EP2118445A1 - Läufer einer gasturbine - Google Patents

Läufer einer gasturbine

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EP2118445A1
EP2118445A1 EP08716878A EP08716878A EP2118445A1 EP 2118445 A1 EP2118445 A1 EP 2118445A1 EP 08716878 A EP08716878 A EP 08716878A EP 08716878 A EP08716878 A EP 08716878A EP 2118445 A1 EP2118445 A1 EP 2118445A1
Authority
EP
European Patent Office
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rotor
support wheel
tie rod
turbine
parts
Prior art date
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Granted
Application number
EP08716878A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2118445B1 (de
Inventor
Guido Ahaus
Ulrich Ehehalt
Karsten Kolk
Francois Benkler
Harald Hoell
Walter Loch
Harald Nimptsch
Oliver Schneider
Peter-Andreas Schneider
Peter Schröder
Vyacheslav Veitsman
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 EP08716878A priority Critical patent/EP2118445B1/de
Publication of EP2118445A1 publication Critical patent/EP2118445A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2118445B1 publication Critical patent/EP2118445B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • F01D5/06—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
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/12—Cooling
    • 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
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/70—Shape
    • 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
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/70—Shape
    • F05D2250/71—Shape curved
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a rotor according to the preamble of
  • Claim 1 The invention further relates to a thermal
  • Thermal turbomachinery includes steam and gas turbines as well as rotary compressors. 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.
  • blades On the rotor usually in the flow channel projecting and combined into blade groups or blade rows 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.
  • 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 warms up during this process.
  • mechanical energy is converted into thermal energy of the flow medium.
  • the rotor of a gas turbine which is also referred to as a rotor, is usually exposed to high mechanical and thermal stress.
  • the rotor components forming the rotor are 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 production 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 adjacent blade rings must be taken in order to produce with appropriate tools necessary for attachment of the blade contours can.
  • these production-related relatively large distances between the blade rings deteriorate the rotor dynamics.
  • each rotor part has an axially extending recess through which the tensioned tie rod can extend.
  • Function of the rotor can affect and cause damage to the turbine.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a rotor of the type mentioned above, which ensures safe operation of the gas turbine even with increasing overall length. Furthermore, the vibration amplitudes of the tie rod, especially in the region of the central hollow shaft should be kept as small as possible. This object is achieved by the tie rod is supported in its central region. In this case, the support wheel arranged between the turbine-side section and the compressor-side section constitutes a rotor component supporting the tie rod.
  • the invention is based on the consideration that for a reduction of the oscillation of the tie rod this should be supported on one of the rotor components, wherein 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 reduction of Switzerlanderschwingungen is achieved by the tie rod is supported by the support wheel.
  • the jockey wheel constitutes a further, supporting rotor component, wherein the jockey wheel is preferably connected to the tie rod in a region in which the amplitudes of the vibrations occurring during operation of the turbine reach their maximum values, as seen in the axial direction of the rotor ,
  • the jockey wheel is arranged between the turbine-side section of the rotor and the compressor-side section of the rotor, i. H. at the place of maximum deflection of the tie rod in case of possibly occurring Switzerlandankerschwingungen.
  • this area may be between the compressor section and the turbine section. This allows a support of the tie rod to a vibration particularly effective position.
  • the support of the tie rod is preferably achieved by non-positively and / or positively with the support wheel connected to the tie rod.
  • the support wheel can be shrunk on the tie rod.
  • This type of connection is particularly suitable, since thus a particularly rigid connection between the support wheel and the tie rod is made possible in a simple manner.
  • the thermally induced different expansions of the rotor components occurring during operation of the gas turbine, in particular between the support wheel and the tie rod can be compensated in an advantageous manner, preferably by providing at least one of the rotor components with a profile.
  • the connection between the tie rod and the support wheel be set elastically, such that the differential volume is largely compensated due to the different heating of the rotor components.
  • the hub of the support wheel is provided with a profile seen in the longitudinal section of the rotor crowned profile. With such a connection side compliant hub shape, stresses and cracks in the rotor component can be prevented.
