EP3056666A1 - Radscheibenelement für zwei laufschaufelreihen, verdichterlaufrad, strömungsmaschine und verfahren zum temperieren eines solchen radscheibenelements - Google Patents

Radscheibenelement für zwei laufschaufelreihen, verdichterlaufrad, strömungsmaschine und verfahren zum temperieren eines solchen radscheibenelements Download PDF

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EP3056666A1
EP3056666A1 EP15154994.6A EP15154994A EP3056666A1 EP 3056666 A1 EP3056666 A1 EP 3056666A1 EP 15154994 A EP15154994 A EP 15154994A EP 3056666 A1 EP3056666 A1 EP 3056666A1
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EP
European Patent Office
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double
process gas
wheel disc
disc element
radscheibenelements
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15154994.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Axel Buschmann
Sascha Dungs
Karsten Kolk
Peter Schröder
Vyacheslav Veitsman
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Publication of EP3056666A1 publication Critical patent/EP3056666A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/085—Heating, heat-insulating or cooling means cooling fluid circulating inside the rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • F01D5/146—Shape, i.e. outer, aerodynamic form of blades with tandem configuration, split blades or slotted blades

Definitions

  • the invention relates to a double-wheel disc element of a turbomachine, having at least two in the direction of Axialrotationsachse of the double Radusionnelements axially successively arranged Schaufelfuß technique wornen and with a Temper michspfad for flowing through a part of a double Radusionnelement radially outwardly flowing process gas of the turbomachine, wherein the Temper michspfad a plurality of from radially further outward to radially further inside obliquely extending process gas channels.
  • the invention also relates to a compressor impeller having at least two rows of blades arranged axially behind one another in the flow direction and having a single double wheel disk element to which the plurality of blades of the rotor blade rows are attached to the single double wheel disk element.
  • the invention further relates to a turbomachine, in particular a gas turbine, having at least one compressor impeller comprising at least one double-wheel disk element for supporting blade elements.
  • the invention further relates to a method for controlling the temperature of a double-Radusionnelements a turbomachine, in which a flow machine in the axial main flow direction flowing through the process gas is used for controlling the temperature of the double-Radusionnelements.
  • Radularn are well known in the art and are used on turbomachines of any kind. They serve to support moving blades, which are arranged concentrically around the Axialrotationsachse of the RadATIONnelements around the Radularnelement.
  • the wheel disc element and the blades attached thereto form an impeller of the turbomachine, which is flowed through by a process gas.
  • results for such a double-Radinfusedn comprise a thermally restricted application area, as it turned out has, that they are subjected to unfavorable stress conditions, since they can heat, especially due to a larger axial component depth thermally uneven, in particular in the radial direction. Specifically, this means that the double-wheel disk element is exposed to greater thermal stresses, whereby it is adversely affected.
  • double wheel disc elements with cooling passages are already known which are realized by the double wheel disk element from radially outward radially inwardly penetrating holes, and from the cold gas end of the double-Radusionnelements to the hot gas end face of the double-Radusionnelements to lead.
  • the object is achieved by a double-Radusionnelement a turbomachine with at least two in the direction of Axialrotationsachse of the double Radusionnelements axially successively arranged Schaufelfuß technique wornen and with a Temper michspfad for flowing through a part of a double-Radusionnelement radially outwardly flowing process gas of the turbomachine in which the Temper michspfad includes a plurality of radially further outward to radially further inwardly inclined process gas channels, wherein the Temper stressesspfad additionally comprises the hub of the double-Radusionnelements which is fluidly connected to the process channels.
  • the tempering path along which at least part of the process gas of the turbomachine flowing around the double wheel disk element flows, also includes the hub of this double wheel disk element in addition to the process gas ducts of this double wheel disk element, the double wheel disk element can be arranged in the region of the hub are also tempered very well, so that thermally induced stresses within the double-Radusionnelements can be significantly reduced.
  • the present temperature path can thereby also be made very short.
  • the temperature path generated here is designed on the same Rad.nelement.
  • the fluidic connection of the process gas ducts and the hub can be carried out directly with a corresponding design of the double-Radusionnelements, for example, the process gas ducts are introduced in the double-Radusionnelement such that they open approximately directly into the hub.
  • the flow connection of the process gas ducts to the hub preferably takes place by means of a gap enclosed by means of two axially successively arranged double wheel disk elements, through which the process ducts and the hub are indirectly operatively connected to one another in terms of flow.
  • process gas channels here describes channels which extend obliquely through the double-wheel disk element, so that the double-wheel disk element is heated or cooled by a process gas either homogeneous can, depending on whether the turbomachine is in a start-up phase or already operated at operating temperature.
  • the process gas ducts are realized by bores on the double wheel disk element.
  • the process gas passages pierce the dual wheel disk element below the at least two blade root receiving devices.
  • the flow direction of the branched part of the process gas within the cooling gas channels is aligned opposite to the main flow direction of the turbomachine.
  • hub in the context of the invention describes the central bore of the double-Radusionnelements through which a shaft member of the turbomachine is passed through the double-Radusionnelement.
  • this hub or central bore receives a tie rod element of the turbomachine, by means of which a plurality of axially arranged behind each other double-Radusionnelement are braced together.
  • cold gas end face describes that end face of the double-wheel disk element, which faces the main flow direction.
  • hot gas end face describes that end face of the double-wheel disc element, which faces away from the main flow direction.
  • the cold gas front side is arranged upstream of the hot gas front side.
  • the cold gas front is the front and the hot gas front is the back of the double wheel disk.
  • the process gas is air or compressed air, or an air mixture.
