NO783500L - Sammenkoblingsinnretning for gassturbinmotor-rotorskiver - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår generelt gassturbiners kompressorer, og spesielt innretninger for sammenkobling av rotorskiver for slike kompressorer.

Ved typiske gassturbin-installasjoner er turbinen plasert mellom en kompressor og en dreven belastning, og turbinen tilveiebringer rotasjonskraft til disse to innretninger direkte via sammenkoblede aksler. Noen ganger vil det imidler-

tid bli nødvendig å modifisere dette arrangement og plasere kompressoren mellom turbinen og belastningen, og dreiemomentet til belastningen må overføres via kompressorens rotorskiver.

Når en kompressor benyttes på en slik måte, blir vanlige innretninger for sammenklemning av skivene, slik som friksjons-klemming ved bolter som går gjennom aksialt innrettede hull i rotoren, utilstrekkelige til å forhindre bevegelse av skivene i forhold til hverandre. Det har vært tidligere kjent å benytte riflet sammenkobling av alle rotorskivene for å

forhindre slik innbyrdes bevegelse, men de riflede skiver er kostbare og klaring mellom sammengripende kiletenner skaffer baner for luftlekkasje fra høytrykksenden av kompressoren til lavtrykksenden. Det er et formål med den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringer effektive innretninger for sammenkobling av slike rotorskiver for overføring av dreiemoment uten de høye omkostninger og luftlekkasje som foreligger ved tidligere kjente innretninger for sammenkobling av rillede skiver.

Ved oppfinnelsen benyttes

økningen i rotorskive-diameteren fra innløpsenden av kompres-

soren ettersom avstanden fra denneøker.Ut over en viss avstand fra innløpet vil skivediametrene normalt bli store nok til å

oppta nok klembolter og skaffe tilstrekkelig skiveflate-areal

til å utvikle den nødvendige friksjon for å vedlikeholde skivenes innstilling under høy dreiemomentbelastning. Disse store skiver er klemt sammen ved et antall bolter som går gjennom aksialt innrettede hull i skivene. De mindre skiver som er plasert ved innløpsenden omfatter hver et ringformet arrangement av aksialtrettede koblingsdeler for inngrep med de tilstøtende skivers koblingsdeler. Disse skiver er altså klemt sammen ved hjelp av et antall bolter som rager gjennom aksialt innrettede hull i skivene. Luftlekkasje gjennom gap mellom sammengripende koblingsdeler blir forhindret ved innsetning av tetningsringer i fluktende ringformede spor utformet i tilstøtende arrangementer av koblingsdeler.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli forklart nærmere under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et vertikal-snitt av den øvre halvdel av en gassturbin-kompressor under anvendelse av oppfinnelsen, fig. 2, 3 og 4 viser frontriss av enkelte rotorskiver som danner en del av kompressoren på fig. 1, fig. 5 er et forstørret tverrsnitt som viser innretninger for å forhindre luftlekkasje mellom rotorskiver som er sammenkoblet i henhold til ,.oppfinnelsen, og fig. 6 viser et snitt etter linjen 6 - 6 på fig. 5.

Som vist på fig. 1 omfatter kompressoren en rotor som består av ét antall skiver 1 - 18, som hver har en ringformet rekke av radialtrettede blad 20 som strekker seg utad fra dens periferi. Rotoren er montert i et hus 22 for rotasjon om en akse 24. Til huset er festet et. antall ringformede rekker av radialtrettede statorblad 26 som strekker seg innad mellom rekkene av rotorskiveblad. En passasje for luft som er komprimert av bladene er dannet mellom rotoren og huset, og forløper- fra et inntak 28 til et uttak 30. Komprimert luft som forlater uttaket forsyner et brennkammer (ikke vist) som i sin tur leder varme gasser gjennom en gassturbin som produserer et dreiemoment for å drive belastningen. Turbinen er koblet til aksel 32 ved luftuttaksenden av kompressoren og driver rotoren og også belastningen, som f.eks. en generator koblet til aksel 34 ved luftinntaksenden av kompressoren.