  • the spherical profile of Stauerradnabe can also be described in other words: the cylindrical surface of the tie rod opposite surface of the Ceiankerbohrung the support wheel is - seen in the axial direction - arched, the curvature is directed to the outer surface.
  • the support wheel is connected to two adjacently arranged rotor parts by means of a Hirth gearing.
  • a Hirth gearing Using such an axially effective connection, the torques acting on the rotor can be transmitted and forwarded via the support wheel.
  • a radial guide for receiving different thermal and centrifugal deformations is ensured by means of the Hirth gearing. In particular, thus the occurrence of vibrations during operation of the gas turbine due to a thermally induced non-uniform expansion of the support wheel can be reduced.
  • the support wheel is provided with cooling holes, which are preferably arranged uniformly around the hub.
  • a rib structure is formed due to the recesses introduced for cooling in the support wheel, which allows the passage of a cooling medium in the axial direction of the rotor. Furthermore, the surface of the support wheel can be increased on the one hand by the introduced openings and a smooth transport of the cooling air can be made possible within the rotor by means of cooling air openings formed in this way.
  • the tie rod can be surrounded by a number of concentrically arranged cooling separation tubes for a suitable guidance of cooling medium, whereby these divide the channel formed between the tie rod and the rotor components encompassing it into a number of radially adjacent partial cooling channels. This ensures that the cooling of the rotor components, in particular the cooling requirement of the respective turbine stage can be carried out accordingly.
  • the cooling air separation tubes are axially divided into two sections for receiving the support wheel, such that their ends pointing in the direction of the support wheel can be guided into provided, introduced in the support wheel receiving grooves.
  • the cooling air separation pipes thus realize on the one hand an improved heat dissipation, and on the other hand, the heat capacity of this rotor component can be reduced.
  • a so-called middle hollow shaft is arranged, which is axially divided into at least two pipe sections in the case of the use of a support wheel according to the invention.
  • the pipe sections are substantially the same length.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that a particularly reliable operation of the gas turbine is made possible by the support wheel connected to the tie rod with their increasing overall length.
  • the vibration amplitudes can be kept particularly small by the appropriate support of the tie rod.
  • a targeted increase in the natural frequency of the tie rod with comparatively little effort can be realized through this system.
  • the thermally induced relative movements between the tie rod and the rotor part formed as a support wheel can be compensated particularly well.
  • necessary cooling is ensured by means extending in the axial direction of the rotor cooling air, even with passage of cooling air with different pressures and temperatures, which are separated by separable tubes feasible.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a turbine rotor according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a support wheel
  • FIG. 4 shows a section of the support wheel in longitudinal section, 5 shows a detailed detail of FIG. 4
  • 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 shown in Figure 1 in a longitudinal section.
  • the rotor 2 has a compressor-side section 1 and a turbine-side section 3, each having a number of rotor parts 6.
  • the respective rotor parts 6 designed as rotor disks are connected on the connection side, i. provided on the front side with symmetrical to the central axis M of the rotor 2 extending recesses in the manner of a Hirth serration, wherein the resulting contours are formed corresponding to the contours of the respective adjacent rotor part 6, whereby a concentric
  • Each of the rotor parts 6 is provided for the spaced passage of the tie rod 4 with an axially extending bore 10.
  • a middle hollow shaft 11 is arranged between the compressor-side rotor parts 6 and the turbine-side rotor parts 6. End of the tie rod 4 is bolted to a rotor part 7, 9, whereby all interposed rotor parts 6 are held together and clamped.
  • the present between 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.
  • rotor parts 6 In order to be able to support the tie rod 4 in a suitable manner by rotor components surrounding it, ie rotor parts 6, it is possible to support between two rotor parts 6, preferably between two rotor parts 6. on the rotor side 2 of the rotor 2 and the turbine-side section 3 of the rotor 2, another rotor part 6 designed as a support wheel 14 is inserted.
  • the previously one-piece central hollow shaft 11 has been divided into two pipe sections IIa, IIb, between which the support wheel 14 is preferably clamped.
  • the support wheel 14 in this case represents a further rotor component.