  • double-wheel disk element in the context of the invention describes a single, one-piece rotary element of a one-piece or multi-part rotor of a turbomachine, wherein on the double-Radusionnelement concentric about the Axialrotationsachse a plurality of blades can be arranged, and wherein at this double-Radusionnelement at least two Schaufelfuß technique dresseden, preferably in the form of circumferential Schaufelfußingringnuten, are arranged one behind the other in Hauströmungscardi the double-Radusionnelements or the turbomachine.
  • the invention relates to a at least two Schaufelfuß technique articulated with double-wheel disk element of a turbomachine.
  • the present double-wheel disc element is preferably formed substantially rotationally symmetrical about its Axialrotationsachse.
  • the object of the invention is also achieved by a compressor impeller with at least two - viewed in the main flow direction - axially successively arranged rows of blades and with a single double-wheel disc element, to which the plurality of blades of the blade rows are attached to the single double-wheel disc element, wherein the Compressor wheel has a double-double-wheel disc element according to one of the features described herein.
  • turbomachine essentially describes a thermal turbomachine, that is to say in particular an axial turbomachine, such as a gas turbine.
  • turbomachine in particular by a gas turbine, having at least one compressor impeller comprising at least one double wheel disk element for supporting rotor blade elements, wherein the turbomachine has at least one double wheel disk element according to one of the preceding claims.
  • the process gas can at least partially from radially further outside and a position axially behind the at least two Schaufelfuß technique adopteden structurally simple radially inward and thus in the region of the hub, and additionally axially in front of the at least two Schaufelfuß technique wornen and thus axially in front of the hub, when the process gas ducts from the hot gas end face to the cold gas end face fall radially inward in the direction of the central bore obliquely.
  • a preferred embodiment provides that inlet openings of the process gas ducts are arranged radially further outward on the hot gas front side of the double Radusionnelements and outlet openings of the process gas channels radially further inside on the cold gas end of the double Radusionnelements such that the double Radusionnelement at least from the part of the double Radial disk radially outwardly flowing process gas from the hot gas end face to the cold gas end face opposite to the main flow direction can be flowed through, so that the process gas channelsteurströmbare part of the process gas can flow through again in the main flow direction through the central bore of the double-Radusionnelements.
  • a defined temperature gradient can be formulated.
  • the proposed at least two Schaufelfuß technique adopted having double-wheel disk element can be traversed by again compressed process gas when the inlet openings of the process gas ducts are arranged downstream of the at least two Schaufelfuß technique Anlagenen.
  • At least one further Schaufelfuß technique unfolding the process gas is arranged between the upstream, first Schaufelfuß technique dressed and the further downstream arranged inlet openings of the process gas channels, so that the part of the process gas, which is to flow through the double Radusionnelement and thermally influence, axially as far back can be tapped.
  • the part of the process gas which is intended to flow through the process channels can be tapped particularly effectively if the inlet openings of the process gas channels are arranged radially on the outside of a serration collar.
  • inlet openings of the process gas channels are arranged on that end face of the double wheel disk element, which is arranged closest to the downstream or axially rearward Schaufelfußing Stein. For example, this is the case at the hot gas end face, which is located closest to the downstream blade root receiver.
  • process gas which is heated as much as possible can be used for radially further internal tempering of the double wheel disk element.
  • a further preferred embodiment provides that the double-wheel disc element is a Ver Whyrradlatenelement.
  • the object of the invention is also achieved by a method for tempering a double-Radusionnelements a turbomachine in which a flow machine in the axial main flow direction flowing process gas for controlling the temperature of the double Radusionnelements is used, wherein at least a portion of this process gas below the at least two blade receiving devices of the hot gas end face of the double-Radusionnelements is guided to the cold gas end face of the double-Radusionnelements, and this part of the process gas is then passed through the hub of the double Radusionnelements from the cold gas end face to the hot gas end face.
  • the hub region of the present double wheel disk element can be tempered considerably more uniformly compared to conventional double wheel disk elements and can thus be thermally connected much better to the outer region that surrounds the blade receiving devices, thereby significantly increasing the efficiency lower thermal stresses within the double-Radusionnelement arise.
  • the present temperature control can be implemented structurally simple.
  • the number of required Hirth teeth for generating a corresponding rotor drum can be reduced by the two Schaufelfuß technique Rhein, since fewer double-Radaminimplantation must be installed, whereby a mechanical simplification can be achieved.
  • the rotationally symmetrical double wheel disk element 1 shown in the single figure is a double compressor wheel disk element 2 of a compressor (not shown) of one here also not shown further flow machine in the form of a gas turbine.
  • the double wheel disk element 1 is characterized by an axial rotation axis 3 around which the double wheel disk element 1 rotates during operation of the compressor or the gas turbine.
  • the double-wheel disc element 1 is further characterized by two radially further outwardly arranged Schaufelfußability Rheinen 4 and 5, which are arranged in the axial direction 6 axially behind the other on the outer side 7 of the double-Radusionnelements 1.
  • the two Schaufelfußing drivingen 4 and 5 are formed in this embodiment as radially open Schaufelfußingringnuten (not separately numbered), which extend in the circumferential direction of the double-Radusionnelements 1.
  • a plurality of blades (not shown) can be plugged in from the outside and in the radial direction 8 in a known manner and then subsequently fixed by rotation about the vertical axis.
  • the hub 10 can in this case serve to receive a tie rod, not shown here, by means of which several along the Axialrotationsachse 3 successively arranged double-Radluden institute 1 can be clamped together.
  • the individual double-wheel disc elements 1 are here by means of Hirth teeth 15 and 16 secured against rotational rotation about the Axialrotationsachse 3 to each other.
