a small installation space, with their spring characteristic linear or degressive and can be switched by a suitable arrangement and progressively.
  • the characteristic of a spring element formed from a number of disc springs can be varied by the appropriate combination of the individual disc springs within wide limits.
  • this is surrounded by a retaining ring for transmitting the spring force on the tie rod.
  • the retaining ring is expediently non-positively and / or positively with connected to the tie rod. For example, this can be shrunk onto the tie rod.
  • This type of connection is particularly suitable, since thus a particularly rigid connection between the retaining ring and the tie rod is made possible in a simple manner.
  • the retaining ring is provided with a number of its surface protruding guide elements.
  • the shape of the guide elements preferably corresponds to a shape suitable for receiving the spring elements.
  • the spring elements can be fixed in the circumference of the rotor part, so that even during operation of the gas turbine whose position and orientation remains largely unchanged.
  • the guide elements are preferably an integral part of the retaining ring, wherein to avoid an imbalance, the guide elements should be arranged symmetrically in the circumference of the retaining ring.
  • the guide elements are arranged, for example, for receiving spirally curved or elastomeric spring elements, in particular for receiving disc springs, aligned radially on the retaining ring.
  • a guided spring element is achieved that the spring force can act radially on the retaining ring on the tie rod.
  • the expansion of the guide elements in the radial direction should not be too large to prevent a collision with the guide element opposite retaining ring.
  • this system for supporting the tie rod in the rotor part of the guide element opposite ring segment is provided with a profile corresponding to the respective guide element recess.
  • the recess is preferably introduced at a location of the axis of symmetry extending in the radial direction of the ring segment.
  • the ratio between the radial extent of the guide element and the depth of the recess in the ring segment is to be chosen taking into account the spring constant of the spring element so that a sufficiently large range of motion of the guide member is ensured in the recess, in particular during operation of the gas turbine.
  • the rotor part is a rotor disk or a hollow shaft. If the rotor part is designed as a rotor disk, it can also carry blades of the turbine or of the compressor on its outer circumference. In the event that the rotor part is formed as a arranged between the turbine section and the compressor section hollow shaft, the tie rod can be supported in the central region of its longitudinal extent on the hollow shaft.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that a secure operation of the gas turbine is made possible with such an increasing length by such a support of the tie rod in the rotor part.
  • the damping of the vibrations of the tie rod occurring during operation of the gas turbine is thus made possible.
  • the thermally induced relative movements between the rotor parts and the tie rod can be compensated particularly well.
  • a cooling necessary due to the high thermal load of the rotor component is ensured by means of a cooling air duct extending in the axial direction of the rotor.
  • FIG. 1 A rotor 2 of a gas turbine with a number of individual, held together by a tie rod 4 and assembled into a unit rotor parts 6 is in FIG. 1 shown.
  • the respective rotor parts 6 are on the connection side provided with symmetrically to the central axis M of the rotor 2 extending recesses 8, wherein the resulting contours are formed corresponding to the contours of the respective adjacent rotor part 6, whereby a concentric alignment of the rotor part 6 to the central axis M is effected.
  • Each of the rotor parts 6 is provided for guiding the tie rod 4 with an axially extending bore 10, wherein the tie rod is screwed end to a rotor part 6 and thus all interposed rotor parts 6 are held together.
  • the introduced in the rotor parts 6 recesses 8 serve to guide a cooling medium for cooling the rotor components by cooling air is supplied via a cooling channel formed between the tie rod 4 and the rotor part 6.
  • the tie rod 4 is supported at least in one, preferably in the region of the central hollow shaft rotor part 6. Such a trained rotor part 6 is in FIG. 2 shown.
  • a retaining ring 12 extending from the surface extending in the radial direction guide elements 14.
  • the guide elements 14 are arranged symmetrically distributed on the circumference of the retaining ring 12, wherein the free ends are guided in a corresponding to the profile of the guide member 14 recess 16 in a radially opposite ring segment 18.
  • the radial spring elements 22 used for fixing the tie rod preferably all have the same spring constant, whereby the tie rod 4 is centered in the manner of a self-centering design without active measures in the rotor part 6.
  • each of the radial spring elements 22 is composed of five disc springs 20, wherein the disc springs 20 are connected in series.
  • the case surrounding the tie rod 4 ring segments 18 allow the compensation of the occurring during operation of the gas turbine, thermally induced expansion differences in the tangential direction.
  • 18 tangentially acting disc springs 20 are arranged in the circumference of the outer ring formed from the individual ring segments 18 between the ring segments.
  • Each of the Tangentialfederemia 24 is formed in this embodiment each of two series-connected disc springs 20, wherein each of the tangentially acting spring elements 24 is equally dimensioned.
  • the system integrated in the rotor 2 is constructed symmetrically with respect to the axis of rotation.
  • the provided with the radial spring elements 22 guide elements 14 and the Tangentialfederlude 24 each offset by 120 ° to each other about the axis of rotation around, wherein the radial spring elements 22 with respect to the Tangentialfederemia 24 are mutually offset by 60 °.