  • the rotor parts 6 and the support wheel 14 are clamped together by tie rods 4, wherein the support wheel 14, in contrast to the other rotor parts 6 is additionally positively and / or positively connected to the tie rod 4 ,
  • the intermediate hollow shaft 11 comprising at least two pipe sections IIa, IIb is arranged between that compressor-side rotor part 6a, which is arranged closest to the turbine-side section 3 and the turbine-side rotor part 6b, which is arranged closest to the compressor-side section 1, between which the Support wheel 14 is clamped.
  • FIG. 2 shows a cross section through the compressor outlet-side section of the rotor 2 in detail.
  • three rotor parts designed as rotor disks 6 of the compressor-side portion 1 of the rotor 2 are shown.
  • the compressor-side rotor part, which faces the turbine-side section 3 - not shown - is referred to as 6a.
  • On the front side is located on the rotor part 6a one of the two pipe sections IIa of the central hollow shaft 11 at. Radially further inside there are also two cooling air separation pipes 13 is shown.
  • Thede Kunststofftrennrohre 13 are axially divided into two sections for receiving the support wheel 14, such that their pointing in the direction of the support wheel 14 ends can be performed in designated, introduced in the support wheel 14 receiving grooves.
  • FIG. 3 shows a support wheel 14 provided with cooling openings 12, wherein the depth of the recesses 12 serving as cooling openings 12 corresponds to the material thickness of the support wheel 14 at this location.
  • the recesses 12 are introduced uniformly distributed over the cross section of the support wheel 14, so that a uniform cooling of the support wheel 14 can be done and thus stresses and uneven deformations are avoided.
  • the heat transfer to the cooling medium is particularly effective, since due to the introduced by the introduced into the wheel body 15 recesses 12 increased cooling surface more heat can be removed.
  • a serration 18 is provided on both sides of the outer rim of the support wheel 14 on both sides.
  • the consisting of two axial pipe sections middle hollow shaft 11 is then on both sides of the support wheel 14 with a corresponding Hirth toothing.
  • the hub 16 of the support wheel 14 has a profile on the tension armature side with a convex shape. This can be done in a particularly simple manner by a centrally inserted into the hub 16 circumferential groove 20 and the rounding of the front side to the Tie rod circumferential edges can be realized.
  • This tie-side profile of the hub 16 allows compensation of the occurring during operation of the gas turbine differential deformations of tie rods 4 and support wheel 14. Furthermore, this redistribution of the

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

Description

Beschreibung
LAUFER EINER GASTURBINE
Die Erfindung betrifft einen Läufer gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine thermische
Strömungsmaschine mit einem solchen Läufer.
Zu den thermischen Strömungsmaschinen werden Dampf- und Gasturbinen sowie Rotationsverdichter 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 Schaufel- reihen 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.
Im Falle eines zu den Arbeitsmaschinen zählenden Rotations- Verdichters 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 er- wärmt. Es wird also mechanische Energie in thermische Energie des Strömungsmediums umgewandelt. Der Rotor einer Gasturbine, welcher auch als Läufer bezeichnet wird, ist in der Regel einer hohen mechanischen und thermischen Belastung ausgesetzt. Vor allem durch die hohe Temperatur des Arbeitsmediums und die auf den Läufer wirkenden Kräfte während des Betriebes der Gasturbine werden die den Läufer bildenden Rotorkomponenten 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.
Eine vorgeschlagene Ausführungsform des Läufers ist beispielsweise durch dessen Fertigung aus einem Teil realisierbar. Eine derartige Herstellungsmethode ist aber vergleichs- weise 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 benachbarten Laufschaufelringen hinge- nommen werden, um mit entsprechenden Werkzeugen die zur Befestigung der Schaufel notwendigen Konturen herstellen zu können. Diese fertigungsbedingten relativ großen Abstände zwischen den Laufschaufelringen verschlechtern jedoch die Rotordynamik .
Weiter ist bekannt, den Gasturbinen-Läufer auch aus einzelnen Läuferteilen zusammenzusetzen, wobei die einzelnen Läuferteile über einen Zuganker zusammengehalten sind. Hierfür weist jedes Läuferteil eine axial verlaufende Ausnehmung auf, durch welche der gespannte Zuganker sich erstrecken kann.