  • the front Hirth toothing 15 is formed on a front Hirthveriereungskragen 17 of the double-Radusionnelements 1, which is arranged on the front side 18 and cold gas end face 19 of the double-Radusionnelements 1.
  • the rear Hirth toothing 16 of the double-wheel disc element 1 is accordingly formed on a rear Hirthveriereungskragen 20, which is located on the back 21 and hot gas front side 22 of the double-Radusionnelements 1.
  • the inlet openings 27 (numbered only by way of example) of the process gas channels 25 are placed radially further outward than the outlet openings 28 (only numbered as an example) of the process gas channels 25.
  • the inlet openings 27 are arranged on the hot gas front side 22 or rear side 21 of the double wheel disk element 1, while the outlet openings 28 are arranged on the cold gas front side 19 or front side 18 of the double wheel disk element 1.
  • a tempering path 30 is provided on the double wheel disk element 1, which comprises at least both the process gas ducts 25 and the hub 10.
  • the process gas passages 25 and the hub 10 are spatially interconnected by a gap 31, wherein the gap 31 is at least partially bounded by the outside 32 of the double wheel disk element 1.
  • the process gas 33 flowing through the turbomachine is used in the present case, which flows around the main body of the double-disc element 1 with a main flow direction 36 in the axial direction 6 with its main flow 35.
  • center region 38 can advantageously be tempered, which already leads to a reduction in stress within the double wheel disk element 1.
  • the part 37 of the process gas 33 flows again in the main flow direction 36 according to the main flow 36, which flows around the double-wheel disc element 1 on the outside.
  • the double wheel disk element 1 can be heated substantially more homogeneously, as a result of which the thermal stresses within the double wheel disk element 1 are also significantly reduced.

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Doppel-Radscheibenelement (1) einer Strömungsmaschine mit mindestens zwei in Richtung (6) der Axialrotationsachse (3) des Doppel-Radscheibenelements (1) axial hintereinander angeordneten Schaufelfußaufnahmeeinrichtungen (4, 5) und mit einem Temperierungspfad (30) zum Durchströmen von einem Teil (37) eines das Doppel-Radscheibenelement (1) radial außen umströmenden Prozessgases (33) der Strömungsmaschine, bei welchem der Temperierungspfad (30) eine Vielzahl an von radial weiter außen nach radial weiter innen schräg verlaufenden Prozessgaskanälen (25) dieses Doppel-Radscheibenelements (1) umfasst, wobei der Temperierungspfad (30) zusätzlich die Nabe (10) dieses Doppel-Radscheibenelements (1) umfasst, welche strömungstechnisch an die Prozesskanäle (25) dieses Doppel-Radscheibenelements (1) angebunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Doppel-Radscheibenelement einer Strömungsmaschine, mit mindestens zwei in Richtung der Axialrotationsachse des Doppel-Radscheibenelements axial hintereinander angeordneten Schaufelfußaufnahmeeinrichtungen und mit einem Temperierungspfad zum Durchströmen von einem Teil eines das Doppel-Radscheibenelement radial außen umströmenden Prozessgases der Strömungsmaschine, bei welchem der Temperierungspfad eine Vielzahl an von radial weiter außen nach radial weiter innen schräg verlaufenden Prozessgaskanälen umfasst.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verdichterlaufrad mit mindestens zwei - in Strömungsrichtung gesehen - axial hintereinander angeordneten Laufschaufelreihen und mit einem einzigen Doppel-Radscheibenelement, an welchem die Vielzahl an Laufschaufeln der Laufschaufelreihen an dem einzigen Doppel-Radscheibenelement befestigt sind.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit wenigstens einem Verdichterlaufrad umfassend wenigstens ein Doppel-Radscheibenelement zum Tragen von Laufschaufelelementen.
  • Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Temperieren eines Doppel-Radscheibenelements einer Strömungsmaschine, bei welchem ein diese Strömungsmaschine in axialer Hauptströmungsrichtung durchströmendes Prozessgas zum Temperieren des Doppel-Radscheibenelements genutzt wird.
  • Radscheibenelemente sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt und werden an Strömungsmaschinen jeglicher Art eingesetzt. Sie dienen zum Tragen von Laufschaufeln, welche konzentrisch um die Axialrotationsachse des Radscheibenelements herum an dem Radscheibenelement angeordnet werden.
  • Das Radscheibenelement und die daran befestigten Laufschaufeln bilden dabei ein Laufrad der Strömungsmaschine, welche von einem Prozessgas durchströmt wird.
  • In der Regel werden mehrere solcher mit unterschiedlichen Laufschaufeln bestückte Radscheibenelemente axial hintereinander angeordnet und mithilfe einer Zugankereinrichtung zu einer Rotortrommel der Strömungsmaschine miteinander verspannt, um hierdurch eine mehrstufige Strömungsmaschine mit mehreren Laufschaufelreihen zu realisieren.
  • Um beispielsweise bei gleicher Anzahl an axial hintereinander angeordneten Schaufelaufnahmeeinrichtungen bzw. Laufschaufelreihen die Axialbaulänge der Rotortrommel verkürzen zu können, ist es bekannt, zwei solcher Einzelradscheibenelemente, also ein Radscheibenelement mit nur einer einzigen Schaufelaufnahmeeinrichtung, wie beispielsweise eine umlaufende Schaufelaufnahmeringnut, zu einem kombinierten Doppel-Radscheibenelement mit zwei axial hintereinander angeordneten Schaufelaufnahmeeinrichtungen zusammenzulegen. Derartige Doppel-Radscheibenelemente werden auch oft als "Twindisk" bezeichnet.
