DE19615549A1

DE19615549A1 - Vorrichtung zum thermischen Schutz eines Rotors eines Hochdruckverdichters

Info

Publication number: DE19615549A1
Application number: DE19615549A
Authority: DE
Inventors: Voikmar J Galke; Pierre Meylan; Uy-Liem Dr Nguyen
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 1996-04-19
Filing date: 1996-04-19
Publication date: 1997-10-23
Anticipated expiration: 2016-04-20
Also published as: DE19615549B8; GB2312254B; US5842831A; DE19615549B4; JPH1030401A; GB9705898D0; GB2312254A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungs technik. Sie betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Schutz des Rotors eines Hochdruckverdichters, der beispielsweise in eine Gasturbinenanlage integriert ist.

Stand der Technik

Bei Gasturbinen ist es üblich, mittels Wärmestausegmenten die von den Schaufeln nicht bedeckten Flächen des Schaufelträgers und der Welle vor den heißen Brenngasen zu schützen. Die Wärmestausegmente werden dabei mit ihren Füssen in Umfangsnu ten im Rotor eingeschoben und dort befestigt.

Am Verdichterrotor waren bisher keine Wärmestausegmente not wendig, weil die Druckverhältnisse dort relativ moderat waren (z. B. 15 bar) und dadurch die Temperaturen im Verdichter nicht extrem hoch waren. Dadurch traten keine Festigkeitspro bleme mit dem Rotormaterial auf.

Durch die heutigen hohen wirtschaftlichen und ökologischen Anforderungen strebt man aber in modernen thermischen Turbo maschinen, beispielsweise Gasturbinen, zu immer höheren Wir kungsgraden, was unter anderem auch zu höheren Druck- und Temperaturverhältnissen im Verdichter führt. Beispielsweise werden heutzutage Drücke in Höhe von 30 bar realisiert. Diese sind ohne Gegenmaßnahmen nur mit teurem temperaturbeständi gen Material zu realisieren.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum thermi schen Schutz des Rotors einer thermischen Turbomaschine, ins besondere eines Hochdruckverdichters, zu entwickeln, die re lativ einfach und kostengünstig zu fertigen ist und mit der es möglich ist, ohne große Änderungen an den Kompressor- Laufschaufeln bei Benutzung der bekannten Befestigungstechnik (Füße) einen ausreichenden Schutz des Rotors vor zu hohen Temperaturen zu erreichen, so daß beispielsweise ferriti sches Material für die Verdichterrotorscheiben verwendet wer den kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 der Rotor zwischen zwei benachbarten Umfangsnuten für die Laufschaufeln mindestens eine weitere Umfangsnut mit mindestens einem sich über den gesamten Umfang des Rotors erstreckenden Haken auf weist und jeweils mindestens zwei plattenförmige Wärmestau segmente mit mindestens einem Fuß, der eine dem Haken des Rotors angepaßte Kontur besitzt, radial in die weitere Um fangsnut einschiebbar und arretierbar sind, wobei zwischen den Wärmestausegmenten und dem Rotor und zwischen den Lauf schaufelfüßen und dem Rotor ein Hohlraum für eine Isola tionsschicht vorgesehen ist.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß der Hochdruckverdichterrotor nicht aufwendig gekühlt werden muß und daß trotz des hohen Druckverhältnisses rela tiv billiges ferritisches Material für die Rotorscheiben be nutzt werden kann. Die Wärmestausegmente sind in den Umfangs nuten einfach zu montieren bzw. zu demontieren. Die Vorrich tung ist platzsparend und bedient sich der bekannten und er probten Befestigungstechnik mit Hilfe von Füssen. Daher kann auf teure zusätzliche Fräsoperationen verzichtet werden, denn die Umfangsnuten sind in den Rotor gedreht. Durch die Zentri fugalbeschleunigung werden die Rotor-Wärmestausegmentfüße so an die Rotorhaken gepreßt, daß die Kontaktfläche zwischen Rotor und Segment reduziert wird und zwischen beiden eine Isolationsschicht aus Luft entsteht. Gleichzeitig wird durch die anliegenden Füße an den Rotorhaken der Fluß der heißen Isolationsschicht in Strömungsrichtung verhindert.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn der Rotor zwischen zwei benachbarten Umfangsnuten für die Laufschaufeln jeweils zwei sich über den gesamten Umfang des Rotors erstreckende Haken und die Wärmestausegmente jeweils zwei an die Kontur der Ha ken angepaßte Füße aufweisen. Dadurch haben die Wärmestau segmente einen besonders guten Sitz.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn jeweils 8 bis 24, vorzugswei se 16, Wärmestausegmente in einer Umfangsnut im Rotor ange ordnet sind. Diese Zahl hat sich aus Gründen der Montage freundlichkeit als besonders günstig erwiesen.