Durch endseitig auf den Zuganker aufgeschraubte Schraubenmuttern kann dieser gespannt werden, wodurch die stirnflächig aneinander liegenden Läuferteile miteinander verspannt werden können. Die Läuferteile sind dann vom Zuganker aneinander ge- presst und übertragen die auf sie wirkenden Drehkräfte über eine so genannte Hirth-Verzahnung, welche jeweils stirnseitig angeordnet einen Formschluss zwischen zwei aneinanderliegenden Läuferteilen bildet. Der Läufer der Gasturbine ist endseitig durch geeignete Lager im Gehäuse der Turbine angeordnet. Anstelle der Schraubenmuttern können auch mantelseitig komplexer gestaltete Bauteile zugankerendseitig aufgeschraubt sein, welche neben der Verspannung der Läuferteile auch weitere Funktionen, wie beispielsweise die Lagerung des Läufers in einem Radial- und/oder Axiallager, ermöglichen.
Während des Betriebes der Gasturbine treten jedoch Schwingungen im Rotor auf, deren Frequenz u. a. vom Abstand der beiden Axiallager, d. h. von der frei schwingenden Länge des Läufers und 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 Betriebs der Gasturbine zu unzulässig hohen Schwingungsamplituden führen, welche die
Funktion des Läufers beeinträchtigen und zu Schäden der Turbine führen kann.
Es ist wünschenswert, die Eigenfrequenz des Zugankers auch bei zunehmender Baulänge der Turbine hinreichend oberhalb der Betriebsdrehzahl zu halten. Somit wäre einerseits die Betriebssicherheit der Turbine gewährleistet und andererseits könnte somit dem steigenden Leistungsbedarf, zu dessen Deckung beispielsweise eine Erweiterung der Baulänge der Gas- turbine notwendig ist, entsprochen werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Läufer der Eingangs genannten Art anzugeben, welcher einen sicheren Betrieb der Gasturbine auch bei steigender Baulänge gewähr- leistet. Weiterhin sollen die Schwingungsamplituden des Zugankers, insbesondere im Bereich der mittleren Hohlwelle möglichst klein gehalten werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem der Zuganker in seinem mittleren Bereich abgestützt ist. Dabei stellt das zwischen turbinenseitigem Abschnitt und verdichterseitigem Abschnitt angeordnete Stützrad eine den Zuganker abstützende Rotorkomponente dar.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass für eine Reduzierung der Schwingung des Zugankers dieser an einer der Rotorkomponenten abgestützt werden sollte, wobei die thermisch bedingten unterschiedlichen Ausdehnungen der Rotorkomponenten dennoch ausgleichbar gehalten sein sollten. Insbesondere soll 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. Die Reduzierung der Zugankerschwingungen wird dadurch erreicht, dass der Zuganker durch das Stützrad abgestützt wird. Dabei stellt das Stützrad eine weitere, abstützende Rotorkomponente dar, wobei das Stützrad dabei vorzugsweise - in axialer Rich- tung des Läufers gesehen - in einem Bereich mit dem Zuganker verbunden ist, in dem die Amplituden der während des Betriebes der Turbine auftretenden Schwingungen ihre Maximalwerte erreichen .
Um die Eigenfrequenz des Zugankers hinreichend oberhalb der
Rotationsfrequenz zu halten, ist eine möglichst hohe Steifigkeit der Rotorkomponente erforderlich. Dazu ist das Stützrad zwischen turbinenseitigem Abschnitt des Läufers und verdichterseitigem Abschnitt des Läufers angeordnet, d. h. am Ort der maximalen Auslenkung des Zugankers bei ggf. auftretenden Zugankerschwingungen. Bei einer Gasturbine kann dieser Bereich beispielsweise zwischen dem Verdichterabschnitt und dem Turbinenabschnitt liegen. Damit ist eine Abstützung des Zugankers an einer schwingungstechnisch besonders wirksamen Position ermöglicht.