  • Hierdurch ist eine Designvariante geschaffen, bei welcher an einem einzigen Doppel-Radscheibenelement zwei oder manchmal auch mehr Schaufelaufnahmeeinrichtungen axial hintereinander angeordnet sind, so dass an diesem einzigen Doppel-Radscheibenelement auch mindestens zwei Laufschaufelreihen axial hintereinander verwirklicht werden können. Somit ist es möglich, entsprechend mit Doppel-Radscheibenelementen ausgerüstete Rotortrommeln kürzer zu bauen.
  • Jedoch ergibt sich für solche Doppel-Radscheibenelemente ein thermisch eingeschränkter Einsatzbereich, da sich herausgestellt hat, dass sie ungünstigeren Spannungsverhältnissen unterworfen sind, da sie sich insbesondere aufgrund einer größeren axialen Bauteiltiefe thermisch ungleichmäßiger insbesondere in radialer Richtung erwärmen können. Dass bedeutet konkret, dass das Doppel-Radscheibenelement größeren Wärmespannungen ausgesetzt ist, wodurch es nachteilig belastet wird.
  • Um diesen ungünstigen Spannungsverhältnissen entgegenzuwirken, sind bereits Doppel-Radscheibenelemente mit Kühlkanälen bekannt, die durch das Doppel-Radscheibenelement von radial weiter außen nach radial weiter innen durchdringende Bohrungen realisiert sind, und die von der Kaltgasstirnseite des Doppel-Radscheibenelements zu der Heißgasstirnseite des Doppel-Radscheibenelements führen.
  • Mithilfe dieser Kühlkanäle lassen sich thermisch bedingte Spannungen innerhalb des Doppel-Radscheibenelements jedoch nur bedingt reduzieren.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, gattungsgemäße Doppel-Radscheibenelemente weiterzuentwickeln, um zumindest die vorstehend genannten Nachteile zu überwinden.
  • Die Aufgabe wird von einem Doppel-Radscheibenelement einer Strömungsmaschine mit mindestens zwei in Richtung der Axialrotationsachse des Doppel-Radscheibenelements axial hintereinander angeordneten Schaufelfußaufnahmeeinrichtungen und mit einem Temperierungspfad zum Durchströmen von einem Teil eines das Doppel-Radscheibenelement radial außen umströmenden Prozessgases der Strömungsmaschine gelöst, bei welchem der Temperierungspfad eine Vielzahl an von radial weiter außen nach radial weiter innen schräg verlaufenden Prozessgaskanälen umfasst, wobei der Temperierungspfad zusätzlich die Nabe des Doppel-Radscheibenelements umfasst, welche strömungstechnisch an die Prozesskanäle angebunden ist.
  • Dadurch, dass der Temperierungspfad, entlang welchem zumindest ein Teil des das Doppel-Radscheibenelement radial außen umströmenden Prozessgases der Strömungsmaschine strömt, neben den Prozessgaskanälen dieses Doppel-Radscheibenelements auch noch die Nabe dieses Doppel-Radscheibenelements umfasst, kann das Doppel-Radscheibenelement im Bereich der Nabe ebenfalls hervorragend temperiert werden, so dass thermisch bedingte Spannungen innerhalb des Doppel-Radscheibenelements signifikant reduziert werden können.
  • Vorteilhafterweise kann der vorliegende Temperaturpfad hierdurch auch sehr kurz ausgestaltet werden.
  • Der hier erzeugte Temperaturpfad ist an demselben Radscheibenelement ausgestaltet.
  • Ferner kann hierdurch eine günstigere thermische radiale Ausdehnung und eine damit auch verbundene verbesserte Vorhersage bezüglich Radialspalte oder dergleichen erreicht werden.
  • Die strömungstechnische Anbindung der Prozessgaskanäle und der Nabe kann bei entsprechender Ausgestaltung des Doppel-Radscheibenelements unmittelbar erfolgen, indem beispielsweise die Prozessgaskanäle derart in dem Doppel-Radscheibenelement eingebracht sind, dass sie etwa direkt in die Nabe einmünden.
  • Die strömungstechnische Anbindung der Prozessgaskanäle an die Nabe erfolgt bevorzugt jedoch durch einen mittels zwei axial hintereinander angeordneten Doppel-Radscheibenelemente gekapselten Zwischenraum, durch welchen die Prozesskanäle und die Nabe mittelbar miteinander strömungstechnisch wirkverbunden sind.
  • Die Begrifflichkeit "Prozessgaskanäle" beschreibt hierbei Kanäle, welche schräg durch das Doppel-Radscheibenelement verlaufen, so dass das Doppel-Radscheibenelement von einem Prozessgas entweder homogener erwärmt bzw. gekühlt werden kann, je nachdem ob sich die Strömungsmaschine in einer Anlaufphase befindet oder bereits schon mit Betriebstemperatur betrieben wird.
  • In der Regel sind die Prozessgaskanäle durch Bohrungen an dem Doppel-Radscheibenelement realisiert.
  • Die Prozessgaskanäle durchstoßen das Doppel-Radscheibenelement unterhalb der mindestens zwei Schaufelfußaufnahmeeinrichtungen.
  • Die Strömungsrichtung des abgezweigten Teils des Prozessgases innerhalb der Kühlgaskanäle ist entgegengesetzt der Hauptströmungsrichtung der Strömungsmaschine ausgerichtet.
  • Der Begriff "Nabe" beschreibt im Sinne der Erfindung die Zentralbohrung des Doppel-Radscheibenelements, durch welche hindurch ein Wellenelement der Strömungsmaschine durch das Doppel-Radscheibenelement hindurch geführt ist.
