Strömungsmaschine mit gekühlter Rotorwelle

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere einen Verdichter einer Gasturbine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

[0002] Bei Strömungsmaschinen mit hoher thermischer Belastung, insbesondere bei Verdichterstufen moderner Gasturbinen, ist die Rotorwelle als besonders gefährdetes Bauteil zu betrachten. Infolge der extremen Temperaturbelastungen sinkt die Lebensdauer herkömmlich verwendeter Materialien drastisch ab, so dass zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden müssen, um dieses Problem zu lösen.

[0003] Ein erster Lösungsansatz besteht darin, sogenannte Hitzeschilde vorzusehen, die einen direkten Kontakt des erhitzten Strömungsmediums mit der Rotorwelle verhindern und damit deren Erwärmung innerhalb der als zulässig erachteten Grenzen halten sollen. Nachteilig hierbei ist die Zunahme der Herstellungskosten und Komplexität der Strömungsmaschine durch die zusätzlichen Bauteile.

[0004] Ein weiterer Lösungsansatz besteht darin, die Rotorwelle aus einem Material mit verbessertem Hochtemperaturverhalten zu fertigen. Obwohl derartige Materialien verfügbar sind, ergeben sich im praktischen Einsatz neben erhöhten Materialkosten Probleme durch ein abweichendes Temperatur-Expansionsverhalten im Vergleich zu den Materialien benachbarter Bauteile. Insbesondere transiente Vorgänge, wie zum Beispiel das Starten der Maschine, bereiten durch die unterschiedlichen zeitabhängigen Temperatur-Expansionsverhalten enorme Schwierigkeiten.

[0005] Schließlich ist es auch bekannt, Rotorwellen aus herkömmlichen Materialien über eine zentrale Kühlmittelbohrung zu kühlen, welche die Rotorwelle durchsetzt. Eine derartige Lösung ist jedoch äußerst kostenintensiv und darüber hinaus wenig effektiv.

[0006] EP 0 790 390 offenbart eine Kühlungseinrichtung mit der die Rotorwelle höchstens indirekt und kann effektiv gekühlt werden könnte.

Darstellung der Erfindung

[0007] Die Erfindung versucht, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art anzugeben, die es gestattet, die Rotorwelle lokal mit hoher Effektivität zu kühlen, so dass die Lebensdauererwartung der Rotorwelle auch bei extrem hoher thermischer Belastung nicht nennenswert beeinträchtigt wird.

[0008] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass einzelne oder sämtliche Leitschaufeln als Kühlschaufeln ausgebildet sind, die von einer Kühlluftversorgung gespeist sind. Die Kühlschaufeln sind derart ausgebildet, dass sie in im Wesentlichen radialer Richtung von Luftführungskanälen durchsetzt sind und im Bereich der Schaufelspitzen Ausblaseöffnungen aufweisen, die auf die Rotorwelle ausgerichtet sind.

[0009] Die Vorteile der Erfindung sind vielfältiger Natur und beziehen sich sowohl auf technisch-konstruktive Vereinfachungen als auch auf aero-thermodynamische Aspekte.

[0010] Einer der Hauptvorteile der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch die direkte Beaufschlagung der Rotorwelle mit Kühlluft die erzielbare Kühlwirkung optimal gestaltet werden kann. Bereits eine vergleichsweise geringe Kühlluftmenge ist ausreichend, um die Rotorwelle lokal auf einem niedrigen Temperatumiveau zu halten. Der letztgenannte Effekt kann auf verschiedene Art und Weise genutzt werden.

[0011] Einerseits ist es möglich, herkömmliche, preisgünstige Materialien zur Herstellung der Rotorwelle zu verwenden, auch wenn ein höheres Druckverhältnis als bisher realisiert wird.

[0012] Selbst in thermisch stark belasteten Hochdruckverdichterstufen kann auf Hitzeschilde vollständig verzichtet werden, da die Rotorwelle örtlich gezielt gekühlt werden kann.