Die Abstützung des Zugankers wird vorzugsweise dadurch erreicht, indem das Stützrad kraft- und/oder formschlüssig mit dem Zuganker verbunden ist. Beispielsweise kann das Stützrad auf dem Zuganker aufgeschrumpft werden. Diese Art der Verbindung ist besonders geeignet, da somit auf einfache Art und Weise eine besonders starre Verbindung zwischen dem Stützrad und dem Zuganker ermöglicht ist. Die beim Betrieb der Gasturbine auftretenden thermisch bedingten unterschiedlichen Ausdehnungen der Rotorkomponenten, insbesondere zwischen dem Stützrad und dem Zuganker, können auf vorteilhafte Weise kompensiert werden, indem vorzugsweise mindestens eine der Rotorkomponenten mit einem Profil versehen ist.
Beispielsweise kann durch eine profilierte Formgestaltung der Nabe des Stützrades die Verbindung zwischen dem Zuganker und dem Stützrad elastisch eingestellt sein, derart, dass das Differenzvolumen aufgrund der unterschiedlichen Erwärmung der Rotorkomponenten weitgehend kompensiert wird. Vorzugsweise ist dazu die Nabe des Stützrades mit einem im Längsschnitt des Läufers gesehen balligen Profil versehen. Mit einer derartig gebildeten verbindungsseitig nachgiebigen Form der Nabe können Spannungen und Risse in der Rotorkomponente verhindert werden. Das ballige Profil der Stützradnabe kann auch mit anderen Worten beschrieben werden: die der zylindrischen Mantelfläche des Zugankers gegenüberliegende Oberfläche der Zugankerbohrung der Stützrades ist - in Axialrichtung gesehen - gewölbt, wobei die Wölbung zur Mantelfläche hin gerichtet ist .
In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung ist das Stützrad mit zwei benachbart angeordneten Läuferteilen mittels einer Hirthverzahnung verbunden. Unter Verwendung einer solchen axial wirksamen Verbindung können die auf den Läufer wirkenden Drehmomente über das Stützrad übertragen und weitergeleitet werden. Zudem ist mittels der Hirthverzahnung eine radiale Führung zur Aufnahme unterschiedlicher Wärme- und Fliehkraftverformungen gewährleistet. Insbesondere kann somit das Auftreten von Schwingungen während des Betriebs der Gasturbine aufgrund einer thermisch bedingten ungleichmäßigen Ausdehnung des Stützrades verringert werden. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist das Stützrad mit Kühlöffnungen versehen, wobei diese vorzugsweise gleichmäßig um die Nabe herum angeordnet sind. Vorteilhafterweise wird somit aufgrund der zur Kühlung in das Stützrad eingebrachten Ausnehmungen eine Rippenstruktur gebildet, welche das Durchströmen eines Kühlmediums in Axialrichtung des Läufers ermöglicht. Weiterhin kann einerseits durch die eingebrachten Öffnungen die Oberfläche des Stützrades vergrößert und mittels derartig gebildeter Kühlluftöffnungen ein problemloser Transport der Kühlluft innerhalb des Rotors ermöglicht werden.
Um ein Durchströmen des Kühlmediums, insbesondere Kühlluft, in axialer Richtung des Läufers zwischen dem Zuganker und den Läuferteilen zu gewährleisten, sind die als Kühlöffnung dienenden Ausnehmungen im Stützrad vorteilhafterweise nahe bei der Nabe beginnend eingebracht. Somit wird eine Kühlung des Stützrades sowie eine Kühlluftzufuhr für die in Strömungsrichtung des Kühlmediums gesehen nachfolgend angeordneten Rotorkomponenten ermöglicht. Der Zuganker kann für eine geeignete Führung von Kühlmedium von einer Anzahl von konzentrisch angeordneten Kühltrennrohren umgeben sein, wobei diese den zwischen dem Zuganker und den diesen umgreifenden Rotorkomponenten gebildeten Kanal in eine Anzahl von radial be- nachbarten Teilkühlkanälen unterteilen. Damit wird erreicht, dass die Kühlung der Rotorkomponenten, insbesondere dem Kühlbedarf der jeweiligen Turbinenstufe entsprechend erfolgen kann. Das heißt, mittels derartig gebildeter Kühlluftöffnungen ist ein problemloser Transport der Kühlluft innerhalb des Rotors ermöglicht. Die Kühllufttrennrohre sind dabei zur Aufnahme des Stützrades axial in zwei Abschnitte geteilt, derart, dass deren in Richtung des Stützrades zeigenden Enden in dafür vorgesehene, im Stützrad eingebrachte Aufnahmenuten geführt werden können.
