WO2012031931A1

WO2012031931A1 - Rotor für eine dampfturbine mit einem entlastungsbereich

Info

Publication number: WO2012031931A1
Application number: PCT/EP2011/064824
Authority: WO
Inventors: Thomas Hofbauer
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2012-03-15
Also published as: EP2614220A1; CN103097665A; EP2428642A1; EP2614220B1; CN103097665B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (5) für eine Strömungsmaschine mit einem Entlastungsbereich, wobei der Entlastungsbereich durch mehrere in Umfangsrichtung (16) angeordnete Ausnehmungen (15) gekennzeichnet ist, wobei die Ausnehmungen (15) in etwa schraubenförmig verlaufen.

Description

ROTOR FÜR EINE DAMPFTURBINE MIT EINEM ENTLASTUNGSBEREICH

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Strömungsmaschine mit einem Entlastungsbereich.

Rotoren, die für Strömungsmaschinen, insbesondere Dampfturbinen, eingesetzt werden, müssen erhöhten Anforderungen gerecht werden. Derzeit müssen solche Rotoren hohen Dampftemperaturen standhalten, was zu einem Bedarf an guten Werkstoffen mit einer guten Werkstofffestigkeit führt. Darüber hinaus werden Dampfturbinen mit immer höheren Turbinenleistungen gefordert, was dazu führt, dass die Widerstandsmomente am Rotor erhöht werden. Des Weiteren wird an die Rotoren für die Dampfturbinen eine schlanke Aus führungs form gefordert, was wiederum zu einem erhöhten polaren Widerstandsmoment führt. Darüber hinaus ist eine flexiblere Fahrweise oftmals kundenseitig ge^¬ wünscht. Solch eine flexible Fahrweise führt zu erhöhten thermischen Spannungen bei einem schnellen Anfahren, was zu einer erhöhten Belastung der Rotoren führt.

Ein Rotor für eine Dampfturbine ist im Wesentlichen entlang einer Rotationsachse zylindrisch ausgeführt und erfährt ent^¬ lang der Rotationsachse unterschiedliche thermische und mechanische Belastungen. So ist beispielsweise im Einströmbe^¬ reich der Rotor hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Grundsätzlich muss ein Rotor den nachfolgend genannten Anforderungen gerecht werden, die allerdings widersprüchliche Zielsetzungen aufweisen. So ist zum einen seitens der Rotordynamik ein Rotor mit möglichst konstantem Querschnitt bzw. konstantem Widerstandsmomentverlauf entlang der Turbinenachse bzw. Rotationsachse gewünscht. Dies bedeutet, dass unter Be^¬ rücksichtigung von Kerbfaktoren der Rotor aus der zu übertragenden Leistung und dem daraus entstehenden Torsionsmoment an jeder axialen Position entlang der Rotationsachse standhält. Auf der anderen Seite sind Entlastungsnuten für den Abbau thermisch induzierter Spannungen im Rotor zu berücksichtigen. Solche Entlastungsnuten liegen im Wesentlichen im Einströmbereich der Dampfturbine und reduzieren den Querschnitt sowie das polare Widerstandsmoment lokal.

Um dennoch den gewünschten Anforderungen an die Dampfturbine gerecht zu werden, was die Dampftemperatur, Turbinenleistung, Rotor und die flexible Fahrweise angeht, muss der Rotor wei^¬ ter optimiert werden.

Bekannte Rotoren für Dampfturbinen werden mit Entlastungsnuten gefertigt, die einen rotationssymmetrischen und kreisförmigen Querschnitt im Einströmbereich aufweisen. Für diese Gestaltung der Entlastungsnut im Allgemeinen und die Wahl des minimalen Rotor-Durchmessers im Speziellen wird ein Kompro- miss eingegangen, der den weiter oben aufgeführten widersprüchlichen Anforderungen gerecht wird.

Wünschenswert wäre es einen Rotor zu haben, der den vorge^¬ nannten Entwicklungstendenzen gerecht wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Rotor anzugeben, der den vorgenannten Entwicklungstendenzen gerecht wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Rotor für eine Strömungs^¬ maschine mit einem Entlastungsbereich, wobei mehrere in Um- fangsrichtung angeordnete Ausnehmungen angeordnet sind.