Landscapes

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

Abstract

The rotor has a tie rod (4), which is guided by an axially running recess, which is provided with a number of the tie rod surrounding a ring segment (18) formed in a ring manner. The ring segment is braced in the recess by a tangential operation and spring elements (24) are arranged in the area between the ring segment. The tie rod is fixed inside the ring segment by radial operation and the spring elements (22) are symmetrically arranged in the area of the tie rod.

Description

Die Erfindung betrifft einen Läufer einer thermischen Strömungsmaschine mit einer Anzahl von einzelnen, durch einen Zuganker zusammengehaltenen und zu einer Einheit zusammengefügten Läuferteilen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine thermische Strömungsmaschine mit einem solchen Läufer.The invention relates to a rotor of a thermal fluid machine with a number of individual, held together by a tie rod and assembled into a unit rotor parts. The invention further relates to a thermal turbomachine with such a rotor.

Zu den thermischen Strömungsmaschinen werden Dampf- und Gasturbinen sowie Rotationsverdichter und Strahltriebwerke gezählt. Diese weisen üblicherweise einen von einem feststehenden Gehäuse umgebenen drehbar gelagerten Rotor auf. Die feststehenden Baugruppen einer thermischen Strömungsmaschine werden zusammengefasst auch als Stator bezeichnet. Zwischen dem Rotor und dem Stator ist ein in axialer Richtung der Strömungsmaschine verlaufender Strömungskanal für ein kompressibles Strömungsmedium angeordnet. An dem Rotor sind üblicherweise in den Strömungskanal hineinragende und zu Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefasste Laufschaufeln befestigt. Im Falle einer Kraftmaschine, wie etwa einer Gasturbine, dienen die Laufschaufeln zum Antrieb der Rotorwelle durch Impulsübertrag aus einem heißen und unter Druck stehenden Strömungsmedium. Die thermische Energie des Strömungsmediums wird also bei dessen Entspannung in mechanische Energie umgewandelt, die beispielsweise zum Antrieb eines elektrischen Generators genutzt werden kann.The thermal turbomachinery includes steam and gas turbines as well as rotary compressors and jet engines. These usually have a rotatably mounted rotor surrounded by a stationary housing. The fixed components of a thermal turbomachine are collectively referred to as a stator. Between the rotor and the stator, a flow channel extending in the axial direction of the turbomachine for a compressible flow medium is arranged. On the rotor usually in the flow channel projecting and combined into groups of blades or rows of blades blades are attached. In the case of an engine, such as a gas turbine, the blades serve to drive the rotor shaft by momentum transfer from a hot and pressurized flow medium. The thermal energy of the flow medium is thus converted in its relaxation in mechanical energy that can be used for example to drive an electric generator.

Im Falle eines zu den Arbeitsmaschinen zählenden Rotationsverdichters wird umgekehrt die Rotorwelle z. B. durch einen Elektro- oder Verbrennungsmotor oder auf andere Weise angetrieben. Die rotorseitig angeordneten Laufschaufeln dienen dabei zur Komprimierung des im Strömungskanal befindlichen Strömungsmediums, das sich bei diesem Vorgang zugleich erwärmt. Es wird also mechanische Energie in thermische Energie des Strömungsmediums umgewandelt.In the case of counting to the working machines rotary compressor, conversely, the rotor shaft z. B. driven by an electric or internal combustion engine or otherwise. The rotor blades arranged on the rotor serve to compress the flow medium in the flow channel, which at the same time heats up during this process. Thus, mechanical energy is converted into thermal energy of the flow medium.

Bei einer Gasturbine sind eine Verdichtereinheit und eine Turbineneinheit vorzugsweise auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Der Verdichter, auch Kompressor genannt, saugt kalte Umgebungsluft an, verdichtet sie und führt sie dann einer Brennkammer zu, wo sie zusammen mit einem eingespritzten Brennstoff verbrannt wird. Die heißen Verbrennungsgase strömen schließlich unter hohem Druck und mit hoher Geschwindigkeit in die Turbineneinheit und treiben diese an. Ein Teil der so erzeugten mechanischen Energie wird zum Antrieb des Verdichters genutzt, wobei der verbleibende Teil als nutzbare Energie zur Verfügung steht.In a gas turbine, a compressor unit and a turbine unit are preferably arranged on a common shaft. The compressor, also called a compressor, draws in cold ambient air, compresses it and then feeds it to a combustion chamber where it is burned together with an injected fuel. The hot combustion gases eventually flow under high pressure and at high speed into the turbine unit and drive them. Part of the mechanical energy thus generated is used to drive the compressor, the remaining part being available as usable energy.

Der Rotor einer Gasturbine wird auch als Läufer bezeichnet, wobei dieser einer hohen mechanischen und thermischen Belastung ausgesetzt ist. Vor allem durch die hohe Temperatur des Arbeitsmediums und die auf den Läufer wirkenden Kräfte während des Betriebes der Gasturbine wird die Rotorkomponente stark beansprucht. Um trotzdem einerseits die Betriebssicherheit gewährleisten zu können und andererseits die Fertigungskosten des Läufers in akzeptablen Grenzen zu halten, wurden in der Vergangenheit eine Vielzahl von Konstruktionsmöglichkeiten vorgeschlagen.The rotor of a gas turbine is also referred to as a rotor, which is exposed to a high mechanical and thermal stress. Mainly due to the high temperature of the working medium and the forces acting on the rotor forces during operation of the gas turbine, the rotor component is heavily stressed. Nevertheless, in order to be able to ensure operational safety on the one hand and to keep the manufacturing costs of the runner within acceptable limits on the other hand, a large number of design options have been proposed in the past.