  • Oftmals nimmt diese Nabe bzw. Zentralbohrung ein Zugankerelement der Strömungsmaschine auf, mittels welchem mehrere axial hintereinander angeordnete Doppel-Radscheibenelement miteinander verspannt sind.
  • Der Begriff "Kaltgasstirnseite" beschreibt diejenige Stirnseite des Doppel-Radscheibenelements, welche der Hauptströmungsrichtung zugewandt ist. Dementsprechend beschreibt der Ausdruck "Heißgasstirnseite" diejenige Stirnseite des Doppel-Radscheibenelements, welche der Hauptströmungsrichtung abgewandt ist. Insofern ist die Kaltgasstirnseite stromauf der Heißgasstirnseite angeordnet.
  • Mit anderen Worten: Die Kaltgasstirnseite ist die Vorderseite und die Heißgasstirnseite ist die Rückseite des Doppel-Radscheibenelements.
  • In der Regel ist das Prozessgas Luft bzw. verdichtete Luft, oder ein Luftgemisch.
  • Der Ausdruck "Doppel-Radscheibenelement" beschreibt im Sinne der Erfindung ein einzelnes, einstückiges Rotationselement eines einteiligen oder mehrteiligen Rotors einer Strömungsmaschine, wobei an dem Doppel-Radscheibenelement konzentrisch um die Axialrotationsachse eine Vielzahl an Laufschaufeln angeordnet werden können, und wobei an diesem Doppel-Radscheibenelement mindestens zwei Schaufelfußaufnahmeeinrichtungen, vorzugsweise in Gestalt von umlaufenden Schaufelfußaufnahmeringnuten, in Hauströmungsrichtung des Doppel-Radscheibenelements bzw. der Strömungsmaschine hintereinander angeordnet sind.
  • Somit betrifft die Erfindung ein mindestens zwei Schaufelfußaufnahmeeinrichtungen aufweisendes Doppel-Radscheibenelement einer Strömungsmaschine.
  • Das vorliegende Doppel-Radscheibenelement ist bevorzugt im Wesentlichen um seine Axialrotationsachse herum rotationssymmetrisch ausgebildet.
  • Durch die mindestens zwei axial hintereinander angeordneten Schaufelfußaufnahmeeinrichtungen können an dem vorliegenden einstückigen Doppel-Radscheibenelement zwei Laufschaufelreihen axial hintereinander realisiert werden.
  • Insofern wird die Aufgabe der Erfindung auch von einem Verdichterlaufrad mit mindestens zwei - in Hauptströmungsrichtung gesehen - axial hintereinander angeordneten Laufschaufelreihen und mit einem einzigen Doppel-Radscheibenelement gelöst, an welcher die Vielzahl an Laufschaufeln der Laufschaufelreihen an dem einzigen Doppel-Radscheibenelement befestigt sind, wobei das Verdichterlaufrad ein Doppel-Doppel-Radscheibenelement nach einem der hier beschriebenen Merkmale aufweist.
  • Durch das mit dem vorliegenden vorteilhaft ausgestalteten Doppel-Radscheibenelement ausgerüstete Verdichterlaufrad kann dieses hinsichtlich seiner thermischen Eigenschaften wesentlich verbessert werden, so dass auch die Standzeit des Verdichterlaufrads signifikant erhöht werden kann.
  • Der Begriff "Strömungsmaschine" beschreibt vorliegend im Wesentlichen eine thermische Strömungsmaschine, also im speziellen eine axiale Strömungsmaschine, wie etwa eine Gasturbine.
  • Insofern wird die Aufgabe auch von einer Strömungsmaschine, insbesondere von einer Gasturbine, mit wenigstens einem Verdichterlaufrad umfassend wenigstens ein Doppel-Radscheibenelement zum Tragen von Laufschaufelelementen gelöst, wobei die Strömungsmaschine wenigstens ein Doppel-Radscheibenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
  • Das Prozessgas kann zumindest teilweise von radial weiter außen und einer Position axial hinter den mindestens zwei Schaufelfußaufnahmeeinrichtungen konstruktiv einfach nach radial weiter innen und damit in den Bereich der Nabe, sowie zusätzlich axial vor den mindestens zwei Schaufelfußaufnahmeeinrichtungen und damit auch axial vor die Nabe geführt werden, wenn die Prozessgaskanäle von der Heißgasstirnseite zu der Kaltgasstirnseite hin nach radial innen in Richtung Zentralbohrung schräg abfallen.
  • Eine bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, dass Eintrittsöffnungen der Prozessgaskanäle radial weiter außen an der Heißgasstirnseite des Doppel-Radscheibenelements und Austrittsöffnungen der Prozessgaskanäle radial weiter innen an der Kaltgasstirnseite des Doppel-Radscheibenelements derart angeordnet sind, dass das Doppel-Radscheibenelement zumindest von dem Teil des das Doppel-Radscheibenelement radial außen umströmenden Prozessgases von der Heißgasstirnseite zu der Kaltgasstirnseite entgegengesetzt der Hauptströmungsrichtung durchströmbar ist, so dass der die Prozessgaskanäle durchströmbare Teil der Prozessgas wieder in Hauptströmungsrichtung durch die Zentralbohrung des Doppel-Radscheibenelements hindurchströmen kann.
  • Dadurch, dass die Prozessgaskanäle von der Heißgasstirnseite zu der Kaltgasstirnseite verlaufen und zwar von radial weiter außen nach radial weiter innen, gelingt es, nicht nur den Mittenbereich des Doppel-Radscheibenelements gut zu temperieren, sondern darüber hinaus auch noch den Nabenbereich von innen, wodurch die Belastung des Doppel-Radscheibenelements durch Wärmespannungen aufgrund eines zu hohen Temperaturgradients in radialer Richtung des Doppel-Radscheibenelements signifikant reduziert werden kann.