Die Erfindung geht weg von der bisherigen Gestaltung, bei der eine Entlastungsnut mit rotationssymmetrischen und kreisförmigen Querschnitten im Einströmbereich vorgesehen ist. Vielmehr wird der Rotor erfindungsgemäß im Entlastungsbereich mit Ausnehmungen versehen, die in Umfangsrichtung angeordnet sind. Diese Ausnehmungen sind in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse angeordnet und weisen ein nicht-achsensymmet^¬ risches Querschnittsprofil auf. Das Querschnittsprofil weist unter anderem Kerben und Flanken auf, die ähnlich einem Gewinde wendelartig in einer Schraubenlinie verlaufen.

Durch diese Ausgestaltung des Entlastungsbereichs des Rotors ist zunächst gewährleistet, dass Torsionsmomente geeignet übertragen werden, da der Durchmesser des Rotors im Wesentlichen unverändert ist. Des Weiteren können dennoch thermisch induzierte Spannungen im Entlastungsbereich abgebaut werden, da die Ausnehmungen die thermisch induzierten Spannungen ableiten .

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen angegeben .

So ist es vorteilhaft, dass die Ausnehmungen in äquidistanten Abständen zueinander angeordnet sind. Durch eine äquidistante Verteilung der Ausnehmungen in Umfangsrichtung können Unwuch- ten und unerwünschte störende Rotordynamiken verhindert wer^¬ den .

Durch eine vorteilhafte Weiterbildung, bei der die Ausnehmungen identisch zueinander ausgeführt sind, kann weiterhin die Rotordynamik positiv beeinflusst werden. Unwuchten können dadurch wirksam vermieden werden.

Die Ausnehmungen sind im Wesentlichen länglich ausgebildet. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Ausnehmungen unter einem Winkel , der zwischen 10° und 80°, vorzugsweise bei 45° liegt, zur Rotationsachse geneigt. Durch diese Neigung wird eine gewinde-wendelartige Gestaltung mög^¬ lich, die ähnlich wie eine Schraubenlinie verläuft.

In einer vorteilhaften Weiterbildung weisen die Ausnehmungen eine Tiefe auf, wobei diese Tiefe in axialer Richtung zu^¬ nächst zunimmt und anschließend abnimmt. Durch diese Maßnahme ist eine in Umfangsrichtung homogene Entlastungswirkung trotz der nicht-achsensymmetrischen Querschnittsfläche erzielbar. Idealerweise wird in einer vorteilhaften Weiterbildung die Ausnehmung einen Anfang- und einen Endbereich aufweisen, wobei die Ausnehmung im Anfangs- und Endbereich bündig mit der Rotoroberfläche abschließt. Durch solch eine Ausgestaltung sind Kerbeinflüsse nahezu minimiert, was sich positiv auf die Rotordynamik und auf die mechanischen Eigenschaften des

Rotors auswirkt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf be^¬ schränkt zu sein, anhand der Figuren 1 bis 5 näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 eine Querschnittsansicht einer Dampfturbine,

Figur 2 eine Querschnittsansicht eines Teils eines Rotors gemäß dem Stand der Technik,

Figur 3 eine Draufsicht auf einen Teil eines erfindungsge^¬ mäßen Rotors,

Figur 4 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen

Rotors ,

Figur 5 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen

Rotors .

Komponenten mit denselben Bezugszeichen haben im Wesentlichen die gleiche Funktionsweise.

Die Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil einer Dampfturbine 1. Die Dampfturbine 1 weist im Wesentlichen ein Außengehäuse 2 und ein innerhalb des Außengehäuses 2 angeord^¬ netes Innengehäuse 3 auf. Innerhalb des Innengehäuses 3 ist ein um eine Rotationsachse 4 angeordneter Rotor 5 drehbar gelagert. Der Rotor 5 weist in Richtung der Rotationsachse nacheinander angeordnete Laufschaufelreihen 6 auf, wobei lediglich die ersten beiden Reihen mit dem Bezugszeichen 6 versehen sind.

Zwischen den Laufschaufelreihen 6 sind im Innengehäuse 3 an- geordnete Leitschaufeln 7 angeordnet, wobei in der Figur 1 lediglich zwei Leitschaufelreihen 7 mit dem Bezugszeichen 7 gekennzeichnet sind.

