EP4166754B1 - Rotoranordnung für eine gasturbine mit an rotorsegmenten ausgebildeten, geneigten axialen kontaktflächen, gasturbine und fluggasturbine - Google Patents

Rotoranordnung für eine gasturbine mit an rotorsegmenten ausgebildeten, geneigten axialen kontaktflächen, gasturbine und fluggasturbine Download PDF

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EP4166754B1
EP4166754B1 EP22200151.3A EP22200151A EP4166754B1 EP 4166754 B1 EP4166754 B1 EP 4166754B1 EP 22200151 A EP22200151 A EP 22200151A EP 4166754 B1 EP4166754 B1 EP 4166754B1
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turbine
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    • F05D2260/94—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF]
    • F05D2260/941—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF] particularly aimed at mechanical or thermal stress reduction

Definitions

  • US 20100290904 A1 discloses a rotor arrangement with wedge-shaped contact surfaces.
  • US 8 459 943 B2 discloses a rotor arrangement with wedge-shaped contact surfaces.
  • US 8794 923 B2 discloses a rotor arrangement with wedge-shaped contact surfaces.
  • US 2011/0219781 A1 and US 2020/0291781 A1 discloses a rotor arrangement with wedge-shaped contact surfaces.
  • US 2020/0291781 A1 discloses a rotor arrangement with wedge-shaped contact surfaces.
  • a rotor arrangement for a gas turbine in particular an aircraft gas turbine, comprising a plurality of rotor segments arranged one after the other in the axial direction and connected to one another in the axial direction by at least one tie rod device; wherein a rotor segment at the front in the axial direction has a first contact surface and a rotor segment at the rear in the axial direction has a second contact surface, wherein the first contact surface and the second contact surface are at least partially in contact with one another, and wherein the first contact surface and the second contact surface are substantially annular and extend in the radial direction and the circumferential direction.
  • first contact surface and/or the second contact surface extend at least partially inclined with respect to the radial direction, wherein an angle is formed between the first contact surface and the second contact surface with respect to a sectional plane spanned by the axial direction and the radial direction.
  • the first contact surface can be substantially parallel to the radial direction, and the second contact surface can be inclined to the radial direction.
  • the reverse configuration is also conceivable, whereby the second contact surface can be substantially parallel to the radial direction, and the first contact surface can be inclined to the radial direction.
  • the front rotor segment may be a rotor blade ring and the rear rotor segment may be a seal carrier.
  • the angle between the first contact surface and the second contact surface can be 0.5° to 3°, in particular 0.8° to 1.2°.
  • the inclination or angle can be selected depending on the remaining geometry of the adjacent rotor segments or their contact surfaces. It is also conceivable that sections with different opening angles may arise along the radial direction between the two contact surfaces. For example, the opening angle may increase from radially inward to radially outward.
  • the front rotor segment and the rear rotor segment are clamped together via a single contact surface pair consisting of the first annular contact surface and the second annular contact surface.
  • a single contact surface pair consisting of the first annular contact surface and the second annular contact surface.
  • the first contact surface and the second contact surface can each be designed as flat annular surfaces.
  • first and second rotor segments does not describe the formation of pairs within the rotor arrangement.
  • a second rotor segment can also function as the first rotor segment if another (total third) rotor segment is axially connected.
  • Fig. 1 shows a schematic and simplified illustration of an aircraft gas turbine 10, which is illustrated purely by way of example as a bypass engine.
  • the gas turbine 10 comprises a fan 12, which is surrounded by an indicated casing 14.
  • the fan 12 is followed by a compressor 16, which is accommodated in an indicated inner casing 18 and can be of single-stage or multi-stage design.
  • the combustion chamber 20 is connected to the compressor 16. Hot exhaust gas flowing out of the combustion chamber then flows through the adjoining turbine 22, which can be of single-stage or multi-stage design.
  • the turbine 22 comprises a high-pressure turbine 24 and a low-pressure turbine 26.