Som hittil beskrevet er kompressorkonstruksjonen konvensjonell. For å muliggjøre bruk av kompressor-rotoren for levering av et dreiemoment til en belastning, er imidlertid rotorskivene for en kompressor konstruert i henhold til oppfinnelsen koblet på en spesiell måte for å forhindre bevegelse av skivene i forhold til hverandre. Slik bevegelse ville kunne forårsake ubalanse av rotoren og resultere i skade på kompres-.soren. Den foreliggende oppfinnelse benytter seg av kompressorens iboende dimensjonskarakteristikk for å oppnå effektiv sammenkobling av rotorskivene uten omkostningene ved å benytte positive koblingsdeler, som f.eks. kiletenner, på alle rotorskiver.

Kobling av belastningen til inntaksenden av kompressoren gjør en effektiv kobling av rotorskiver spesielt vanskelig, da rotordiameteren har sin minste dimensjon ved denne ende. Den lille diameter begrenser antallet og størrelsen av bolter som kan føres gjennom rotoren for å klemme skivene sammen. Den begrenser også friksjonskontakten mellom skivene på inntaksenden ved å minimalisere kontaktflaten for nabo-skiver. Problemet med å oppnå effektiv sammenkobling blir ytter-ligere komplisert når en belastning, som f.eks. en elektrisk kraftgenerator/ er koblet til kompressoren, da rotoren må være istand til å absorbere momentane overbelastninger av høy størrelsesorden under linjefeil, som f.eks. kort-slutninger eller under linjeomkoblingsoperasjoner.

For å løse dette problem er sidene av en første gruppe av rotorskiver anbragt ved inntaksenden av kompressoren (skive 1-8) utstyrt med positive koblingsdeler. I en ut-førelse av oppfinnelsen, som best vist på fig. 2, har hver av disse skiver et ringformet arrangement av aksialtrettede kiletenner 36 som strekker seg fra i det minste én av disse sider for inngrep med det ringformede arrangement av kiletenner som rager ut fra en side av en tilgrensende skive-Skivene 2-7 har arrangementer av kiletenner på begge sider

mens skivene 1 og 8 bare krever kiletannarrangementer på én

side. Den motsatte side av skiven 1 er utformet mot akselen 34 og den motsatte side av skiven 8 omfatter en jevn flate for kontakt med en tilsvarende flate av den tilgrensende skive 9

som er beskrevet nedenfor. Hver av skivene i den første gruppe

omfatter også et ringformet arrangement av boltehull 38 som er plasert for aksial innretting med boltehullene i de andre skiver i gruppen. Et antall bolter 40 (se fig. 1) rager gjennom de aksialt innrettede hull i den første gruppe av skiver, holder skivene sammenpresset og holder kiletennene på tilgrensende skiver i inngrep.

Sidene i en annen gruppe av rotorskiver plasert ved uttaksenden av kompressoren (skive 9-18) omfatter jevne overflater 42 (se fig. 3) som skaffer friksjonskontakt ved kraftpåvirkning vinkelrett på overflatene. Skivene 9-17 har en jevn overflate på begge sider, mens skiven 18 har den jevne overflate bare på én side med den motsatte side utformet for å passe til akselen 32. Hver av skivene i den annen gruppe omfatter også et ringformet arrangement av boltehull 44 plasert for aksial innretting med boltenhullene i de andre skiver i den annen gruppe. Et antall bolter 46 (se fig. 1) rager gjennom de aksialt innrettede hull i den annen gruppe av skiver og holder skivene sammentrykket og tilveiebringer den nødvendige vinkel-rettede kraft til å etablere friksjonskontakt mellom motstående jevne overflater 42 av tilgrensende skiver.

Boltene 46 rager også gjennom hullene i skiven 8

som er utstyrt med to konsentriske hullarrangementer som vist på fig. 4. Det indre hullarrangement 38 er innrettet med hullene i den første gruppe av skiver og det ytre hullarrangement 44 er innrettet med hullene i den annen gruppe av skiver. Da boltene 46 som holder den annen gruppe av skiver sammenpresset også

rager gjennom skiven 8 av den første gruppe, vil disse bolter tjene til å presse de to grupper av skiver sammen for å danne rotoren.