Schließlich wird mit Vorteil jedes Wärmestausegment mittels eines Radialbefestigungsstiftes arretiert. Dies ist mit wenig Aufwand zu realisieren.

Außerdem ist es von Vorteil, wenn in Umfangsrichtung die beiden Endflächen des Wärmestausegmentes unter einem Winkel im Bereich von 30° bis einschließlich 60°, vorzugsweise 45°, abgeschrägt sind, die einander gegenüberstehenden Endflächen zweier benachbarter Wärmestausegmente parallel zueinander an geordnet sind und bei der Montage der Vorrichtung im kalten Zustand zwischen zwei benachbarten Wärmestausegmenten ein schmaler Zwischenraum vorgesehen ist. Während des Betriebes können sich dann auf Grund der Wärmedehnung die Enden der be nachbarten Wärmestausegmente übereinander schieben.

Weitere Ausgestaltungsvarianten sind in den Unteransprüchen enthalten.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Hochdruckverdichterrotors für eine Gasturbinen anlage dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt der letzten 6 Stufen des Hoch druckverdichterrotors;

Fig. 2 einen Teillängsschnitt des Rotors mit Wärmestauseg ment;

Fig. 3 einen Teilquerschnitt in der Ebene III-III gemäß Fig. 2;

Fig. 4 ein vergrößertes Detail aus Fig. 3 im Bereich des Befestigungsstiftes;

Fig. 5 ein vergrößertes Detail aus Fig. 3 im Endbereich von zwei benachbarten Wärmestausegmenten;

Fig. 6 eine andere Ausführungsvariante der Erfindung;

Fig. 7 eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise der Schaufelträger und das Verdichtergehäuse. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen be zeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spieles und der Fig. 1 bis 7 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem Teillängsschnitt die letzten 6 Stufen eines Hochdruckverdichterrotors 1, der verdichtete Luft für die Brennkammer einer Gasturbine bzw. zur Kühlung der Turbine bereitstellt. Im vorliegenden Beispiel ist der Verdichter für einen Druck von 30 bar ausgelegt, und er weist 22 Verdichter stufen auf.

Der Rotor 1 dreht sich um eine Längsachse 2. Er ist in jeder der 22 Stufen mit Laufschaufeln 3 versehen, welche mit ihren Füssen 4 in Umfangsnuten 5 des Rotors 1, welche in den Rotor 1 eingedreht wurden, eingeschöben und arretiert sind. Zwi schen zwei benachbarten Schaufelreihen des Hochdruckverdich terrotors 1 sind jeweils Wärmestausegmente 6 angeordnet, wel che in den nachfolgenden Fig. 2 bis 5 näher beschrieben werden.

Die Wärmestausegmente 6 bilden auf den Teilen der Rotorober fläche, die nicht mit den Laufschaufeln 3 bedeckt sind, einen Ring und schützen an diesen Stellen den Hochdruckverdichter rotor 1 vor zu hoher thermischer Beanspruchung der im Strö mungskanal 9 entlangströmenden Heißluft 10. Aus Montagegrün den sind jeweils mindestens zwei, vorzugsweise 8 bis 24 Wär mestausegmente 6 pro Ring, d. h. über den Umfang, angeordnet. Bei Verwendung von 16 Wärmestausegmenten ist die Montage bzw. die Demontage besonders einfach zu realisieren.

Fig. 2 zeigt in einem Teillängsschnitt einen vergrößerten Ausschnitt von Fig. 1 im Bereich des zwischen zwei Verdich terlaufschaufeln 3 angeordneten Wärmestausegmentes 6. Die Laufschaufeln 3 sind mit ihren Füssen 4 in eingedrehten Um fangsnuten 5 des Rotors 1 angeordnet. Zwischen zwei benach barten Umfangsnuten 5 für die Laufschaufeln 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel zwei weitere Umfangsnuten 7 im Rotor 1 vorgesehen, welche ebenfalls mittels Drehen erzeugt werden können. Diese werden jeweils von einem sich über den gesamten Umfang des Rotors 1 erstreckenden Rotorhaken 8 begrenzt sowie von den plattenförmigen Wärmestausegmenten 6. Die Wärmestau segmente 6 weisen an ihrer dem Strömungskanal 9 für die Heißluft 10 abgewandten unteren Seite zwei Segmentfüße 11 auf, wobei jeweils ein Fuß 11 in eine der Umfangsnuten 7 hineinragt. Die Form des Segmentfußes 11 und des Rotorhakens 8 ist so aufeinander abgestimmt, daß der Fuß 11 des Wärme stausegmentes 6 beim radialen Einschieben in die Umfangsnut 7 mit dem Rotorhaken 8 etwa eine Kontaktfläche bildet. Die Wär mestausegmente 6 des Verdichters werden also wie die Verdich terlaufschaufeln 3 radial eingesetzt und arretiert.