  • Insbesondere kann vorliegend ein definierter Temperaturgradient formuliert werden.
  • Das vorgeschlagene mindestens zwei Schaufelfußaufnahmeeinrichtungen aufweisende Doppel-Radscheibenelement kann von nochmals verdichtetem Prozessgas durchströmt werden, wenn die Eintrittsöffnungen der Prozessgaskanäle stromab hinter den mindestens zwei Schaufelfußaufnahmeeinrichtungen angeordnet sind.
  • Hierbei ist es vorteilhaft, wenn zwischen der stromauf angeordneten, ersten Schaufelfußaufnahmeeinrichtung und den weiter stromab angeordneten Eintrittsöffnungen der Prozessgaskanäle mindestens eine weitere Schaufelfußaufnahmeeinrichtung angeordnet ist, so dass der Teil des Prozessgases, welcher das Doppel-Radscheibenelement durchströmen und thermisch beeinflussen soll, axial möglichst weit hinten abgegriffen werden kann.
  • Der Teil des Prozessgases, welcher die Prozesskanäle durchströmen soll, kann besonders effektiv abgegriffen werden, wenn die Eintrittsöffnungen der Prozessgaskanäle radial außen an einem Hirthverzahnungskragen angeordnet sind.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn Eintrittsöffnungen der Prozessgaskanäle an derjenigen Stirnseite des Doppel-Radscheibenelements angeordnet sind, welche der stromab bzw. axial hinten liegende Schaufelfußaufnahmeeinrichtung nächstliegend angeordnet ist. Beispielsweise ist dies an der Heißgasstirnseite der Fall, welche der stromab liegenden Schaufelfußaufnahmeeinrichtung nächstliegend angeordnet ist. Hierdurch kann möglichst hoch erwärmtes Prozessgas zum radial weiter Innentemperieren des Doppel-Radscheibenelements verwendet werden.
  • Dies ist besonders hinsichtlich eines Verdichterradscheibenelements vorteilhaft, da das durch eine Laufschaufelreihe erwärmte Prozessgas höher erwärmt ist.
  • Insofern sieht ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel vor, dass das Doppel-Radscheibenelement ein Verdichterradscheibenelement ist.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird auch von einem Verfahren zum Temperieren eines Doppel-Radscheibenelements einer Strömungsmaschine gelöst, bei welchem ein diese Strömungsmaschine in axialer Hauptströmungsrichtung durchströmendes Prozessgas zum Temperieren des Doppel-Radscheibenelements genutzt wird, wobei zumindest ein Teil dieses Prozessgases unterhalb der mindestens zwei Schaufelaufnahmeeinrichtungen von der Heißgasstirnseite des Doppel-Radscheibenelements zu der Kaltgasstirnseite des Doppel-Radscheibenelements geführt wird, und dieser Teil des Prozessgases anschließend durch die Nabe des Doppel-Radscheibenelements hindurch von der Kaltgasstirnseite zu der Heißgasstirnseite geleitet wird.
  • Durch diesen speziellen Verlauf des Prozessgases kann insbesondere der Nabenbereich des vorliegenden Doppel-Radscheibenelements gegenüber herkömmlichen Doppel-Radscheibenelementen wesentlich gleichmäßiger temperiert und damit thermisch erheblich besser an den die Schaufelaufnahmeeinrichtungen umfassenden Außenbereich angebunden werden, wodurch signifikant geringere Wärmespannungen innerhalb des Doppel-Radscheibenelements entstehen.
  • Durch die spezielle Ausgestaltung des vorgeschlagenen Doppel-Radscheibenelements kann das vorliegende Temperierverfahren konstruktiv einfach umgesetzt werden.
  • Darüber hinaus ergeben sich durch das vorliegende Doppel-Radscheibenelement eine Vielzahl an weiteren Effekten und Vorteilen.
  • Beispielsweise kann durch die zwei Schaufelfußaufnahmeeinrichtungen die Anzahl der erforderlichen Hirthverzahnungen zum Erzeugen einer entsprechenden Rotortrommel reduziert werden, da weniger Doppel-Radscheibenelemente verbaut werden müssen, wodurch eine mechanische Vereinfachung erzielt werden kann.
  • Darüber hinaus kann eine spürbare Gewichtsreduzierung erreicht werden, wodurch sich die Lagerlasten an Rotortrommellagerungen entsprechend verringern.
  • Weitere Merkmale, Effekte und Vorteile vorliegender Erfindung werden anhand anliegender Zeichnung und nachfolgender Beschreibung erläutert, in welchen beispielhaft ein Doppel-Radscheibenelement mit einem Temperierungspfad dargestellt und beschrieben ist.
  • In der Zeichnung zeigt die einzige
    • Figur
    schematisch eine Querschnittsansicht eines im Sinne der Erfindung ausgestalteten Doppel-Radscheibenelements
  • Das in der einzigen Figur gezeigte rotationssymmetrische Doppel-Radscheibenelement 1 ist ein Doppel-Verdichterradscheibenelement 2 eines Verdichters (nicht gezeigt) einer hier ebenfalls nicht weiter gezeigten Strömungsmaschine in Gestalt einer Gasturbine.
  • Das Doppel-Radscheibenelement 1 zeichnet sich durch eine Axialrotationsachse 3 aus, um welche herum das Doppel-Radscheibenelement 1 im Betrieb des Verdichters bzw. der Gasturbine rotiert.