[0013] Aufgrund der hohen Kühleffektivität kann es ausreichend sein, lediglich einzelne Leitschaufeln eines Leitschaufelkranzes als Kühlschaufeln auszubilden. Im Regelfall sind jedoch sämtliche Laufschaufeln eines Schaufelkranzes gekühlt, da sich auf diese Weise eine optimal vergleichmäßigte Beaufschlagung der Rotorwelle mit Kühlluft erzielen läßt.

[0014] Andererseits erhöht sich die Lebensdauer der Beschaufelung infolge des durch die Kühlluft bewirkten niedrigeren Temperaturniveaus. Dies betrifft nicht nur die Kühlschaufeln, die von Kühlluft durchströmt werden, sondern auch die stromabgelegenen, nicht gekühlten Schaufelkränze.

[0015] Insgesamt erniedrigt sich auch die Verdichteraustrittstemperatur, so dass sich der aero-thermodynamische Wirkungsgrad des Verdichters verbessert.

[0016] Auch bewirkt die an den Schaufelspitzen austretende Kühlluft eine Verbesserung der strömungsmechanischen Eigenschaften. So wird einerseits der Grenzschicht durch den Kühlluftstrom kinetische Energie lokal zugeführt und beeinflusst diese dadurch positiv. Andererseits verhindert der austretende Kühlluftstrom bei entsprechender Gestaltung bzw. Anordnung der Ausblaseöffnungen eine Umströmung der Leitschaufeln im Spalt zwischen den Schaufelspitzen und der Rotorwelle. Leckverluste in diesem Bereich sind somit fast vollständig zu vermeiden.

[0017] Durch die Verbesserung dieser aero-thermodynamischen Verhältnisse zeigt der Verdichter auch ein verbessertes Betriebsverhalten, das sich auch in einer deutlichen Anhebung der Pumpgrenze niederschlägt.

[0018] Durch Variation von Auslegungsparametem der Luftführungskanäle, wie beispielsweise Anzahl, Dimensionierung oder Ort der Anbringung, läßt sich das Schwingungsverhalten der Schaufeln in weiten Grenzen variieren. Damit ist es möglich, die Eigenfrequenz- und Flattercharakteristik in Grenzen so abzustimmen, dass kritische Schwingungszustände nicht mehr auftreten.

[0019] Das Anbringen der Luftführungskanäle an den Leitschaufeln gestaltet sich in der Regel denkbar einfach und kostengünstig, da Kühlschaufeln speziell in den thermisch hochbelasteten hinteren Stufen von Verdichtern vorzusehen sind und diese Leitschaufeln im Regelfall nicht oder nur wenig verwunden sind. Die Luftführungskanäle können deshalb meist als einfache Bohrungen ausgeführt werden, die die jeweilige Leitschaufel radial vollständig durchsetzen bzw. als in axialer Richtung geneigt von einem zentralen Luftführungskanal abzweigen.

[0020] Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung hat darüber hinaus den Vorteil, dass sie sehr leicht und präzise angesteuert werden kann. Die Kühlluft kann hierbei unmittelbar vor- oder nachgeschalteten Verdichterstufen entnommen werden, bedarf jedoch noch einer Aufbereitung dahingehend, dass sie mit höherem Druck und niedrigerer Temperatur eingespeist wird, als dies den örtlichen Zustandsgrößen der Hauptströmung entspricht. Sofern als Kühlluft ein Kühlluftstrom aus einer höheren Verdichterstufe entnommen wird, muss dieser gekühlt werden. Wenn hingegen ein Kühlluftstrom aus einer niedrigeren Verdichterstufe entnommen wird, muss dieser zunächst extern weiter verdichtet und anschließend gekühlt werden.

[0021] Das erfindungsgemäße Kühlkonzept kann mit besonderem Vorteil auch bei Leiträdern mit einem Deckband angewendet werden. Das Deckband ermöglicht eine noch stärker vergleichmäßigte Ausbildung des Kühlfilms in Umfangsrichtung, da die austretenden Kühlluftteilströme nicht direkt von der Hauptströmung erfasst und mitgerissen werden.