Eine vorgeschlagene Ausführungsform des Läufers ist beispielsweise durch dessen Fertigung aus einem Teil realisierbar. Eine derartige Herstellungsmethode ist aber vergleichsweise aufwändig im Fertigungsprozess. Insbesondere ist keine auftragsunabhängige Vorfertigung und auch keine Parallelbearbeitung von Einzelteilen möglich, so dass sich hohe Fertigungsdurchlaufzeiten ergeben. Zudem muss ein größerer axialer Abstand zwischen den Laufradscheiben hingenommen werden, um mit den entsprechenden Werkzeugen arbeiten zu können. Diese fertigungsbedingten relativ großen Abstände zwischen den Laufrädern verschlechtern jedoch die Rotordynamik.A proposed embodiment of the rotor, for example, by the production of a part feasible. However, such a production method is comparatively complicated in the manufacturing process. In particular, no order-independent prefabrication and no parallel processing of individual parts is possible, resulting in high production throughput times. In addition, a larger axial distance between the impeller discs must be accepted in order to work with the appropriate tools. However, these production-related relatively large distances between the wheels worsen the rotor dynamics.

Um die Herstellung des Läufers ohne die oben genannten Nachteile zu ermöglichen, kann der Läufer auch aus einzelnen Läuferteilen zusammengesetzt sein. Beispielsweise werden die Läuferteile der Rotorkomponente auf eine Welle aufgezogen und ggf. aufgeschrumpft. Die einzelnen Läuferteile werden dabei über einen Zuganker zusammengehalten. Dabei wird der Zuganker durch eine axial verlaufende Ausnehmung in den Läuferteilen geführt, wodurch die Läuferteile miteinander verspannt werden können.In order to enable the manufacture of the rotor without the above-mentioned disadvantages, the rotor can also be composed of individual rotor parts. For example, the rotor parts of the rotor component are mounted on a shaft and optionally shrunk. The individual rotor parts are held together via a tie rod. The tie rod is guided by an axially extending recess in the rotor parts, whereby the rotor parts can be clamped together.

Der Läufer der Gasturbine ist endseitig durch geeignete Lager im Gehäuse der Turbine angeordnet. Während des Betriebes der Gasturbine treten jedoch Schwingungen der Rotorkomponente auf, deren Frequenz u. a. vom Abstand der beiden Axiallager, d. h. von der frei schwingenden Länge des Läufers, insbesondere von der frei schwingenden Länge des Zugankers, bei einer derartigen Bauweise abhängig ist. Mit zunehmender Baulänge der Gasturbine nimmt auch die frei schwingende Länge des Zugankers zu, was dazu führt, dass sich dessen Eigenfrequenz auf ein niedrigeres Niveau nahe der Rotationsfrequenz der Rotorkomponente verschiebt. Diese Frequenzverschiebung kann während des Betriebes der Gasturbine zu unzulässig hohen Schwingungsamplituden führen, welche die Funktion des Läufers beeinträchtigen und zu Schäden der Turbine führen kann.The rotor of the gas turbine is arranged at the end by suitable bearings in the housing of the turbine. During operation of the gas turbine, however, vibrations of the rotor component occur whose frequency u. a. from the distance between the two thrust bearings, d. H. is dependent on the free-swinging length of the rotor, in particular of the free-swinging length of the tie rod, in such a construction. With increasing length of the gas turbine and the free-swinging length of the tie rod increases, which causes its natural frequency shifts to a lower level near the rotational frequency of the rotor component. This frequency shift can lead to impermissibly high vibration amplitudes during operation of the gas turbine, which impair the function of the rotor and can lead to damage to the turbine.