Det skal bemerkes at skivene 9 - 18 er koblet effektivt sammen uten omkostningene vad å utstyre sidene med kiletenner eller andre positive koblingsdeler. Dette oppnås ved å benytte seg av en økning av diameteren i den del av rotoren som er dannet av- den annen gruppe av skiver for å forenkle utviklingen, av høyt lufttrykk nær uttaksenden av kompressoren. Effekten av denne økning i diameteren på muligheten til å skaffe friksjons kontakt mellom rotorskivene viser seg når en mindre skive i den første gruppe, som vist på fig. 2, sammenlignes med en større skive i den annen gruppe, som vist på fig. 3. Økningen i diameter tillater bruk av en større kontaktflate, som det tydelig fremgår ved sammenligning av arealet av den jevne overflate 42 med arealet som opptas av kiletannarrangementet 36.

Som man kan se ved å sammenligne størrelse og antall av bolte-. hull 44 i den større skive med boltehullene 38 i den mindre skive, er det mulig å benytte en større boltesirkel og dermed et større antall av større spennbolter. Denneøkning av kontaktflate og størrelse og antall av spennbolter tillater utvikling av tilstrekkelig friksjon mellom skivene i den annen gruppe til å forhindre relativ bevegelse mellom dem.

På fig. 1 kan det ses at tykkelsen av rotorskivene er forminsket hvor dette er mulig for å holde rotorvekten innen akseptable grenser og for å optimalisere den dynamiske rotor-karakteristikk. Områder med maksimal skivetykkelse opptrer ved det ringformede kiletannarrangement 3 6 på skivene i den første gruppe og ved den jevne kontaktoverflate 4 2 på skivene i den annen gruppe, og skivene har kontakt med hverandre bare på disse områder. På grunn av tegningens målestokk synes skivene å ha kontakt med hverandre ved aksialt utragende ringformede lepper 48 utformet på periferien av hver skive, mens det i virkeligheten må bibeholdes et lite gap mellom leppene på tilgrensende skiver for å hindre at tilgrensende lepper kommer i kontakt med hverandre ved termisk ekspansjon. Slik kontakt kunne forårsake skjev innstilling av skivene dersom ekspansjonen rundt leppene ikke er ensartet, da tilgrensende leppeområder som oppnår den største ekspansjon ville søke å presse disse områder av tilgrensende skiver lengre fra hverandre enn områder som får mindre ekspansjon. Gapene mellom leppene er holdt minst mulig for å oppvise bildet av en kontinuerlig ytre rotoroverflate for den luft som strømmer gjennom kompressoren og for å forhindre turbulens når luften passerer over gapene, men allikevel tillater de luft å lekke fra passasjen for luft som er komprimert av rotoren og statorbladene inn i hulrom 50 dannet mellom skivenes ytter-partier 52 (vist på fig. 2, 3 og 4) av tilgrensende skiver. I den del av rotoren som er dannet av den annen gruppe av skiver er videre luftlekkasje blokkert ved de tilstøtende jevne overflater 42. I den del av rotoren som er dannet av den første gruppe av skiver fortsetter imidlertid luftlekkasje gjennom gapene som er dannet mellom sammengripende kiletenner 36, spesielt hvor kile-tennenes spisser ikke oppnår nær kontakt med de tilpassede overflater i kiler mellom kiletenner på en tilgrensende skive. Et hulrom 54 som omgir aksen 24 står i forbindelse med kiletennene og vil tillate luft fra områder med høyere trykk i luftpassasjen omkring de tannkoblede skiver å lekke gjennom de ovennevnte gap og inn i området med lavere trykk i luftpassasjen nær inntaket,

dersom det ikke er tilveiebragt innretninger for avtetning av gapene. Dersom en sådan luftlekkasje blir stor, vil kompressoren bli utsatt for en betydelig effektivitetsreduksjon.