  • Das Doppel-Radscheibenelement 1 zeichnet sich des Weiteren durch zwei radial weiter außen angeordnete Schaufelfußaufnahmeeinrichtungen 4 und 5 aus, welche in axialer Richtung 6 axial hintereinander an der Außenseite 7 des Doppel-Radscheibenelements 1 angeordnet sind.
  • Die zwei Schaufelfußaufnahmeeinrichtungen 4 und 5 sind in diesem Ausführungsbeispiel als radial offene Schaufelfußaufnahmeringnuten (nicht gesondert beziffert) ausgebildet, welche in Umfangsrichtung des Doppel-Radscheibenelements 1 verlaufen.
  • In die zwei Schaufelfußaufnahmeeinrichtungen 4 und 5 können in bekannter Weise eine Vielzahl an Laufschaufeln (nicht gezeigt) von außen und in radialer Richtung 8 eingesteckt und dort anschließend durch Drehung um deren Hochachse festgelegt werden.
  • Das Doppel-Radscheibenelement 1 und die hieran befestigten Laufschaufeln bilden gemeinsam ein Verdichterlaufrad (nicht gesondert beziffert).
  • Radial weiter innen befindet sich die Nabe 10 des Doppel-Radscheibenelements 1, welche als Zentralbohrung 11 ausgebildet ist.
  • Die Nabe 10 kann hierbei der Aufnahme eines hier nicht gezeigten Zugankers dienen, mittels welchem mehrere entlang der Axialrotationsachse 3 hintereinander angeordnete Doppel-Radscheibenelemente 1 miteinander verspannt werden können.
  • Die einzelnen Doppel-Radscheibenelemente 1 sind hierbei mittels Hirthverzahnungen 15 und 16 gegen ein rotatorisches Verdrehen um die Axialrotationsachse 3 zueinander gesichert.
  • Die vordere Hirthverzahnung 15 ist an einem vorderen Hirthverzahnungskragen 17 des Doppel-Radscheibenelements 1 ausgebildet, welcher an der Vorderseite 18 bzw. Kaltgasstirnseite 19 des Doppel-Radscheibenelements 1 angeordnet ist.
  • Die hintere Hirthverzahnung 16 des Doppel-Radscheibenelements 1 ist dementsprechend an einem hinteren Hirthverzahnungskragen 20 ausgebildet, welcher sich an der Rückseite 21 bzw. Heißgasstirnseite 22 des Doppel-Radscheibenelements 1 befindet.
  • Zwischen den zwei radial weiter außen angeordneten Schaufelfußaufnahmeeinrichtungen 4 und 5 und der demgegenüber radial weiter innen angeordneten Nabe 10 sind eine Vielzahl an Prozessgaskanäle 25 (nur exemplarisch beziffert) angeordnet, welche als Bohrungen 26 in dem Doppel-Radscheibenelement 1 eingearbeitet sind.
  • Hierbei sind die Eintrittsöffnungen 27 (nur exemplarisch beziffert) der Prozessgaskanäle 25 radial weiter außen platziert als die Austrittsöffnungen 28 (nur exemplarisch beziffert) der Prozessgaskanäle 25.
  • Die Eintrittsöffnungen 27 sind hierbei an der Heißgasstirnseite 22 bzw. Rückseite 21 des Doppel-Radscheibenelements 1 angeordnet, während die Austrittsöffnungen 28 an der Kaltgasstirnseite 19 bzw. Vorderseite 18 des Doppel-Radscheibenelements 1 angeordnet sind.
  • Insofern ist an dem Doppel-Radscheibenelement 1 ein Temperierungspfad 30 geschaffen, welcher zumindest sowohl die Prozessgaskanäle 25 als auch die Nabe 10 umfasst.
  • In diesem Ausführungsbeispiel sind die Prozessgaskanäle 25 und die Nabe 10 durch einen Zwischenraum 31 räumlich miteinander verbunden, wobei der Zwischenraum 31 zumindest teilweise von der Außenseite 32 des Doppel-Radscheibenelements 1 umgrenzt ist.
  • Durch den so aufgebauten Temperierungspfad 30 gelingt auf baulich einfach Weise eine homogenere Temperierung des Doppel-Radscheibenelements 1, was zu signifikant weniger thermischen Spannungen innerhalb des Doppel-Radscheibenelements 1 führt.
  • Zur Temperierung des Doppel-Radscheibenelements 1 wird vorliegend das die Strömungsmaschine durchströmende Prozessgas 33 verwendet, welches mit seinem Hauptstrom 35 das Doppel-Radscheibenelement 1 mit einer Hauptstromrichtung 36 außen in axialer Richtung 6 umströmt.
  • Von diesem Hauptstrom 35 tritt zumindest ein Teil 37 durch die Eintrittsöffnungen 27 in die Prozessgaskanäle 25 ein, wobei dieser Teil 37 entgegen der Hauptstromrichtung 36 geführt wird, während er das Doppel-Radscheibenelement 1 von der Rückseite 21 zu der Vorderseite 18 und von radial weiter außen nach radial weiter innen durchströmt, und hierbei insbesondere im Bereich der Prozessgaskanäle 25 ein Wärmeübergang zwischen dem Teil 37 des Prozessgases 33 und dem Doppel-Radscheibenelement 1 stattfinden kann.
  • Somit kann der Mittenbereich 38 vorteilhaft temperiert werden, was bereits zu einer Spannungsreduzierung innerhalb des Doppel-Radscheibenelements 1 führt.
  • Um sogleich auch den radial weiter innenliegenden Nabenbereich 39 des Doppel-Radscheibenelements 1 vorteilhaft zu temperieren, wird der aus den Prozessgaskanälen 25 austretende Teil 37 des Prozessgases 33 weiter in die Nabe 10 desselben Doppel-Radscheibenelements 1 geleitet.