[0022] Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind darauf gerichtet, die Kühlluft zugleich zur Beeinflussung der Spaltbreite zwischen den Leitschaufelspitzen und der Rotorwelle zu verwenden. Hierzu sind die Kühlschaufeln in radialer Richtung verschiebbar gelagert und werden gegen die Wirkung von Rückstellfedern aus ihrer Ausgangsposition heraus durch den Druck der Kühlluft verschoben. Damit ist es möglich, den Verdichterwirkungsgrad und insbesondere die Pumpgrenze erheblich anzuheben. Dieser Effekt ist bei modernen Hochdruckverdichterstufen deutlich ausgeprägt, da hier aus Sicherheitsgründen wegen des trägen Ansprechverhaltens große Spaltbreiten vorgesehen werden müssen, um ein Einlaufen der Schaufelspitzen in die Rotorwelle zuverlässig zu verhindern.

[0023] Die Rückstellfedern stellen eine Sicherheitsmaßnahme für den Fall dar, dass die Kühlluftversorgung unterbrochen werden sollte. Die Kühlschaufeln kehren unmittelbar in ihre Ausgangsposition zurück und vergrößern auf diese Weise den Spalt zwischen den Schaufelspitzen und dem Rotor, so dass dieser auch im Falle einer dann thermisch bedingten starken radialen Expansion nicht in Kontakt mit den Schaufelspitzen kommen kann.

[0024] Gemäß einer konstruktiv besonders einfachen Umsetzung dieses Konzeptes ist der Schaufelfuß der Kühlschaufeln mit einem kolbenförmigen Abschnitt versehen, der in einem korrespondierend gestalteten zylinderförmigen Gehäuseabschnitt unter Bildung eines Arbeitsraumes abgedichtet geführt ist. Der Arbeitsraum steht in Verbindung mit der Kühlluftversorgung, so dass bei einer Beaufschlagung mit Kühlluft nach Art eines Pneumatikzylinders die Kühlschaufeln ausgeschoben werden können.

[0025] Bevorzugt stehen die Luftführungskanäle der Kühlluftschaufeln in kommunizierender Verbindung mit dem jeweiligen Arbeitsraum, wodurch sich die Luftführung besonders einfach gestaltet. Der von der Kühlluftversorgung eingespeiste Luftstrom gelangt jeweils zunächst in den Arbeitsraum und bewirkt die Radialverschiebung der Schaufel. Aus dem Arbeitsraum tritt der Kühlluftstrom nunmehr unmittelbar in die Luftführungskanäle ein und verläßt die Schaufel im Bereich der Schaufelspitze durch die Ausblaseöffnungen. Die Abstimmung der Geometrie der luftführenden Kanalabschnitte und der Druckverhältnisse in der Druckluftversorgung ist derart, dass die aus den Ausblaseöffnungen austretenden Luftstrahlen eine hohe Geschwindigkeit besitzen und mit hoher Geschwindigkeit auf die gegenüberliegend angeordnete Rotorwelle auftreffen. Die hierdurch realisierte Prallkühlung gewährleistet einen optimalen Wärmeübergang und damit eine optimale Kühlwirkung für die Rotorwelle.

[0026] Vorteilhafterweise sind jeweils zwei benachbarte Kühlschaufeln miteinander fest verbunden und zwangsgekoppelt verschiebbar gelagert. Hierdurch vereinfacht sich weiter der konstruktive Aufbau der Lagerung, ohne die Kühlwirkung nachteilig zu beeinflussen.

[0027] Die Luftführungskanäle sind bevorzugt als Bohrungen, insbesondere als radiale Durchgangsbohrungen ausgeführt, wodurch sich der Fertigungsaufwand minimal halten läßt.