Die Kühllufttrennrohre realisieren somit zum einen eine verbesserte Wärmeableitung, und zum anderen kann die Wärmekapazität dieser Rotorkomponente verringert werden. Üblicher Weise ist bei Eingangs genannten Läufern zwischen dem verdichterseitigem Abschnitt des Läufers und dem turbi- nenseitigem Abschnitt des Läufers eine so genannte mittlere Hohlwelle angeordnet, welche im Falle des Einsatzes eines erfindungsgemäßen Stützrades in mindestens zwei Rohrabschnitte axial unterteilt ist. Vorzugsweise sind die Rohrabschnitte im Wesentlichen gleich lang.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch das mit dem Zuganker verbundene Stützrad ein besonders sicherer Betrieb der Gasturbine auch mit deren zunehmender Baulänge ermöglicht ist. Insbesondere können durch die geeignete Abstützung des Zugankers dessen Schwingungsamplituden besonders klein gehalten werden. Zudem ist über dieses System eine gezielte Erhöhung der Eigenfrequenz des Zugankers mit vergleichsweise nur geringem Aufwand realisierbar. Weiterhin können die thermisch bedingten Relativbewegungen zwischen dem Zuganker und dem als Stützrad aus- gebildeten Läuferteil besonders gut kompensiert werden. Gleichzeitig ist aber auch eine aufgrund der hohen thermischen Belastung der Rotorkomponente notwendige Kühlung mittels einer in axialer Richtung des Läufers verlaufenden Kühlluftführung gewährleistet, selbst bei Durchleitung von Kühlluft mit unterschieden Drücken und Temperaturen, welche durch Trennrohre getrennt führbar sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Turbinenläufer,
FIG 2 eine Schnittteildarstellung eines Turbinenläufers,
FIG 3 eine schematische Darstellung eines Stützrades,
FIG 4 einen Ausschnitt des Stützrades im Längsschnitt, FIG 5 einen Detailausschnitt aus FIG 4.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszei- chen versehen.
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 in einem Längsschnitt dargestellt.
Der Läufer 2 weist einen verdichterseitigen Abschnitt 1 und einen turbinenseitigen Abschnitt 3 mit jeweils einer Anzahl von Läuferteilen 6 auf. Die jeweiligen als Rotorscheiben ausgebildeten Läuferteile 6 sind verbindungsseitig, d.h. stirnseitig mit symmetrisch zur Mittelachse M des Läufers 2 verlaufenden Ausnehmungen nach Art einer Hirth-Verzahnung versehen, wobei die dadurch entstehenden Konturen korrespondierend zu den Konturen des jeweiligen benachbarten Läuferteils 6 ausgebildet sind, wodurch eine konzentrische
Ausrichtung der Läuferteile 6 zur Mittelachse M bewirkt wird.
Jedes der Läuferteile 6 ist zur beabstandeten Durchführung des Zugankers 4 mit einer axial verlaufenden Bohrung 10 ver- sehen. Zudem ist zwischen den verdichterseitigen Läuferteilen 6 und den turbinenseitigen Läuferteilen 6 eine mittlere Hohlwelle 11 angeordnet. Endseitig ist der Zuganker 4 jeweils mit einem Läuferteil 7, 9 verschraubt, wodurch alle dazwischen angeordneten Läuferteile 6 zusammengehalten und verspannt werden. Die zwischen den Läuferteilen 6 vorhandenen Ausnehmungen 8 dienen zur Führung eines Kühlmediums zum Kühlen der Rotorkomponenten, indem Kühlluft über einen zwischen dem Zuganker 4 und dem Läuferteil 6 gebildeten Kühlkanal zugeführt wird.