  • In der Nabe 10 strömt der Teil 37 des Prozessgases 33 wieder in Hauptströmungsrichtung 36 gemäß dem Hauptstrom 36, welcher das Doppel-Radscheibenelement 1 außen umströmt.
  • Durch diesen speziellen Strömungsverlauf kann das Doppel-Radscheibenelement 1 wesentlich homogener temperiert werden, wodurch sich auch die Wärmespannungen innerhalb des Doppel-Radscheibenelements 1 signifikant reduzieren.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch dieses offenbarte Ausführungsbeispiel eingeschränkt, und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (10)

  1. Doppel-Radscheibenelement (1) einer Strömungsmaschine mit mindestens zwei in Richtung (6) der Axialrotationsachse (3) des Doppel-Radscheibenelements (1) axial hintereinander angeordneten Schaufelfußaufnahmeeinrichtungen (4, 5) und mit einem Temperierungspfad (30) zum Durchströmen von einem Teil (37) eines das Doppel-Radscheibenelement (1) radial außen umströmenden Prozessgases (33) der Strömungsmaschine, bei welchem der Temperierungspfad (30) eine Vielzahl an von radial weiter außen nach radial weiter innen schräg verlaufenden Prozessgaskanälen (25) dieses Doppel-Radscheibenelements (1) umfasst, wobei der Temperierungspfad (30) zusätzlich die Nabe (10) dieses Doppel-Radscheibenelements (1) umfasst, welche strömungstechnisch an die Prozesskanäle (25) dieses Doppel-Radscheibenelements (1) angebunden ist.
  2. Doppel-Radscheibenelement (1) nach Anspruch 1,
    wobei die Prozessgaskanäle (25) von der Heißgasstirnseite (22) zu der Kaltgasstirnseite (19) hin nach radial innen in Richtung (8) der Nabe (10) schräg abfallend verlaufen.
  3. Doppel-Radscheibenelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei Eintrittsöffnungen (27) der Prozessgaskanäle (25) radial weiter außen an der Heißgasstirnseite (22) des Doppel-Radscheibenelements (1) und Austrittsöffnungen (28) der Prozessgaskanäle (25) radial weiter innen an der Kaltgasstirnseite (19) des Doppel-Radscheibenelements (1) derart angeordnet sind, dass das Doppel-Radscheibenelement (1) zumindest von dem Teil (37) des das Doppel-Radscheibenelement (1) radial außen umströmenden Prozessgases (33) von der Heißgasstirnseite (22) zu der Kaltgasstirnseite (19) entgegengesetzt der Hauptströmungsrichtung (36) durchströmbar ist, so dass der die Prozessgaskanäle (25) durchströmbare Teil (37) des Prozessgases (33) wieder in Hauptströmungsrichtung (36) durch die Nabe (10) des Doppel-Radscheibenelements (1) hindurchströmen kann.
  4. Doppel-Radscheibenelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    wobei Eintrittsöffnungen (27) der Prozessgaskanäle (25) stromab bzw. axial hinter den mindestens zwei Schaufelfußaufnahmeeinrichtungen (4, 5) angeordnet sind.
  5. Doppel-Radscheibenelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    wobei Eintrittsöffnungen (27) der Prozessgaskanäle (25) radial außen an einem Hirthverzahnungskragen (20) angeordnet sind.
  6. Doppel-Radscheibenelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    wobei Eintrittsöffnungen (27) der Prozessgaskanäle (25) an derjenigen Stirnseite (21) des Doppel-Radscheibenelements (1) angeordnet sind, welche der stromab bzw. axial hinten liegenden Schaufelfußaufnahmeeinrichtung (5) nächstliegend angeordnet ist.
  7. Doppel-Radscheibenelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    wobei das Doppel-Radscheibenelement (1) ein Verdichterradscheibenelement (2) ist.
  8. Verdichterlaufrad mit mindestens zwei - in Hauptströmungsrichtung (36) gesehen - axial hintereinander angeordneten Laufschaufelreihen und mit einem einzigen Doppel-Radscheibenelement (1), an welchem die Vielzahl an Laufschaufeln der Laufschaufelreihen an dem einzigen Doppel-Radscheibenelement (1) befestigt sind,
    wobei das Verdichterlaufrad ein Doppel-Radscheibenelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
  9. Strömungsmaschine,
    insbesondere Gasturbine,
    mit wenigstens einem Verdichterlaufrad umfassend wenigstens ein Doppel-Radscheibenelement (1) zum Tragen von Laufschaufelelementen, wobei die Strömungsmaschine wenigstens ein Doppel-Radscheibenelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
  10. Verfahren zum Temperieren eines Doppel-Radscheibenelements (1) einer Strömungsmaschine,
    bei welchem ein diese Strömungsmaschine in axialer Hauptströmungsrichtung (36) durchströmendes Prozessgas (33) zum Temperieren des Doppel-Radscheibenelements (1) genutzt wird,
    wobei zumindest ein Teil (37) dieses Prozessgases (33) unterhalb der mindestens zwei Schaufelaufnahmeeinrichtungen (4, 5) von der Heißgasstirnseite (22) des Doppel-Radscheibenelements (1) zu der Kaltgasstirnseite (19) des Doppel-Radscheibenelements (1) geführt wird, und dieser Teil (37) des Prozessgases (33) anschließend durch die Nabe (10) des Doppel-Radscheibenelements (1) hindurch von der Kaltgasstirnseite (19) zu der Heißgasstirnseite (22) geleitet wird.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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