[0028] Bevorzugt weisen die Kühlschaufeln jeweils mehrere, insbesondere parallel zueinander verlaufende Luftführungskanäle auf, so dass sich bei jeder der Kühlschaufeln mehrere Teilkühlluftstrahlen ausbilden können. Dies erlaubt die Kühlung eines Axialabschnittes der Rotorwelle entsprechend der axialen Breite des jeweiligen Leitrades.

[0029] Ein ähnlicher Effekt läßt sich auch dann erzielen, wenn jeweils mehrere radialmündende Ausblaseöffnungen vorgesehen sind, die auf einen gemeinsamen Luftführungskanal zugreifen. Eine solche Lösung wird beispielsweise bei solchen Kühlschaufeln angewendet, die verschiebbar mittels eines kolbenförmigen Abschnitts am Schaufelfuß ausgestattet sind und deshalb aus Platzgründen keine Mehrfachanordnung von Durchgangsbohrungen ermöglichen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0030] In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

[0031] Es zeigen:

Fig. 1

Verdichterstufe im Teillängsschnitt;

Fig. 2

Schnitt A-A gem. Fig. 1 in vergrößerter Darstellung;

Fig. 3

erste Ausführungsvariante, Teillängsschnitt;

Fig. 4

zweite Ausführungsvariante, Teilansicht im Axialschnitt;

Fig. 5

dritte Ausführungsvariante, Teilansicht im Axialschnitt;

Fig. 6

vierte Ausführungsvariante im Teillängsschnitt mit einstellbarer Spaltbreite;

Fig. 7

Ansicht von links gem. Fig. 6;

Fig. 8

weitere Ausführungsvariante mit einstellbarer Spaltbreite, Teilansicht im Axialschnitt.

[0032] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt, wobei teilweise lediglich die Funktion verdeutlichende, abstrakte Symbole verwendet wurden.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0033] Das der Erfindung zugrundeliegende Konzept der Rotorkühlung ergibt sich insbesondere aus den Fig. 1 und 2. Es ist eine typische Verdichterstufe eines Hochdruckverdichters mit einem Lauf- und einem Leitrad, symbolisiert durch Laufschaufel 11 und Leitschaufel 12 dargestellt. Die Laufschaufeln 11 sind in an sich bekannter Weise an einer Rotorwelle 18 angebracht, die in Drehrichtung D rotierend antreibbar ist.

[0034] Den Laufschaufeln 11 sind die Leitschaufeln 12 nachgeschaltet, welche in bekannter Weise an einem Gehäuseabschnitt 17 - und damit feststehend - angebracht sind.

[0035] Die Leitschaufeln 12 sind als Kühlschaufeln ausgebildet. Sie weisen zu diesem Zweck Luftführungskanäle 13 auf, die sich in radialer Richtung durchgehend innerhalb der Kühlschaufel 12 erstrecken und im Bereich der Schaufelspitze 15 als Ausblaseöffnungen 14 münden. Die Ausblaseöffnungen 14 sind auf die Rotorwelle 18 ausgerichtet.

[0036] Die Luftführungskanäle 13 sind in nicht näher dargestellter Art und Weise mit einer Kühlluftversorgung verbunden, die Kühlluft zuführt. Der Druck ist hierbei so gewählt, dass Kühlluftstrahlen K mit hoher Geschwindigkeit aus den Ausblaseöffnungen 14 austreten und auf die unmittelbar benachbarte Rotorwelle 18 auftreffen. Die hierdurch erzielte Kühlwirkung ist enorm, da der Wärmeübergangskoeffizient - und damit die übertragbare Kühlenergie - sehr hoch ist.

[0037] Wie sich beispielsweise aus Fig. 2 ergibt, müssen die Kühlluftkanäle 13 nicht zwangsläufig einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. So kann beispielsweise die Querschnittsform optimal an die Profil-Querschnittsform der Leitschaufel 12 angepasst sein, so dass sich ein hoher und optimal verteilter Luftdurchsatz realisieren läßt. Weitere Vorteile ergeben sich andererseits dadurch, dass die Leitschaufel 12 bzw. deren umströmte Oberfläche, von innen gekühlt wird. Damit reduziert sich auch die thermische Beanspruchung der Leitschaufel 12 mit den damit verbundenen Vorteilen einer verlängerten Lebensdauer bzw. der Möglichkeit, bereits im Zeitpunkt der Auslegung eine höhere Prozesstemperatur zuzulassen.