I den foretrukne utførelse av oppfinnelsen er tetningsinnretninger, generelt betegnet med 56 på fig. 1, inn-korporert i rotoren for å blokkere luftlekkasje gjennom sammengripende kiletenner. Tetningsinnretningene omfatter et ring-

formet spor 58 utformet i hvert av de ringformde kiletann-arrangementer, som best vist på fig. 2. Sporene i tilstøtende skiver er innrettet som vist i det forstørrede snitt på fig. 5, og en ringformet tetningsring 60 er innsatt i de innrettede spor i tilstøtende skiver. Sporene er utformet i skivene til en dybde som er større enn kilene mellom kiletennene for å sikre effektiv tetning. Dette er best vist på fig. 6, som viser et riss av den ytre overflate av sammengripende kiletenner 36 på tilstøtende skiver med tetningsringen 60 anordnet under denne overflate og holdt mellom skivene.

Av den foregående beskrivelse vil det ses at en kompressor-rotor med skiver sammenkoblet i henhold til opp-

finnelsen har mulighet til å overføre dreiemoment til en be-

lastning og vil motstå momentane overbelastninger med høy styrke. Denne egenskap er oppnådd uten å trekke inn omkostningene ved

å tilveiebringe positive koblingsdeler på alle rotorskivene ved å benytte seg av kompressorens iboende dimensjonskarakteristikk

og å benytte positive koblingsdeler for sammenkobling bare av de

rotorskiver som har diametre som er for små til å oppnå effektiv friksjonspressing. De resterende skiver, med større diametre, større kontaktoverflate og med muligheten til å

oppta et øket antall av større spennbolter enn skivene med mindre diameter, er koblet ved friksjonspressing. Det er også vist spesielle tetningsinnretninger for å hindre luftlekkasje mellom sammengripende koblingsdeler.

Selv om en spesifikk utførelse av en rotor med skiver koblet i henhold til oppfinnelsen er beskrevet, er koblingsinnretningen ifølge oppfinnelsen ikke begrenset til den form som er beskrevet ved denne utførelse. Snarere kan koblingsinnretningen benytte positive koblingsdeler som er forskjellige fra de her beskrevne kiletenner og kan modifiseres på andre måter som er åpenbare for fagfolk.

Claims (3)

1. Innretning for sammenkobling av aksialt innrettede rotorskiver for en gassturbins kompressor, karakterisert ved en første gruppe av skiver, plasert ved kompressorens inntaksende, hvor hver skive har et ringformet arrangement av aksialtrettede koblingsdeler som rager ut fra minst én side for inngrep med det ringformede'arrangement av koblingsdeler på en tilstøtende skive i gruppen, og hvor hver skive videre har i det minste ett ringformet arrangement av boltehull med hullene lokalisert for aksial overensstemmelse med boltehull i en tilstøtende skive, en annen gruppe, omfattende de resterende skiver, hvor hver skive i den annen gruppe har sider med jevne overflater for å lette friksjonskontakten med tilstøtende skivers motsvarende sider og videre omfatter et ringformet arrangement av boltehull med hullene lokalisert for aksial overensstemmelse med boltehull i en til-støtende skive, et første antall bolter,hvor hver bolt rager gjennom aksialt innrettede hull i skivene i den første gruppe for å klemme skivene mot hverandre, og et annet antall bolter, hvor hver bolt rager gjennom aksialt innrettede hull i skivene i den annen gruppe for å klemme skivene mot hverandre, og gjennom et aksialt innrettet hull i én av skivene i den første gruppe for å klemme de to grupper av skiver sammen.

2. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at de aksialtrettede koblingsdeler er kiletenner.

3. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter tetningsinnretninger for å hindre luftlekkasje mellom de sammengripende koblingsdeler, hvor tetningsinnretningene omfatter et ringformet spor utformet i hvert..av de ringformede arrangementer av koblingsdeler, hvor hvert av de nevnte spor er innrettet med det spor som er utformet i arrangementet av koblingsdeler på en tilstøtende skive, og at en ringformet tetningsring er innsatt i de innrettede spor i de tilstøtende skivers sammengripende koblingsdeler..