Bei Rotation des Verdichters um die Achse 2, also während des Betriebs, werden durch die Zentrifugalbeschleunigung a_z die Füße 11 der Rotor-Wärmestausegmente 6 so an die eingedrehten Rotorhaken 8 gepreßt, daß die Kontaktfläche zwischen dem Rotor 1 und dem Wärmestausegment 6 reduziert wird und dadurch der Hohlraum 13 zwischen den Wärmestausegmenten 6 und dem Ro tor 1 vergrößert wird, welcher gemeinsam mit dem zwischen den Laufschaufelfüßen 4 und dem Rotor 1 vorhandenen Hohlraum für eine Isolationsschicht vorgesehen ist. In dieser Isolati onsschicht ist die Geschwindigkeit der Verdichterluft 10 stark reduziert, da durch die anliegenden Segmentfüße 11 an den Rotorhaken 8 der Fluß der heißen Isolationsschicht in Strömungsrichtung verhindert wird.

Auf Grund der vorhandenen Isolationsschicht und der durch die Sekundäroberfläche vergrößerten Kühlfläche wird der Rotor 1 vor zu hohen Temperaturen geschützt. Er muß nicht auf auf wendige Art und Weise gekühlt werden. Das sehr hohe Druckver hältnis kann ohne weiteres gewährleistet werden. Außerdem können relativ billige Materialien, beispielsweise ferriti scher Stahl, eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Vor richtung dient als Rotorhitzeschutzschild und ist relativ einfach und kostengünstig zu fertigen. Sie ist raumsparend und einfach zu de- bzw. montieren. Außerdem wird auf bekann te und bewährte Befestigungstechniken (Füße) zurückgegrif fen.

Fig. 3 zeigt einen Teilquerschnitt des Rotors 1 gegen die Strömungsrichtung gemäß Fig. 2 in der Ebene III-III, während in den Fig. 4 und 5 vergrößerte Details von Fig. 3 im Be reich des Radial-Befestigungsstiftes 12 (Fig. 4) und im Be reich der Enden zweier benachbarter Wärmestausegmente 6 (Fig. 5) dargestellt sind.

In Fig. 3 sind drei Wärmestausegmente 6 im Schnitt gegen die Strömungsrichtung angedeutet, von denen nur das mittlere vollständig abgebildet ist. Man erkennt deutlich die "Ver zahnung" der Segmentfüße 11 mit dem Rotorhaken 8. In der Mitte des Wärmestausegmentes 6 ist der Radial-Befestigungs stift 12 angeordnet. Er dient der Arretierung des Wärmestau segmentes 6. Dies ist besonders deutlich in der vergrößerten Detaildarstellung gemäß Fig. 4 zu erkennen.

In Fig. 5 ist der Bereich der Enden von zwei benachbarten Wärmestausegmenten 6 detailliert dargestellt. Die Enden des Wärmestausegmentes 6 in Umfangsrichtung sind unter einem Win kel α von 45° abgeschrägt und zwar so, daß sich für jedes Wärmestausegment 6 zwei parallele Endflächen 15 ergeben, an dererseits auch diese Endflächen 15 parallel zu den Endflä chen 15 des benachbarten Wärmestausegmentes 6 ausgebildet sind. Um zu verhindern, daß die Heißluft 10 zu einfach un ter die Wärmestausegmente 6 gelangen kann, müssen die Endflä chen 15 der Wärmestausegmente 6 im Vergleich zur Strömungs richtung der Luft 10 und der Drehrichtung ω des Läufers so abgeschrägt sein, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, d. h. der Zwischenraum 14 zwischen den benachbarten Wärmestausegmenten 6 muß entgegen der Strömungsrichtung der Luft orientiert sein.

Bei der Montage der Wärmestausegmente 6 ist erfindungsgemäß im kalten Zustand zwischen den Endflächen 15 zweier benach barter Wärmestausegmente 6 ein Zwischenraum 14 vorgesehen ist. Das hat den Vorteil, das sich die Endflächen 15 der Wär mestausegmente während des Betriebes infolge der Wärmeausdeh nung problemlos übereinander schieben können.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das eben be schriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann beispiels weise der Winkel α in folgendem Bereich liegen: 30°α60°.