[0038] Die Fig. 3 bis 5 zeigen verschiedene Anwendungsvarianten in der konkreten Umsetzung der erfindungsgemäßen Kühlkonzeption.

[0039] Eine Rotorwelle 38 weist in dem zu kühlenden Axialabschnitt eine umlaufende Nut 39 auf, in die eine Kühlschaufel 32 mit ihrer Schaufelspitze 35 radial hineinragt. Wiederum sind Ausblaseöffnungen 34 vorgesehen, durch die Kühlluftstrahlen K austreten.

[0040] Diese Konfiguration hat u. a. den Vorteil, dass die austretende Kühlluft K nicht unmittelbar von der Hauptströmung H erfasst und mitgerissen wird. Dadurch ist die lokale Kühlwirkung stärker ausgeprägt als beispielsweise bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration.

[0041] Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsvariante besitzt Kühlschaufeln 42, die mit einem Deckband 46 im Bereich der Schaufelspitzen 45 miteinander verbunden sind. Wiederum sind Ausblaseöffnungen 44 im Bereich der Schaufelspitzen 45 angeordnet, durch die Kühlluftstrahlen K austreten. Diese treffen unmittelbar gegenüberliegend auf eine Rotorwelle 48 auf und kühlen diese lokal. Zwischen dem Deckband 46 und dem Rotor 48 ist ein in Umfangsrichtung durchgehender Ringspalt 49 vorhanden, so dass auch in diesem Fall ein gewisser Rückhalteeffekt für die austretenden Kühlluftstrahlen K gegeben ist.

[0042] Bei der Ausführungsvariante gemäß Fig. 5 sind Kühlschaufeln 52 vorhanden, welche Schaufelspitzen 55 aufweisen, die sich radial in Richtung auf eine Rotorwelle 58 hin trichterförmig erweitern. Im Bereich der Schaufelspitzen 55 sind wiederum Ausblaseöffnungen 54 vorgesehen, durch die Kühlluftstrahlen K ausgestoßen werden. Die Trichterform der Schaufelspitzen 55 ermöglicht die Beaufschlagung der Rotorwelle 58 längs eines größeren Umfangsabschnittes als dies bei radial geradlinig endenden Schaufeln möglich wäre.

[0043] Allen vorstehenden Ausführungsvarianten ist gemeinsam, dass durch die austretenden Kühlluftstrahlen K eine Umströmung der Schaufelspitzen 15, 35, 45, 55 durch Teilströme der Hauptströmung H weitgehend oder sogar vollständig verhindert wird. Die Pumpgrenze solchermaßen gekühlter Verdichterstufen sind somit merklich höher als bei vergleichbaren Verdichtern ohne Kühleinrichtung aus dem Stand der Technik.

[0044] Bei den Ausführungsvarianten gemäß Fig. 6 bis 8 ist eine weitere Anhebung der Pumpgrenze und eine weitere Steigerung des Verdichterwirkungsgrades dadurch möglich, dass der Radialspalt des Leitrades während des Betriebes eingestellt, d. h. verkleinert werden kann.

[0045] Gemäß der in den Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsvariante weisen Kühlschaufeln 62 einen Schaufelfuß 67 nach Art eines kolbenförmigen Radialabschnittes auf, der in einem korrespondierend gestalteten zylinderförmigen Gehäuseabschnitt 78 verschiebbar gelagert ist. Es entsteht ein Arbeitsraum 77, in den ein Versorgungskanal 76 mündet. Durch den Versorgungskanal 76 wird aus der hier nicht näher dargestellten Kühlluftversorgung Kühlluft dem Arbeitsraum 77 zugeführt.