Es ist wünschenswert, den Zuganker in geeigneter Weise abzustützen, so dass die während des Betriebes der Gasturbine auftretenden Schwingungen gedämpft werden können. Somit wäre einerseits die Betriebssicherheit der Turbine gewährleistet, und andererseits könnte somit dem steigenden Leistungsbedarf, zu dessen Deckung beispielsweise eine Erweiterung der Baulänge der Gasturbine notwendig ist, entsprochen werden.It is desirable to adequately support the tie rod so that vibrations occurring during operation of the gas turbine can be damped. Thus, on the one hand, the operational safety of the turbine would be guaranteed, and on the other hand could thus be the increasing power requirements, the coverage of which, for example, an extension of the overall length of the gas turbine is necessary met.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Läufer der eingangs genannten Art anzugeben, welcher einen sicheren Betrieb der Gasturbine auch bei steigender Baulänge gewährleistet. Dabei sollen die Schwingungsamplituden des Zugankers insbesondere im Bereich der mittleren Hohlwelle möglichst klein gehalten werden.The invention is therefore based on the object to provide a rotor of the type mentioned, which ensures safe operation of the gas turbine even with increasing overall length. In this case, the vibration amplitudes of the tie rod be kept as small as possible, especially in the area of the central hollow shaft.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem der Zuganker mit einer Anzahl von, einen den Zuganker umgebenden Ring bildenden Ringsegmenten versehen ist, wobei die Ringsegmente in der axial verlaufenden Ausnehmung des Läufers mittels tangential wirkenden und im Umfang zwischen den Ringsegmenten angeordneten Federelementen verspannt sind und wobei der Zuganker innerhalb der Ringsegmente durch radial wirkende und in Umfangsrichtung des Zugankers gesehen symmetrisch angeordnete Federelemente fixiert ist.This object is achieved by the tie rod with a number of, a tie rod surrounding the ring forming ring segments is provided, wherein the ring segments are clamped in the axially extending recess of the rotor by means of tangentially acting and circumferentially arranged between the ring segments spring elements and wherein the Tie rod is fixed within the ring segments by radially acting and seen in the circumferential direction of the tie rod symmetrically arranged spring elements.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass gerade für das Erreichen einer effektiven Dämpfung der Schwingungen des Zugankers dieser geeignet im Läufer abgestützt sein sollte, wobei die thermisch bedingten unterschiedlichen Ausdehnungen der Rotorkomponenten dennoch ausgleichbar gehalten sein sollten. Insbesondere sollte dem Umstand Rechnung getragen werden, dass aufgrund der steigenden Anforderungen bzgl. der Leistung der Turbine deren Länge zunimmt, wodurch sich die Eigenfrequenz des Zugankers der Betriebsdrehzahl der Gasturbine nähert. Der Zuganker sollte zu diesem Zweck geeignet abgestützt werden, um dessen Steifigkeit zu erhöhen. Dies wird dadurch erreicht, dass der Zuganker in mindestens einem Läuferteil mittels einer Anzahl von um den Zuganker herum vorzugsweise symmetrisch verteilt angeordneten und radial wirkenden Federelementen abgestützt ist. Dazu sind zusätzlich im Umfang des Läuferteils angeordnete Ringsegmente als Stützelemente vorgesehen. Diese bilden zusammen mit einem zwischen jeweils zwei Ringsegmenten stirnseitig angeordneten Federelement einen den Zuganker umgebenden Ring. Ausgehend von diesen Ringsegmenten wird der Zuganker mittels der radial wirkenden Federelemente axial im Läuferteil fixiert.The invention is based on the consideration that just for the achievement of an effective damping of the oscillations of the tie rod this should be suitably supported in the rotor, the thermally induced different expansions of the rotor components should still be compensated. In particular, the fact should be taken into account that due to the increasing requirements with respect to the performance of the turbine whose length increases, whereby the natural frequency of the tie rod approaches the operating speed of the gas turbine. The tie rod should be suitably supported for this purpose to increase its rigidity. This is achieved in that the tie rod is supported in at least one rotor part by means of a number of preferably symmetrically distributed around the tie rod and radially acting spring elements is supported. For this purpose, additionally arranged in the circumference of the rotor part ring segments are provided as support elements. These form together with a front between each two ring segments arranged spring element a surrounding the tie rod ring. Starting from these ring segments, the tie rod is fixed axially in the rotor part by means of the radially acting spring elements.

Um auch bei Stillstand der Turbine einen Kontakt zwischen den Ringsegmenten und dem Läuferteil zu gewährleisten, sind die stirnseitig zwischen den einzelnen Ringsegmenten angeordneten Federelemente, wirkende Federelemente. Zu deren Fixierung können geeignete Halteelemente am Ringsegment vorgesehen sein. Mittels der Federelemente wird erreicht, dass einerseits die Ringsegmente in radialer Richtung gegen das Läuferteil gedrückt werden und andererseits thermisch bedingte Dehnungsdifferenzen kompensiert werden können. Während des Betriebes der Gasturbine wird die aufgrund der tangential wirkenden Federelemente auftretende Kraftkomponente in radialer Richtung durch die ebenfalls in radialer Richtung wirkenden Fliehkräfte verstärkt.In order to ensure a contact between the ring segments and the rotor part even when the turbine is stopped, the front side between the individual ring segments are arranged Spring elements, acting spring elements. To fix it, suitable holding elements may be provided on the ring segment. By means of the spring elements ensures that on the one hand the ring segments are pressed in the radial direction against the rotor part and on the other hand thermally induced expansion differences can be compensated. During operation of the gas turbine, the force component occurring due to the tangentially acting spring elements is amplified in the radial direction by the centrifugal forces which likewise act in the radial direction.