Um den Zuganker 4 in geeigneter Weise durch ihn umgebende Rotorkomponenten, d.h. Läuferteile 6 abstützen zu können, wird zwischen zwei Läuferteilen 6, vorzugsweise zwischen ver- dichterseitigem Abschnitt 1 des Läufers 2 und turbinenseiti- gem Abschnitt 3 des Läufers 2 ein weiteres als Stützrad 14 ausgebildetes Läuferteil 6 eingefügt. Hierzu wurde die bisher einteilige mittlere Hohlwelle 11 in zwei Rohrabschnitte IIa, IIb unterteilt, zwischen denen das Stützrad 14 vorzugsweise eingespannt ist. Das Stützrad 14 stellt dabei eine weitere Rotorkomponente dar. Dabei sind die Läuferteile 6 und das Stützrad 14 mittels Zuganker 4 miteinander verspannt, wobei das Stützrad 14, im Gegensatz zu den anderen Läuferteilen 6 zusätzlich kraft- und/oder formschlüssig mit dem Zuganker 4 verbunden ist.
Im Detail ist zwischen demjenigen verdichterseitigen Läuferteil 6a, welches zum turbinenseitigen Abschnitt 3 nächstlie- gend angeordnet ist und demjenigen turbinenseitigen Läuferteil 6b, welches zum verdichterseitigem Abschnitt 1 nächstliegend angeordnet ist, die mittlere Hohlwelle 11 umfassend mindestens zwei Rohrabschnitte IIa, IIb angeordnet, zwischen denen das Stützrad 14 eingespannt ist.
Neben der Abstützung des Zugankers 4 im Bereich der mittleren Hohlwelle 11 ist es auch möglich, den Zuganker 4 zusätzlich im verdichterseitigen Abschnitt 1 oder im turbinenseitigen Abschnitt 3 mittels geeigneter Dämpfungselemente wie Dämp- fungskegel gegen Zugankerschwingungen zu sichern. Diese Überbrücken dann den üblicherweise vorhandenen Abstand zwischen Zuganker 4 und Zugankeröffnung 10.
Die Abbildung gemäß FIG 2 zeigt einen Querschnitt durch den verdichterausgangsseitigen Abschnitt des Läufers 2 im Detail. Insgesamt sind in der Abbildung gemäß FIG 2 drei als Rotorscheiben ausgebildete Läuferteile 6 des verdichterseitigen Abschnitts 1 des Rotors 2 dargestellt. Dabei ist dasjenige verdichterseitige Läuferteil, welche dem turbinenseitigen Ab- schnitt 3 - nicht dargestellt - nächstliegend zugewandt ist, mit 6a bezeichnet. Stirnseitig liegt an dem Läuferteil 6a eines der beiden Rohrabschnitte IIa der mittleren Hohlwelle 11 an. Radial weiter innen sind zudem zwei Kühllufttrennrohre 13 dargestellt. Auch die Kühllufttrennrohre 13 sind zur Aufnahme des Stützrades 14 axial in zwei Abschnitte geteilt, derart, dass deren in Richtung des Stützrades 14 zeigenden Enden in dafür vorgesehene, im Stützrad 14 eingebrachte Aufnahmenuten geführt werden können.
Die Abbildung gemäß FIG 3 zeigt ein mit Kühlöffnungen 12 versehenes Stützrad 14, wobei die Tiefe der als Kühlöffnungen 12 dienenden Ausnehmungen 12 der Materialdicke des Stützrades 14 an dieser Stelle entspricht. Die Ausnehmungen 12 sind dabei gleichmäßig über den Querschnitt des Stützrades 14 verteilt eingebracht, so dass eine gleichmäßige Abkühlung des Stützrades 14 erfolgen kann und somit Spannungen und ungleichmäßige Verformungen vermieden werden. Zudem erfolgt die Wärme- Übertragung an das Kühlmedium besonders effektiv, da aufgrund der durch die in den Radkörper 15 eingebrachten Ausnehmungen 12 vergrößerte Kühlfläche mehr Wärme abtransportiert werden kann .