[0046] Der Schaufelfuß 67 ist mit Dichtungsringen 73 versehen, so dass auf diese Weise der Arbeitsraum 77 gegenüber dem zylindrischen Gehäuseabschnitt 78 abgedichtet ist. Sobald der Arbeitsraum 77 mit Kühlluft beaufschlagt wird, erfolgt eine Verschiebung der Kühlschaufel 62 auf die Rotorwelle 68 hin. Weiterhin tritt Kühlluft aus dem Arbeitsraum 77 in Luftführungskanäle 63 ein und verläßt diese durch Ausblaseöffnungen 64. Die Verschiebebewegung der Kühlschaufel 62 erfolgt gegen die Wirkung von Rückstellfedern 74, die zwischen dem Schaufelfuß 67 und dem Gehäuseabschnitt 78 im Bereich des Arbeitsraums 77 wirken. Die Rückstellfedern 74 haben einerseits die Wirkung, dass sie die Kühlschaufel 62 bei abgeschalteter Kühlluftversorgung zurückziehen und auf diese Weise ein Spalt 70 zwischen den Schaufelspitzen 65 und der Rotorwelle 68 eingestellt wird, der so breit bemessen ist, dass ein Einlaufen der Schaufelspitze 65 in die Rotorwelle 68 sicher verhindert wird. Andererseits wird bei eingeschalteter Kühlluftversorgung der Spalt 70 soweit verkleinert, so dass durch die ausgestoßenen Kühlluftströme K ein Luftkissen im Spalt 70 ausgebildet wird, welches nicht nur die Rotorwelle 68 kühlt, sondern auch eine Umströmung der Kühlschaufel 62 im Bereich des Spalts 70 zuverlässig verhindert. Der Verdichterwirkungsgrad und die Pumpgrenze lassen sich hierdurch optimal steigern.

[0047] Die Breite des Spalts 70 kann bei entsprechender Ansteuerung der Kühlluftversorgung variabel einstellbar gestaltet werden. Eine besonders einfache konstruktive Lösung kann aber auch dadurch erreicht werden, dass ein hier nicht näher dargestellter Anschlag vorgesehen ist, der den Verschiebeweg der Kühlschaufel 62 begrenzt und damit die minimale Breite des Spalts 70 vorgibt.

[0048] Die in den Fig. 6 und 7 dargestellte Variante zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass jede der Kühlschaufeln 62 eines Leitschaufelkranzes einzeln verschieblich gelagert ist. Diese Konfiguration beinhaltet einen zusätzlichen Sicherheitsaspekt dahingehend, dass im Falle einer lokalen Störung bei einer einzelnen Kühlschaufel 62 - beispielsweise bei Verstopfung des Luftführungskanals 63 - die betroffene Kühlschaufel 62 in ihre Ausgangslage zurückkehrt. Eine in Folge der ausbleibenden internen Kühlung der Kühlschaufel 62 bewirkte thermische Expansion in radialer Richtung führt nicht zu einem Einlaufen der Schaufelspitze 65 in die Rotorwelle 68.

[0049] Die in Fig. 8 dargestellte Variante zeigt eine Tandemanordnung zweier Kühlschaufeln 82 an einem gemeinsamen Schaufelträger 87. Im Bereich von Schaufelspitzen 85 ist ein Deckband 86 vorgesehen. Wiederum werden Kühlluftstrahlen K aus den Kühlschaufeln 82 über Ausblaseöffnungen 84 ausgestoßen und prallen auf eine Rotorwelle 88.

[0050] Im Unterschied zum vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind hier beide Kühlschaufeln 82 gemeinsam radial verschiebbar ausgestaltet. Eine Rückstellfeder 94 wirkt unmittelbar auf den Schaufelträger 87 ein. Hierbei dient ein Gehäuseabschnitt 98 als rückwärtiger Anschlag für den Schaufelträger 87. Die Kühlluft K wird jeder der beiden Kühlschaufeln 82 separat zugeführt, wobei als Längenausgleich jeweils ein Balg 95 zwischen einem Versorgungskanal 96 und dem Schaufelträger 87 angeordnet ist.