Die bei diesem System eingesetzten Federelemente haben neben den oben genannten Funktionen die Aufgabe, die während des Betriebes der Gasturbine auftretenden Schwingungen des Zugankers zu dämpfen. Dazu sind ausgehend von der dem Zuganker zugewandten Seite der Ringsegmente vorteilhafterweise in Richtung des Zugankers wirkende Federelemente im Läuferteil angeordnet. Dabei können diese und auch die tangential wirkenden Federelemente prinzipiell aus verschiedenen Federtypen wie beispielsweise Biegefedern oder Elastomerfedern gebildet sein. Besonders bevorzugt ist jedoch der Einsatz von Tellerfedern, da diese im Vergleich zu anderen Federtypen eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise können Tellerfedern auch bei kleinem Einbauraum sehr große Kräfte aufnehmen, wobei deren Federkennlinie linear oder degressiv und durch eine geeignete Anordnung auch progressiv geschaltet werden kann. Zudem kann die Charakteristik eines aus einer Anzahl von Tellerfedern gebildeten Federelements durch die geeignete Kombination der einzelnen Tellerfedern innerhalb weiter Grenzen variiert werden. Somit lassen sich auf einfache Art und Weise die Federkraft und der Federweg der jeweiligen Anforderung an das System, insbesondere das Dämpfungsverhalten gegenüber auftretender Schwingungen des Zugankers, entsprechend anpassen.The spring elements used in this system have in addition to the above-mentioned functions, the task to dampen the oscillations of the tie rod occurring during operation of the gas turbine. For this purpose, starting from the side facing the tie rod side of the ring segments advantageously acting in the direction of the tie rod spring elements are arranged in the rotor part. These and also the tangentially acting spring elements can in principle be formed from different types of springs such as torsion springs or elastomer springs. However, the use of disc springs is particularly preferred since these have a number of advantageous properties in comparison to other types of spring. For example, disc springs can absorb very large forces even in a small installation space, with their spring characteristic linear or degressive and can be switched by a suitable arrangement and progressively. In addition, the characteristic of a spring element formed from a number of disc springs can be varied by the appropriate combination of the individual disc springs within wide limits. Thus, in a simple manner, the spring force and the travel of the respective requirement of the system, in particular the damping behavior against occurring vibrations of the tie rod, adapted accordingly.

Vorzugsweise ist zur Übertragung der Federkraft auf den Zuganker dieser von einem Haltering umgeben. Dabei ist der Haltering zweckmäßigerweise kraft- und/oder formschlüssig mit dem Zuganker verbunden. Beispielsweise kann dieser auf den Zuganker aufgeschrumpft werden. Diese Art der Verbindung ist besonders geeignet, da somit auf einfache Art und Weise eine besonders starre Verbindung zwischen dem Haltering und dem Zuganker ermöglicht ist.Preferably, this is surrounded by a retaining ring for transmitting the spring force on the tie rod. The retaining ring is expediently non-positively and / or positively with connected to the tie rod. For example, this can be shrunk onto the tie rod. This type of connection is particularly suitable, since thus a particularly rigid connection between the retaining ring and the tie rod is made possible in a simple manner.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Haltering mit einer Anzahl von dessen Oberfläche abstehenden Führungselementen versehen. Die Form der Führungselemente entspricht dabei vorzugsweise einer zur Aufnahme der Federelemente geeigneten Form. Auf diese Weise können die Federelemente im Umfang des Läuferteils fixiert werden, so dass auch während des Betriebes der Gasturbine deren Position und Ausrichtung weitgehend unverändert bleibt. Die Führungselemente sind dazu vorzugsweise integraler Bestandteil des Halterings, wobei zur Vermeidung einer Unwucht die Führungselemente symmetrisch im Umfang des Halterings angeordnet sein sollten.According to a preferred embodiment of the retaining ring is provided with a number of its surface protruding guide elements. The shape of the guide elements preferably corresponds to a shape suitable for receiving the spring elements. In this way, the spring elements can be fixed in the circumference of the rotor part, so that even during operation of the gas turbine whose position and orientation remains largely unchanged. The guide elements are preferably an integral part of the retaining ring, wherein to avoid an imbalance, the guide elements should be arranged symmetrically in the circumference of the retaining ring.

Die Führungselemente sind beispielsweise zur Aufnahme spiralförmig gebogener oder elastomerer Federelemente, insbesondere zur Aufnahme von Tellerfedern, radial ausgerichtet am Haltering angeordnet. Durch ein derartig geführtes Federelement wird erreicht, dass die Federkraft radial über den Haltering auf den Zuganker wirken kann. Dabei sollte die Ausdehnung der Führungselemente in radialer Richtung nicht zu groß sein, um eine Kollision mit dem dem Führungselement gegenüberliegenden Haltering zu verhindern.The guide elements are arranged, for example, for receiving spirally curved or elastomeric spring elements, in particular for receiving disc springs, aligned radially on the retaining ring. By such a guided spring element is achieved that the spring force can act radially on the retaining ring on the tie rod. In this case, the expansion of the guide elements in the radial direction should not be too large to prevent a collision with the guide element opposite retaining ring.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung dieses Systems zur Abstützung des Zugankers im Läuferteil ist das dem Führungselement gegenüberliegende Ringsegment mit einer zum Profil des jeweiligen Führungselements korrespondierenden Ausnehmung versehen. Die Ausnehmung ist dabei vorzugsweise an einer Stelle der in radialer Richtung verlaufenden Symmetrieachse des Ringsegmentes eingebracht. Somit können auf einfache Art und Weise die Führungselemente in den Ausnehmungen im Ringsegmente geführt werden, wodurch das Federelement besonders effektiv zwischen dem Haltering und dem Ringsegment fixiert werden kann. Das Verhältnis zwischen der radialen Ausdehnung des Führungselements und der Tiefe der Ausnehmung im Ringsegment ist dabei unter Berücksichtigung der Federkonstante des Federelements so zu wählen, dass ein ausreichend großer Bewegungsspielraum des Führungselements in der Ausnehmung insbesondere während des Betriebes der Gasturbine gewährleistet ist.In a particularly advantageous embodiment of this system for supporting the tie rod in the rotor part of the guide element opposite ring segment is provided with a profile corresponding to the respective guide element recess. The recess is preferably introduced at a location of the axis of symmetry extending in the radial direction of the ring segment. Thus, the guide elements can be performed in the recesses in the ring segments in a simple manner, whereby the spring element is particularly effectively fixed between the retaining ring and the ring segment can be. The ratio between the radial extent of the guide element and the depth of the recess in the ring segment is to be chosen taking into account the spring constant of the spring element so that a sufficiently large range of motion of the guide member is ensured in the recess, in particular during operation of the gas turbine.