  • a hollow shaft 28 connects the high-pressure turbine 24 to the compressor 16, in particular a high-pressure compressor 29, so that they are driven or rotated together.
  • a further internal shaft 30 in the radial direction RR of the turbine connects the low-pressure turbine 26 to the fan 12 and to a low-pressure compressor 32, so that they are jointly driven and rotated.
  • a thrust nozzle 33, only indicated here, is connected to the turbine 22.
  • a turbine intermediate casing 34 is arranged between the high-pressure turbine 24 and the low-pressure turbine 26, said intermediate casing being arranged around the shafts 28, 30.
  • Hot exhaust gases from the high-pressure turbine 24 flow through the turbine intermediate casing 34 in its radially outer region 36.
  • the hot exhaust gases then enter an annular space 38 of the low-pressure turbine 26.
  • Rotor blade rings 27 of the compressors 28, 32 and the turbines 24, 26 are shown as examples.
  • conventionally present guide vane rings 31 are shown as examples only for the compressor 32.
  • Fig. 2 shows a simplified and schematic sectional view of a front rotor segment 40 and a rear rotor segment 42 of a rotor assembly 100.
  • the front rotor segment 40 is a rotor blade ring.
  • the rear rotor segment 42 is, in this example, a seal carrier element with a radially outwardly projecting seal section 44 of a labyrinth seal.
  • the first rotor segment 40 and the second rotor segment 42 can also be other rotating components of the turbine 22 of the gas turbine 10.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotoranordnung für eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, mit mehreren in Axialrichtung nacheinander angeordneten Rotorsegmenten, die durch wenigstens eine Zugankereinrichtung in Axialrichtung miteinander verbunden sind, wobei ein in Axialrichtung vorderes Rotorsegment eine erste Kontaktfläche aufweist und ein in Axialrichtung hinteres Rotorsegment eine zweite Kontaktfläche aufweist, wobei die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche zumindest teilweise miteinander in Kontakt stehen, und wobei die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche im Wesentlichen ringförmig ausgebildet sind und sich in Radialrichtung und Umfangsrichtung erstrecken.
  • Richtungsangaben wie "Axial-" bzw. "axial", "Radial-" bzw. "radial" und "Umfangs-" sind grundsätzlich auf die Maschinenachse der Gasturbine bezogen zu verstehen, sofern sich aus dem Kontext nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
  • Bei derartigen Rotoranordnungen entstehen insbesondere im Betrieb der Gasturbine aufgrund der hohen thermischen und mechanischen Einflüsse im Bereich der axial aneinander anliegenden Kontaktflächen große axiale Spannungen an jeweils zwei benachbarten Rotorsegmenten, die Teil eines axial verspannten Zugankerverbunds mit mehreren Rotorsegmenten sind. Es hat sich gezeigt, dass aufgrund von hohen Lasten in dem Zugankerverbund insbesondere ringförmige und in Radialrichtung sehr begrenzte, insbesondere dünne, Kraftübertragungszonen entstehen, in denen ausgeprägte axiale Kraftspitzen übertragen werden, was zu den erwähnten hohen und unerwünschten Spannungen führt. In solchen hoch belasteten Kraftübertragungsbereichen besteht ein erhöhtes Verschleißrisiko, insbesondere kann Materialfraß (Fretting) auftreten.
  • US 20100290904 A1 offenbart eine Rotoranordnung mit keilförmigen Kontaktflächen. Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird beispielweise auf folgende Dokumente hingewiesen: US 8 459 943 B2 , US 8794 923 B2 , US 2011/0219781 A1 und US 2020/0291781 A1 , EP 2677120A , US 20070009360 A1 , WO 2014039826A1 .
  • Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, eine Rotoranordnung anzugeben, bei der die obigen Nachteile vermieden werden können.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe werden eine Rotoranordnung und eine Gasturbine mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte und optionale Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
  • Vorgeschlagen wird also eine Rotoranordnung für eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, mit mehreren in Axialrichtung nacheinander angeordneten Rotorsegmenten, die durch wenigstens eine Zugankereinrichtung in Axialrichtung miteinander verbunden sind; wobei ein in Axialrichtung vorderes Rotorsegment eine erste Kontaktfläche aufweist und ein in Axialrichtung hinteres Rotorsegment eine zweite Kontaktfläche aufweist, wobei die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche zumindest teilweise mit-einander in Kontakt stehen, und wobei die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche im Wesentlichen ringförmig ausgebildet sind und sich in Radialrichtung und Umfangsrichtung erstrecken. Dabei ist vorgesehen, dass die erste Kontaktfläche oder/und die zweite Kontaktfläche bezogen auf die Radialrichtung zumindest teilweise geneigt verläuft, wobei bezogen auf eine Schnittebene, die durch die Axialrichtung und die Radialrichtung aufgespannt ist, zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche ein Winkel gebildet ist.
  • Durch eine derartige Ausgestaltung der Kontaktflächen von axial benachbarten Rotorsegmenten kann ein oben als nachteilig beschriebener ringlinienartiger Kontakt- bzw. Kraftübertragungsbereich vermieden werden. Hierdurch kann die Übertragung von Axialkräften besser auf die gesamte Kontaktfläche verteilt werden, so dass keine unterwünschten Spannungsspitzen entstehen.
  • Bei der Rotoranordnung kann die erste Kontaktfläche im Wesentlichen parallel zur Radialrichtung sein und die zweite Kontaktfläche kann geneigt zur Radialrichtung sein. Denkbar ist aber auch die umgekehrte Ausgestaltung, wonach die zweite Kontaktfläche im Wesentlichen parallel zur Radialrichtung sein kann und die erste Kontaktfläche geneigt zur Radialrichtung sein kann.
  • Bei der Rotoranordnung kann das vordere Rotorsegment ein Laufschaufelkranz sein und das hintere Rotorsegment kann ein Dichtungsträger sein.
  • Bei der Rotoranordnung kann der Winkel zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche 0,5° bis 3° betragen, insbesondere 0,8° bis 1,2°. Dabei kann die Neigung bzw. der Winkel in Abhängigkeit von der übrigen Geometrie der aneinander anliegenden Rotorsegmente bzw. deren Kontaktflächen gewählt werden. Es ist dabei auch denkbar, dass sich entlang der Radialrichtung zwischen den beiden Kontaktflächen Abschnitte ergeben mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln. Beispielsweise kann der Öffnungswinkel von radial innen nach radial außen größer werden.
  • Gemäß der Erfindung werden das vordere Rotorsegment und das hintere Rotorsegment nur über eine einzige Kontaktflächenpaarung bestehend aus der ersten ringförmigen Kontaktfläche und der zweiten ringförmigen Kontaktfläche miteinander verspannt. Eine solche Auslegung vermeidet Überbestimmungen im System, wie sie z.B. bei einer keilförmigen Verbindung auftreten würde. Dabei können bevorzugt die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche jeweils als plane Ringflächen ausgebildet sein.
  • Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt können sowohl die erste Kontaktfläche als auch die zweite Kontaktfläche nicht mehr als 10°, bevorzugt nicht mehr als 5°, besonders bevorzugt nicht mehr als 2° gegenüber der Radialrichtung geneigt sein. Dies vermeidet das Auftreten von exzessiven Radialkräften beim Verspannen der Rotorsegmente, die zu einem Aufbiegen der Rotortrommel im Betrieb beitragen könnten.
  • Allgemein wird darauf hingewiesen, dass durch die Verwendung der Begrifflichkeit erstes und zweites Rotorsegment keine Bildung von Paaren innerhalb der Rotoranordnung beschrieben wird. Insbesondere kann beispielsweise ein zweites Rotorsegment auch als erstes Rotorsegment fungieren, wenn sich axial ein weiteres (insgesamt drittes) Rotorsegment anschließt.
  • Eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine kann wenigstens eine oben beschriebene Rotoranordnung aufweisen. Dabei kann in der Gasturbine die Rotoranordnung Teil einer Niederdruckturbine oder einer Mitteldruckturbine oder eine Hochdruckturbine sein.
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren beispielhaft und nicht einschränkend beschrieben.
    • Fig. 1 zeigt in einer vereinfachten schematischen Darstellung ein Prinzipbild einer Fluggasturbine.
    • Fig. 2 zeigt in einer vereinfachten und schematischen Darstellung eine Schnittansicht einer Rotoranordnung mit mehreren Rotorsegmenten.
    • Fig. 3 zeigt eine Vergrößerung eines in Fig. 2 mit III gekennzeichneten Bereichs.
  • Fig. 1 zeigt schematisch und vereinfacht eine Fluggasturbine 10, die rein beispielhaft als Mantelstromtriebwerk illustriert ist. Die Gasturbine 10 umfasst einen Fan 12, der von einem angedeuteten Mantel 14 umgeben ist. In Axialrichtung AR der Gasturbine 10 schließt sich an den Fan 12 ein Verdichter 16 an, der in einem angedeuteten inneren Gehäuse 18 aufgenommen ist und einstufig oder mehrstufig ausgebildet sein kann. An den Verdichter 16 schließt sich die Brennkammer 20 an. Aus der Brennkammer ausströmendes heißes Abgas strömt dann durch die sich anschließende Turbine 22, die einstufig oder mehrstufig ausgebildet sein kann. Im vorliegenden Beispiel umfasst die Turbine 22 eine Hochdruckturbine 24 und eine Niederdruckturbine 26. Eine Hohlwelle 28 verbindet die Hochdruckturbine 24 mit dem Verdichter 16, insbesondere einem Hochdruckverdichter 29, so dass diese gemeinsam angetrieben bzw. gedreht werden. Eine in Radialrichtung RR der Turbine weitere innen liegende Welle 30 verbindet die Niederdruckturbine 26 mit dem Fan 12 und mit einem Niederdruckverdichter 32, so dass diese gemeinsam angetrieben bzw. gedreht werden. An die Turbine 22 schließt sich eine hier nur angedeutete Schubdüse 33 an.
  • Im dargestellten Beispiel einer Fluggasturbine 10 ist zwischen der Hochdruckturbine 24 und der Niederdruckturbine 26 ein Turbinenzwischengehäuse 34 angeordnet, das um die Wellen 28, 30 angeordnet ist. In seinem radial äußeren Bereich 36 wird das Turbinenzwischengehäuse 34 von heißen Abgasen aus der Hochdruckturbine 24 durchströmt. Das heiße Abgas gelangt dann in einen Ringraum 38 der Niederdruckturbine 26. Von den Verdichtern 28, 32 und den Turbinen 24, 26 sind beispielhaft Laufschaufelkränze 27 dargestellt. Üblicherweise vorhandene Leitschaufelkränze 31 sind aus Gründen der Übersicht beispielhaft nur bei dem Verdichter 32 dargestellt.
  • Die nachfolgende Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung bezieht sich insbesondere auf axial neben- bzw. nacheinander angeordnete Teile der Turbine 22.
  • Fig. 2 zeigt in einer vereinfachten und schematischen Schnittdarstellung ein vorderes Rotorsegment 40 und ein hinteres Rotorsegment 42 einer Rotoranordnung 100. Das vordere Rotorsegment 40 ist in diesem Beispiel ein Laufschaufelkranz. Das hintere Rotorsegment 42 ist in diesem Beispiel ein Dichtungsträgerelement mit einem radial nach außen vorstehenden Dichtungsabschnitt 44 einer Labyrinthdichtung. Das erste Rotorsegment 40 und das zweite Rotorsegment 42 können aber auch andere rotierende Bauteile der Turbine 22 der Gasturbine 10 sein.