Um die auf den Läufer 2 wirkenden hohen Kräfte während des Betriebes der Gasturbine besser aufnehmen und übertragen zu können, ist an der äußeren Felge des Stützrades 14 beidseitig stirnseitig eine Hirthverzahnung 18 vorgesehen. Die aus zwei axialen Rohrabschnitten bestehende mittlere Hohlwelle 11 liegt dann beidseitig des Stützrades 14 mit einer korrespondierenden Hirth-Verzahnung an. Durch eine derartig gebildete formschlüssige Verbindung wird zudem erreicht, dass neben der Übertragung hoher Drehmomente bei kompakter Bauweise eine selbstzentrierende Wirkung des in der Nabe 16 geführten Zug- ankers realisiert ist. Weiterhin ist eine radiale Führung zur Aufnahme unterschiedlicher Wärme- und Fliehkraftverformungen und somit ein sicherer Betrieb der Gasturbine gewährleistet.
Wie der Darstellung in FIG 4 und FIG 5 entnehmbar ist, weist die Nabe 16 des Stützrades 14 zugankerseitig ein Profil mit einer balligen Form auf. Diese kann auf besonders einfache Weise durch eine zentral in die Nabe 16 eingebrachte umlaufende Nut 20 sowie durch das Abrunden der stirnseitig um den Zuganker umlaufenden Kanten realisiert werden. Dieses zug- ankerseitige Profil der Nabe 16 ermöglicht eine Kompensation der während des Betriebes der Gasturbine auftretenden Differenzverformungen von Zuganker 4 und Stützrad 14. Weiterhin erfolgt durch diese spezielle Form eine Umverteilung der
Spannungen vom Zentrum der Nabe 16 hin zu den Stirnseiten des Stützrades 14. Eine somit auftretende erhöhte Spannung im Bereich der Stirnseiten ist jedoch vergleichsweise unkritisch, so dass durch die zugankerseitig nachgiebige Form die Be- triebssicherheit der Gasturbine wesentlich erhöht werden kann .

Claims

Patentansprüche
1. Läufer (2) für eine Gasturbine, mit einem verdichterseitigem Abschnitt und einem turbinen- seitigem Abschnitt, in denen jeweils eine Anzahl von einzelnen Läuferteilen (6) vorgesehen sind, welche Läuferteile (6) durch mindestens einen Zuganker (4) aneinander gepresst und zu einer Läufereinheit (2) zusammengefügt sind, wobei jedes Läuferteil (6) für jeden vorgesehen Zuganker (4) eine sich in Axialrichtung des Läufers (2) erstreckende Zugankeröffnung aufweist, durch welche sich der mindestens eine Zuganker (4) unter Abstand zu den jeweiligen Läuferteilen (6) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiteres Läuferteil (6) zwischen turbi- nenseitigem Läuferabschnitt und verdichterseitigem Läuferabschnitt angeordnet ist, welches als Stützrad (14) den Zuganker (4) abstützt.
2. Läufer (2) nach Anspruch 1, bei dem das Stützrad (14) kraft- und/oder formschlüssig mit dem Zuganker (4) verbunden ist.
3. Läufer (2) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Stützrad (14) verbindungsseitig mit einem vorzugsweise balligen Profil versehen ist.
4. Läufer (2) nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Stützrad (14) auf den Zuganker (4) aufgeschrumpft ist.
5. Läufer (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Stützrad (14) mit zwei benachbart angeordneten Läuferteilen (6) mittels einer Hirthverzahnung (18) verbunden ist.
6. Läufer (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Stützrad (14) mit Öffnungen (12) zur Durchleitung eines Kühlmediums versehen ist.
7. Läufer (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem zwischen demjenigen verdichterseitigen Läuferteil (6), welches zum turbinenseitigen Abschnitt nächstliegend angeordnet ist und demjenigen turbinenseitigen Läuferteil (6), welches zum verdichterseitigem Abschnitt nächst- liegend angeordnet ist, eine mittlere Hohlwelle (11) umfassend mindestens zwei Rohrabschnitte angeordnet ist, zwischen denen das Stützrad (14) angeordnet ist.
8. Läufer (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die turbinenseitigen Läuferteile (6) und/oder die verdichterseitigen Läuferteile (6) von jeweils einer Rotorscheibe gebildet ist.
9. Thermische Strömungsmaschine mit einem Läufer (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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