Vorzugsweise ist das Läuferteil eine Rotorscheibe oder eine Hohlwelle. Sofern das Läuferteil als Rotorscheibe ausgebildet ist, kann diese an ihrem äußeren Umfang auch Schaufeln der Turbine oder des Verdichters tragen. Für den Fall, dass das Läuferteil als eine zwischen dem Turbinenabschnitt und dem Verdichterabschnitt angeordnete Hohlwelle ausgebildet ist, kann der Zuganker im mittleren Bereich seiner Längserstreckung an der Hohlwelle abgestützt werden.Preferably, the rotor part is a rotor disk or a hollow shaft. If the rotor part is designed as a rotor disk, it can also carry blades of the turbine or of the compressor on its outer circumference. In the event that the rotor part is formed as a arranged between the turbine section and the compressor section hollow shaft, the tie rod can be supported in the central region of its longitudinal extent on the hollow shaft.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch eine derartige Abstützung des Zugankers im Läuferteil ein sicherer Betrieb der Gasturbine auch mit deren zunehmender Baulänge ermöglicht ist. Insbesondere ist somit die Dämpfung der während des Betriebes der Gasturbine auftretenden Schwingungen des Zugankers ermöglicht. Weiterhin können durch ein derartig gebildetes System die thermisch bedingten Relativbewegungen zwischen den Läuferteilen und dem Zuganker besonders gut ausgeglichen werden. Gleichzeitig ist aber auch ein eine aufgrund der hohen thermischen Belastung der Rotorkomponente notwendige Kühlung mittels einer in axialer Richtung des Läufers verlaufende Kühlluftführung gewährleistet.The advantages achieved by the invention are, in particular, that a secure operation of the gas turbine is made possible with such an increasing length by such a support of the tie rod in the rotor part. In particular, the damping of the vibrations of the tie rod occurring during operation of the gas turbine is thus made possible. Furthermore, by such a system formed, the thermally induced relative movements between the rotor parts and the tie rod can be compensated particularly well. At the same time, however, a cooling necessary due to the high thermal load of the rotor component is ensured by means of a cooling air duct extending in the axial direction of the rotor.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1
eine Schnittdarstellung eines Turbinenläufers, und
FIG 2
einen Querschnitt durch ein Läuferteil.
An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Show:
FIG. 1
a sectional view of a turbine rotor, and
FIG. 2
a cross section through a rotor part.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical parts are provided with the same reference numerals in all figures.

Ein Läufer 2 einer Gasturbine mit einer Anzahl aus einzelnen, durch einen Zuganker 4 zusammengehaltenen und zu einer Einheit zusammengefügten Läuferteilen 6 ist in FIG 1 dargestellt. Dabei sind die jeweiligen Läuferteile 6 verbindungsseitig mit symmetrisch zur Mittelachse M des Läufers 2 verlaufenden Ausnehmungen 8 versehen, wobei die dadurch entstehenden Konturen korrespondierend zu den Konturen des jeweiligen benachbarten Läuferteils 6 ausgebildet sind, wodurch eine konzentrische Ausrichtung der Läuferteil 6 zur Mittelachse M bewirkt wird.A rotor 2 of a gas turbine with a number of individual, held together by a tie rod 4 and assembled into a unit rotor parts 6 is in FIG. 1 shown. The respective rotor parts 6 are on the connection side provided with symmetrically to the central axis M of the rotor 2 extending recesses 8, wherein the resulting contours are formed corresponding to the contours of the respective adjacent rotor part 6, whereby a concentric alignment of the rotor part 6 to the central axis M is effected.