  • Das erste Rotorsegment 40 weist eine erste Kontaktfläche 40k auf. Die erste Kontaktfläche 40k ist in diesem Beispiel ein axial hinterer Flächenabschnitt, insbesondere in Form einer Ringfläche des vorderen Rotorsegments 40. Das zweite Rotorsegment 42 weist eine zweite Kontaktfläche 42k auf. Die zweite Kontaktfläche 42k ist in diesem Beispiel ein axial vorderer Flächenabschnitt, insbesondere in Form einer Ringfläche des hinteren Rotorsegments 42.
  • Die erste Kontaktfläche 40k und die zweite Kontaktfläche 42k sind in Axialrichtung AR einander gegenüber angeordnet. Das vordere Rotorsegment 40 und das hintere Rotorsegment 42 sind mittels einer hier nicht dargestellten Zugankereinrichtung in Axialrichtung miteinander verbunden bzw. gegeneinander verspannt. Hierdurch kommen bzw. stehen die erste Kontaktfläche 40k und die zweite Kontaktfläche 42k miteinander in Berührung bzw. Kontakt.
  • Mittels der Kontaktflächen 40k, 42k werden insbesondere in Axialrichtung AR wirkende Kräfte innerhalb des Verbunds aus Rotorsegmenten 40, 42 übertragen bzw. abgestützt.
  • Fig. 3 zeigt eine Vergrößerung des in Fig. 2 mit dem strichpunktierten Rechteck III eingefassten Bereichs der beiden Kontaktflächen 40k, 42k sowie eine weitere Vergrößerung nur für den Bereich der Kontaktflächen 40k, 42k.
  • Aus diesen vergrößerten Darstellungen ist ersichtlich, dass zwischen den beiden Kontaktflächen 40k, 42k zumindest teilweise bzw. abschnittsweise ein Zwischenraum 46 gebildet ist. Dieser Zwischenraum weist eine geringe Größe von wenigen Millimetern bzw. Bruchteilen von Millimetern auf.
  • Dabei ist im hier gezeigten Beispiel die zweite Kontaktfläche 42k des hinteren Rotorsegments 42 leicht geneigt bezogen auf die Radialrichtung RR. Zwischen der ersten Kontaktfläche 40k und der zweiten Kontaktfläche 42k ist somit ein kleiner bzw. sehr spitzer Winkel α gebildet. Die Neigung der zweiten Kontaktfläche 42k ist dabei so gewählt, dass der Winkel α etwa 0,5° bis 3°, insbesondere etwa 1° beträgt.
  • Durch die zueinander geneigte Anordnung der beiden Kontaktflächen 40k, 42k können in diesem Bereich axial Kräfte im Betrieb der Gasturbine besser verteilt und ausgeglichen werden. Hierdurch können unerwünscht hohe Spannungen vermieden werden verglichen mit Kontaktflächen, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Dabei wird der zwischen den beiden Kontaktflächen 40k, 42k gebildete Zwischenraum 46 aufgrund der thermischen und mechanischen Wirkungen im Betrieb der Gasturbine geschlossen, so dass die Kontaktflächen 40k, 42k im Betrieb aneinander anliegen. Allerdings bildet sich auf diese Weise kein ringlinienförmiger Kraftübertragungsbereich aus, an dem so hohe axiale Kräfte wirken, dass Materialfraß (Fretting) oder dergleichen auftreten kann. Aufgrund der geneigten Anordnung bzw. Ausgestaltung der Kontaktfläche 42k bzw. der Kontaktflächen 40k, 42k zueinander wird eine verbesserte Spannungsverteilung geschaffen, bei der die Materialbeanspruchung der beiden Rotorsegmente 40, 42 gleichmäßiger ist.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Fluggasturbine
    12
    Fan
    14
    Mantel
    16
    Verdichter
    18
    inneres Gehäuse
    20
    Brennkammer
    22
    Turbine
    24
    Hochdruckturbine
    26
    Niederdruckturbine
    28
    Hohlwelle
    29
    Hochdruckverdichter
    30
    Welle
    31
    Leitschaufelkranz