In Fig. 6 und in Fig. 7 sind weitere Ausführungsvarianten der Erfindung dargestellt. Fig. 6 und Fig. 7 zeigen jeweils drei benachbarte Wärmestausegmente 6 einer Umfangsreihe, wobei mit A und B jeweils geometrisch unterschiedlich ausgebildete Wär mestausegmente 6 einer Reihe bezeichnet sind.

In Fig. 6 sind die Enden der Wärmestausegmente im Gegensatz zu der Ausführungsvariante nach Fig. 5 nicht abgeschrägt. Die Endflächen 15 benachbarter Wärmestausegmente A, B sind aber ebenfalls parallel zueinander ausgebildet. Die Wärmestauseg mente A und B sind jeweils abwechselnd über den Umfang des Rotors 1 angeordnet. Ein Versatz 16 dient zur Erleichterung der Montage.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsvariante, bei ebenfalls geome trisch unterschiedlich ausgebildete Wärmestausegmente A und B abwechselnd über den Umfang des Rotors 1 angeordnet sind. Da bei sind die Endflächen 15 nur teilweise abgeschrägt. Im Be reich der Segmentfüße 11 sind sie analog zu Fig. 6 nicht ab geschrägt.

Bezugszeichenliste

1 Rotor
2 Längsachse
3 Laufschaufel
4 Laufschaufelfuß
5 Umfangsnut für die Laufschaufelfüße
6 Wärmestausegment
7 weitere Umfangsnut im Rotor
8 Rotorhaken
9 Strömungskanal
10 Heißluft
11 Segmentfuß
12 Radial-Befestigungsstift
13 Hohlraum für Isolationsschicht
14 Zwischenraum zwischen benachbarten Wärmestausegmenten
15 Endfläche eines Wärmestausegmentes in Umfangsrichtung
16 Versatz
α Abschrägungswinkel
a_z Zentrifugalbeschleunigung
ω Drehrichtung des Läufers
A, B unterschiedlich ausgebildete Wärmestausegmente einer Reihe

Claims

1. Vorrichtung zum thermischen Schutz eines mit Laufschau feln (3) bestückten Rotors (1) eines Hochdruckverdich ters, wobei die Füße (4) der Laufschaufeln (3) in von einander axial beabstandeten Umfangsnuten (5) eingesetzt und arretiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ro tor (1) zwischen zwei benachbarten Umfangsnuten (5) für die Laufschaufeln (3) mindestens eine weitere Umfangsnut (7) mit einem sich über den gesamten Umfang des Rotors (1) erstreckenden Haken (8) aufweist und jeweils minde stens zwei plattenförmige Wärmestausegmente (6) mit min destens einem Fuß (11), der eine dem Haken (8) des Ro tors (1) angepaßte Kontur besitzt, radial in die weite re Umfangsnut (7) einschiebbar und arretierbar sind, wo bei zwischen den Wärmestausegmenten (6) und dem Rotor (1) und zwischen den Laufschaufelfüßen (4) und dem Ro tor (1) ein Hohlraum (13) für eine Isolationsschicht vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) zwischen zwei benachbarten Umfangsnu ten (5) für die Laufschaufeln (3) jeweils zwei sich über den gesamten Umfang des Rotors (1) erstreckende Haken (8) und die Wärmestausegmente jeweils zwei an die Kontur der Haken (8) angepaßte Füße (11) aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß jeweils 8 bis 24, vorzugsweise 16, Wärmestau segmente (6) über den Umfang angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wärmestausegment (11) mittels eines Radialbefestigungsstiftes (12) arretierbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Umfangsrichtung die beiden End flächen (15) des Wärmestausegmentes (6) unter einem Win kel (α) im Bereich von 30°α60°, wobei der Winkel (α) vorzugsweise 45 beträgt, abgeschrägt sind und die ein ander gegenüberstehenden Endflächen (15) zweier benach barter Wärmestausegmente (6) parallel zueinander ange ordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Umfangsrichtung die beiden End flächen (15) des Wärmestausegmentes (6) nur teilweise unter unter einem Winkel (α) im Bereich von 30°α60°, wobei der Winkel (α) vorzugsweise 45° beträgt, abge schrägt sind und die einander gegenüberstehenden Endflä chen (15) zweier benachbarter Wärmestausegmente (6) par allel zueinander angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Montage der Vorrichtung im kalten Zustand zwischen den einander gegenüberstehenden Endflächen (15) zweier benachbarter Wärmestausegmenten (6) ein Zwischenraum (14) vorgesehen ist.