Jedes der Läuferteile 6 ist zur Führung des Zugankers 4 mit einer axial verlaufenden Bohrung 10 versehen, wobei der Zuganker endseitig mit einem Läuferteil 6 verschraubt ist und somit alle dazwischen angeordneten Läuferteile 6 zusammengehalten werden. Die in den Läuferteilen 6 eingebrachten Ausnehmungen 8 dienen dabei zur Führung eines Kühlmediums zum Kühlen der Rotorkomponenten, indem Kühlluft über einen zwischen dem Zuganker 4 und dem Läuferteil 6 gebildeten Kühlkanal zugeführt wird.Each of the rotor parts 6 is provided for guiding the tie rod 4 with an axially extending bore 10, wherein the tie rod is screwed end to a rotor part 6 and thus all interposed rotor parts 6 are held together. The introduced in the rotor parts 6 recesses 8 serve to guide a cooling medium for cooling the rotor components by cooling air is supplied via a cooling channel formed between the tie rod 4 and the rotor part 6.

Der Zuganker 4 wird dabei mindestens in einem, vorzugsweise im Bereich der mittleren Hohlwelle angeordneten Läuferteil 6 abgestützt. Ein derartig gebildetes Läuferteil 6 ist in FIG 2 dargestellt. Dazu ist in dessen axial verlaufender Bohrung 10 der Zuganker 4 von einem Haltering 12 umgeben, von dessen Oberfläche in radialer Richtung verlaufende Führungselemente 14 abstehen. Die Führungselemente 14 sind dabei symmetrisch am Umfang des Halterings 12 verteilt angeordnet, wobei deren freie Enden in eine dem Profil des Führungselementes 14 entsprechende Ausnehmung 16 in einem in radialer Richtung gegenüberliegenden Ringsegment 18 geführt sind. Dabei sind mittels der Führungselemente 14 zwischen dem zugankerseitigen Haltering 12 und dem läuferteilseitigen Ringsegment 18 sowie im Umfang zwischen jeweils zwei benachbart angeordneten Ringsegmenten 18, Tellerfedern 20 angeordnet, wodurch auf diese Weise der Zuganker 4 im Läuferteil 6 fixiert ist.The tie rod 4 is supported at least in one, preferably in the region of the central hollow shaft rotor part 6. Such a trained rotor part 6 is in FIG. 2 shown. For this purpose, in the axially extending bore 10 of the tie rod 4 is surrounded by a retaining ring 12, extending from the surface extending in the radial direction guide elements 14. The guide elements 14 are arranged symmetrically distributed on the circumference of the retaining ring 12, wherein the free ends are guided in a corresponding to the profile of the guide member 14 recess 16 in a radially opposite ring segment 18. In this case, by means of the guide elements 14 between the tie rod side retaining ring 12 and the rotor part side ring segment 18 and in Circumference between each two adjacently arranged ring segments 18, disc springs 20 are arranged, whereby in this way the tie rod 4 is fixed in the rotor part 6.

Die zur Fixierung des Zugankers eingesetzten Radialfederelemente 22 haben vorzugsweise alle dieselbe Federkonstante, wodurch der Zuganker 4 in der Art einer selbstzentrierenden Ausführung ohne aktive Maßnahmen im Läuferteil 6 zentriert wird. Zu diesem Zweck ist jedes der Radialfederelemente 22 aus jeweils fünf Tellerfedern 20 zusammengesetzt, wobei die Tellerfedern 20 in Reihe geschaltet sind.The radial spring elements 22 used for fixing the tie rod preferably all have the same spring constant, whereby the tie rod 4 is centered in the manner of a self-centering design without active measures in the rotor part 6. For this purpose, each of the radial spring elements 22 is composed of five disc springs 20, wherein the disc springs 20 are connected in series.

Die dabei den Zuganker 4 umgebenden Ringsegmente 18 ermöglichen die Kompensation der, während des Betriebes der Gasturbine auftretenden, thermisch bedingten Dehnungsdifferenzen in tangentialer Richtung. Dazu sind im Umfang des aus den einzelnen Ringsegmenten 18 gebildeten äußeren Ringes zwischen den Ringsegmenten 18 tangential wirkende Tellerfedern 20 angeordnet. Jedes der Tangentialfederelemente 24 ist in diesem Ausführungsbeispiel jeweils aus zwei in Reihe geschalteten Tellerfedern 20 gebildet, wobei jedes der tangential wirkenden Federelemente 24 gleichermaßen dimensioniert ist. Somit ist vorteilhafterweise neben dem thermisch bedingten Dehnungsausgleich auch bei Stillstand der Gasturbine gewährleistet, dass die einzelnen Ringsegmente 18 in Kontakt mit dem Läuferteil 6 bleiben.The case surrounding the tie rod 4 ring segments 18 allow the compensation of the occurring during operation of the gas turbine, thermally induced expansion differences in the tangential direction. For this purpose, 18 tangentially acting disc springs 20 are arranged in the circumference of the outer ring formed from the individual ring segments 18 between the ring segments. Each of the Tangentialfederelemente 24 is formed in this embodiment each of two series-connected disc springs 20, wherein each of the tangentially acting spring elements 24 is equally dimensioned. Thus, in addition to the thermally induced expansion compensation is ensured even at a standstill of the gas turbine that the individual ring segments 18 remain in contact with the rotor part 6.

Mit den derartig gebildeten, in radialer und tangentialer Richtung wirkenden Federelementen 22, 24 lässt sich somit auf besonders einfache Art und Weise durch unterschiedliche Kombinationen der Anordnung und Dimensionierung der Tellerfedern 20 das Dämpfungsverhalten des Systems den Anforderungen entsprechend anpassen.With the thus formed, acting in the radial and tangential direction spring elements 22, 24 can thus be adapted in a particularly simple manner by different combinations of the arrangement and dimensioning of the disc springs 20, the damping behavior of the system according to the requirements.