    32
    Niederdruckverdichter
    33
    Schubdüse
    34
    Turbinenzwischengehäuse
    36
    radial äußerer Bereich
    38
    Ringraum
    40
    vorderes Rotorsegment
    40k
    erste Kontaktfläche
    42
    hinteres Rotorsegment
    42k
    zweite Kontaktfläche
    44
    Dichtungsabschnitt
    46
    Zwischenraum
    100
    Rotoranordnung
    α
    Winkel

Claims (7)

  1. Rotoranordnung (100) für eine Gasturbine (10), insbesondere Fluggasturbine, mit
    mehreren in Axialrichtung (AR) nacheinander angeordneten Rotorsegmenten (40, 42), die durch wenigstens eine Zugankereinrichtung in Axialrichtung (AR) miteinander verbunden sind;
    wobei ein in Axialrichtung (AR) vorderes Rotorsegment (40) eine erste Kontaktfläche (40k) aufweist und ein in Axialrichtung (AR) hinteres Rotorsegment (42) eine zweite Kontaktfläche (42k) aufweist,
    wobei die erste Kontaktfläche (40k) und die zweite Kontaktfläche (42k) zumindest teilweise miteinander in Kontakt stehen,
    wobei die erste Kontaktfläche (40k) und die zweite Kontaktfläche (42k) im Wesentlichen ringförmig ausgebildet sind und sich in Radialrichtung (RR) und Umfangsrichtung erstrecken,
    dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktfläche (40k) oder/und die zweite Kontaktfläche (42k) bezogen auf die Radialrichtung (RR) zumindest teilweise geneigt verläuft, wobei bezogen auf eine Schnittebene, die durch die Axialrichtung (AR) und die Radialrichtung (RR) aufgespannt ist, zwischen der ersten Kontaktfläche (40k) und der zweiten Kontaktfläche (42k) ein Winkel (α) gebildet ist, wobei das vordere Rotorsegment und das hintere Rotorsegment nur über eine einzige Kontaktflächenpaarung bestehend aus der ersten ringförmigen Kontaktfläche und der zweiten ringförmigen Kontaktfläche miteinander verspannt sind.
  2. Rotoranordnung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktfläche (40k) im Wesentlichen parallel zur Radialrichtung (RR) ist und dass die zweite Kontaktfläche (42k) geneigt zur Radialrichtung (RR) ist.
  3. Rotoranordnung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vordere Rotorsegment (40) ein Laufschaufelkranz ist und dass das hintere Rotorsegment (42) ein Dichtungsträger ist.
  4. Rotoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen der ersten Kontaktfläche (40k) und der zweiten Kontaktfläche (42k) 0,5° bis 3° beträgt, insbesondere 0,8° bis 1,2°.
  5. Rotoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die erste Kontaktfläche (40k) als auch die zweite Kontaktfläche (42k) nicht mehr als 10°, insbesondere nicht mehr als 5° gegenüber der Radialrichtung geneigt sind.
  6. Gasturbine (10), insbesondere Fluggasturbine mit wenigstens einer Rotoranordnung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
  7. Gasturbine (10) nach Anspruch 6, wobei die Rotoranordnung (100) Teil einer Niederdruckturbine (26) oder einer Mitteldruckturbine oder eine Hochdruckturbine (24) ist.
EP22200151.3A 2021-10-12 2022-10-06 Rotoranordnung für eine gasturbine mit an rotorsegmenten ausgebildeten, geneigten axialen kontaktflächen, gasturbine und fluggasturbine Active EP4166754B1 (de)

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EP4166754A1 EP4166754A1 (de) 2023-04-19
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EP (1) EP4166754B1 (de)
DE (1) DE102021126427A1 (de)

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