Im Betrieb strömt ein Dampf mit hohen Temperaturen und hohen Drücken in der Regel in einen Einströmbereich 8 in die Dampfturbine und entspannt sich im Strömungskanal 9 in Richtung der Rotationsachse 4 und durchströmt dabei abwechselnd die Laufschaufelreihen 6 und die Leitschaufelreihen 7. Die Temperatur des Dampfes sinkt, wobei sich der Druck verringert. Der Rotor wird hierbei in Drehung versetzt und rotiert im Betrieb in der Regel konstant mit 3000 U/min bzw. 3600 U/min. Die hohen Dampftemperaturen und -Drücke sowie die vergleichsweise hohe Rotationsfrequenz führen zu hohen thermischen und mechanischen Belastungen. Besonders im Einströmbereich 8 sind die Anforderungen an den Rotor 5 besonders hoch.

In der Figur 2 ist eine Darstellung eines Rotors gemäß dem Stand der Technik zu sehen. Im Wesentlichen ist der Einströmbereich 8 mit einer Entlastungsnut 10 versehen. Diese Ent- lastungsnut 10 ist gemäß dem Stand der Technik im Wesentli^¬ chen rotationssymmetrisch bzw. kreisförmig ausgebildet. Das bedeutet, dass im Querschnitt gesehen die Entlastungsnutlinie 11 einen Kreisausschnitt darstellt. Allerdings ist eine kreisförmige Entlastungsnut 10 aus Festigkeitsgründen nicht ideal, da der Innendurchmesser 12 verringert wird, was zu un^¬ erwünschten Festigkeitsnachteilen führen könnte. Des Weiteren ist in Rotationsachsenrichtung eine Fußnut 13 angeordnet. In diese Fußnut 13, die in der Figur 2 als Hammerkopf-Fußnut ausgebildet ist, wird eine nicht näher dargestellte Lauf- schaufei angeordnet.

In der Figur 3 ist eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Entlastungsnut 10 dargestellt. Anstatt die Entlastungsnut 10 wie in Figur 2 dargestellt, mit einer rotationssymmetrischen bzw. kreisförmigen Oberfläche auszubilden, wird die Entlastungsnutoberfläche 14 im Wesentlichen parallel zur Rotations^¬ achse 4 ausgebildet. Erfindungsgemäß werden im Entlastungsbe- reich 10 Ausnehmungen 15 angeordnet, die in Umfangsrichtung 16 angeordnet sind. Diese Ausnehmungen 15 können in die Ent^¬ lastungsnutoberfläche 14 eingefräst oder durch andere Bear^¬ beitungsmethoden eingearbeitet werden. Die Ausnehmungen 15 weisen einen Abstand 17 zueinander hin, wobei dieser Abstand 17 von Ausnehmung 15 zu Ausnehmung 15 gleichbleibend ist. Daher sind die Ausnehmungen 15 in äquidistanten Abständen zueinander angeordnet.

Die Ausnehmungen 15 weisen eine Breite und eine Länge auf, wobei die Länge größer ist als die Breite.

Die Ausnehmungen 15 sind hierbei in Umfangsrichtung 16 im Wesentlichen identisch zueinander ausgebildet, um unerwünschte Rotordynamiken zu vermeiden. Die Ausnehmungen 15 sind unter einem Winkel , der zwischen 10° und 80°, vorzugsweise bei 45° liegt, zur Rotationsachse 4 geneigt. Weitere vorteilhafte Winkelbereiche sind 10° bis 70°, 20° bis 60°, 30° bis 50° sowie 10° bis 70°, 10° bis 60°, 10° bis 50° sowie 20° bis 80°, 30° bis 80°, 40° bis 80°, 50° bis 80°. Durch diese Neigung der Ausnehmungen 15 ist der Verlauf der Ausnehmungen 15 ähnlich einem Gewinde, das bedeutet, dass die Aus^¬ nehmungen 15 wendelartig in einer Schraubenlinie verlaufen. Die Ausnehmungen 15 sind daher nicht-achsensymmetrisch ausgebildet. Der Winkel wird zwischen einer Parallelen zur Rota- tionsachse 4 und der länglichen Ausbildung der Ausnehmung 15 ermittelt .