Um eine effektive Dämpfung der Schwingungen des Zugankers 4 zu realisieren und um eine Unwucht des Läufers 2 zu verhindern, ist das in den Läufer 2 integrierte System bezüglich der Rotationsachse symmetrisch aufgebaut. Insbesondere sind dazu die mit den Radialfederelementen 22 versehenen Führungselemente 14 sowie die Tangentialfederelemente 24 jeweils zueinander um 120° um die Rotationsachse herum versetzt angeordnet, wobei die Radialfederelemente 22 bzgl. der Tangentialfederelemente 24 zueinander um 60° versetzt angeordnet sind.In order to realize an effective damping of the oscillations of the tie rod 4 and to prevent an imbalance of the rotor 2, the system integrated in the rotor 2 is constructed symmetrically with respect to the axis of rotation. In particular are to the provided with the radial spring elements 22 guide elements 14 and the Tangentialfederelemente 24 each offset by 120 ° to each other about the axis of rotation around, wherein the radial spring elements 22 with respect to the Tangentialfederelemente 24 are mutually offset by 60 °.

Claims (10)

Läufer (2) einer Turbine,
insbesondere einer Gasturbine,
mit einer Anzahl aus einzelnen, durch einen Zuganker (4) zusammengehaltenen und zu einer Einheit zusammengefügten Läuferteilen (6),
wobei der Zuganker (4) durch eine axial verlaufende Ausnehmung (8) im Läufer (2) geführt ist, welche mit einer Anzahl von einen den Zuganker (4) umgebenen Ring bildenden Ringsegmenten (18) versehene ist,
wobei die Ringsegmente (18) in der Ausnehmung (8) mittels tangential wirkenden und im Umfang zwischen den Ringsegmenten (18) angeordneten Federelementen (24) verspannt sind und
wobei der Zuganker innerhalb der Ringsegmente (18) durch radial wirkende und im Umfang des Zugankers (4) symmetrisch angeordnete Federelemente (22) fixiert ist.Rotor (2) of a turbine,
in particular a gas turbine,
with a number of individual rotor parts (6) held together by a tie rod (4) and assembled into a single unit,
wherein the tie rod (4) is guided through an axially extending recess (8) in the rotor (2) which is provided with a number of ring segments (18) forming a ring surrounding the tie rod (4),
wherein the ring segments (18) in the recess (8) by means of tangentially acting and circumferentially between the ring segments (18) arranged spring elements (24) are braced and
wherein the tie rod is fixed within the ring segments (18) by radially acting and in the periphery of the tie rod (4) symmetrically arranged spring elements (22). Läufer (2) nach Anspruch 1,
bei dem die Federelemente (22, 24) Tellerfedern (20) sind.Rotor (2) according to claim 1,
in which the spring elements (22, 24) disc springs (20). Läufer (2) nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem der Zuganker (4) von einem Haltering (12) umgeben ist.Rotor (2) according to claim 1 or 2,
in which the tie rod (4) is surrounded by a retaining ring (12). Läufer (2) nach Anspruch 3,
bei dem der Haltering (12) auf dem Zuganker (4) aufgeschrumpft ist.Rotor (2) according to claim 3,
in which the retaining ring (12) on the tie rod (4) shrunk. Läufer (2) nach Anspruch 3 oder 4,
bei dem der Haltering (12) mit einer Anzahl von dessen abstehenden Führungselementen (14) versehen ist.Rotor (2) according to claim 3 or 4,
in which the retaining ring (12) is provided with a number of its projecting guide elements (14). Läufer (2) nach Anspruch 5,
bei dem jedes Führungselement (14) mit mindestens einem Federelement (22) versehen ist.Rotor (2) according to claim 5,
in which each guide element (14) is provided with at least one spring element (22). Läufer (2) nach Anspruch 4,
bei dem die Führungselemente (14) radial ausgerichtet am Haltering (12) angeordnet sind.Rotor (2) according to claim 4,
in which the guide elements (14) are arranged radially aligned on the retaining ring (12). Läufer (2) nach Anspruch 1 bis 7,
bei dem das den Führungselement (14) gegenüberliegende Ringsegment (18) mit einer dem Profil des jeweiligen Führungselements (14) korrespondierenden Ausnehmung (16) versehen ist.Rotor (2) according to claim 1 to 7,
in which the ring segment (18) lying opposite the guide element (14) is provided with a recess (16) corresponding to the profile of the respective guide element (14). Läufer (2) nach Anspruch 8,
bei dem das Führungselement (14) in der Ausnehmung (16) geführt ist.Rotor (2) according to claim 8,
in which the guide element (14) is guided in the recess (16). Läufer (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
bei dem das Läuferteil (6) als Rotorscheibe oder als Hohlwelle ausgebildet ist.Rotor (2) according to one of claims 1 to 9,
in which the rotor part (6) is designed as a rotor disk or as a hollow shaft.
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