Die Figur 4 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A aus der Figur 3. Diese Ansicht stellt somit einen Blick in Richtung der Rotationsachse 4 dar. Die Ausnehmungen 15 sind hierbei in äquidistanten Abständen 17 in Umfangsrichtung 16 verteilt. Die Ausnehmungen 15 weisen einen Kernradius 18 auf, der vom Boden 19 der Ausnehmung zur Rotationsachse 4 hin ermittelt wird. Des Weiteren wird die Ausnehmung 15 durch den Außenradius 20, der durch die Entlastungsnutoberfläche 14 und der Rotationsachse 4 ermittelt wird. Die Ausnehmungen 15 sind im Querschnitt gesehen rechteckig bzw. trapezförmig ausgebil- det, wobei an den Übergängen 21 aus Festigkeitsgründen keine Ecken ausgebildet sein sollten. In den Übergängen 21 ist der Boden 19 und eine Seitenwand 22 durch fließende Übergänge ge^¬ kennzeichnet. Das bedeutet, dass die Übergänge durch einen Radius, der nicht näher eingezeichnet ist, charakterisiert werden. Zumindest sollten störende Kerbwirkungen in diesem Übergang 21 vermieden werden.

Die Figur 5 zeigt eine Seitenansicht des Rotors 5. Die Aus^¬ nehmungen 15 sind hierbei in Rotationsachsenrichtung hin der- art ausgebildet, dass der Kernradius 18 in Rotationsachsen^¬ richtung hin variiert. Insbesondere ist der Kernradius 18 in einem Anfangsbereich 23 und einem Endbereich 24 bündig mit dem Außenradius 20. Das bedeutet, dass die Ausnehmung 15 im Anfangs- 23 und Endbereich 24 bündig mit der Entlastungsnut- Oberfläche 14 abschließt. Des Weiteren weist die Ausnehmung

15 einen stetigen Verlauf in ihrer Längsrichtung. Die Figur 5 zeigt einen Schnitt durch eine Entlastungsnut 15 auf. Das be^¬ deutet, dass der Schnitt gemäß Figur 5 nicht parallel zur Rotationsachse 4, sondern im Wesentlichen parallel zu einer Seitenwand 22 ausgeführt ist. Der Kernradius 18 ist derart gewählt, dass der Verlauf des Bodens 19 der Ausnehmung 15 rotationssymmetrisch oder kreisförmig ausgebildet ist.

Der Einströmbereich (8) ist zum Beströmen mit Frischdampf ausgebildet .

Claims

Patentansprüche

1. Rotor (5) für eine Strömungsmaschine (1) mit einem

Entlastungsbereich,

wobei der Rotor (5) um eine Rotationsachse (4) drehbar aus^¬ gebildet ist,

gekennzeichnet durch

mehrere, auf der Oberfläche des Rotors (5), in Umfangsrich- tung (16) im Entlastungsbereich angeordnete Ausnehmungen

(15) ,

wobei die Ausnehmungen (15) unter einem Winkel ,

der zwischen 10° und 80°,

vorzugsweise bei 45° liegt,

zur Rotationsachse (4) geneigt sind.

2. Rotor (5) nach Anspruch 1,

wobei die Ausnehmungen (15) in äquidistanten Abständen (17) zueinander angeordnet sind.

3. Rotor (5) nach Anspruch 1 oder 2,

wobei die Ausnehmungen (15) identisch zueinander ausgeführt sind.

4. Rotor (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

wobei die Ausnehmungen (15) eine Breite und eine Länge auf- weisen,

wobei die Länge größer ist als die Breite.

5. Rotor (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

wobei die Ausnehmung (15) in axialer Richtung zunächst zunimmt und anschließend abnimmt.

6. Rotor (5) nach Anspruch 5,

wobei die Ausnehmung (15) einen Anfangs- (23) und einen Endbereich (24) aufweist und die Ausnehmung (15) im Anfangs- (23) und Endbereich (24) bündig mit der Entlastungs- nutoberflache (14) abschließt.

7. Rotor (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung (15) einen stetigen Verlauf in ihrer länglichen Richtung aufweist.

8. Rotor (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung (15) im Querschnitt gesehen im Wesent- liehen rechteckig oder trapezförmig ausgebildet ist.

9. Rotor (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Entlastungsbereich im Einströmbereich (8) ange- ordnet ist und der Einströmbereich (8) zum Beströmen mit

Frischdampf ausgebildet ist.