Bezugszeichenliste

[0051] 

11

Laufschaufel

12

Kühlschaufel, Leitschaufel

13

Luftführungskanal

14

Ausblaseöffnung

15

Schaufelspitze

17

Gehäuseabschnitt

18

Rotorwelle

32

Kühlschaufel

34

Ausblaseöffnung

35

Schaufelspitze

38

Rotorwelle

39

Nut

42

Kühlschaufel

44

Ausblaseöffnung

45

Schaufelspitze

46

Deckband

48

Rotorwelle

49

Ringspalt

52

Kühlschaufel

54

Ausblaseöffnung

55

Schaufelspitze

58

Rotorwelle

62

Kühlschaufel

63

Luftführungskanal

64

Ausblaseöffnung

65

Schaufelspitze

67

Schaufelfuß

68

Rotorwelle

70

Spalt

73

Dichtungsring

74

Rückstellfeder

76

Versorgungskanal

77

Arbeitsraum

78

Gehäuseabschnitt

82

Kühlschaufel

84

Ausblaseöffnung

85

Schaufelspitze

86

Deckband

87

Schaufelträger

88

Rotorwelle

94

Rückstellfeder

95

Balg

96

Versorgungskanal

98

Gehäuseabschnitt

H

Hauptströmung

K

Kühlluft

D

Drehrichtung

Ansprüche

1. Strömungsmaschine, insbesondere Verdichter einer Gasturbine mit Laufschaufeln und Leitschaufeln, die zu wenigstens einem Laufrad und einem Leitrad angeordnet sind, und mit wenigstens einer Rotorwelle, die mittels einer Kühleinrichtung gekühlt ist, wobei einzelne oder sämtliche Leitschaufeln (12, 32, 42, 52, 62, 82) als von einer Kühlluftversorgung gespeiste Kühlschaufeln derart ausgebildet sind, dass sie von Luftführungskanälen (13, 63) durchsetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Bereich der Schaufelspitzen (15, 35, 45, 55, 65, 85) Ausblaseöffnungen (14, 34, 44, 54, 64, 84) aufweisen, die auf die Rotorwelle (18, 38, 48, 68, 88) ausgerichtet sind, so daß die Rotorwelle mit Kühlluft direkt beaufschlagt wird.

2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne oder sämtliche Leitschaufeln eines Leitrades als Kühlschaufeln (12, 32, 42, 52, 62, 82) ausgebildet sind.

3. Strömungsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitrad ein Deckband (46, 86) aufweist.

4. Strömungsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschaufeln (12, 32, 42, 52, 62, 82) durch den Druck der Kühlluft (K) aus einer Ausgangsposition heraus gegen die Wirkung von Rückstellfedern (74, 94) verschiebbar gelagert sind.

5. Strömungsmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufeifuß (67) der Kühlschaufeln (62) einen kolbenförmigen Abschnitt aufweist, der in einem korrespondierenden zylinderförmigen Gehäuseabschnitt (78) unter Bildung eines Arbeitsraumes (77) abgedichtet geführt ist, wobei der Arbeitsraum (77) in kommunizierender Fluidverbindung mit der Kühlluftversorgung steht.

6. Strömungsmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftführungskanal (63) in kommunizierender Fluidverbindung mit dem jeweiligen Arbeitsraum (77) steht.

7. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei benachbarte Kühlschaufeln (82) miteinander fest verbunden und zwangsgekoppelt verschiebbar sind.

8. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftführungskanäle (13, 63) als Bohrungen, bzw. als Durchgangsbohrungen ausgeführt sind.

9. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschaufeln (12, 32, 52, 62, 82) jeweils mehrere, bzw. parallel zueinander verlaufende Luftführungskanäle (13) aufweisen.

10. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschaufeln (12, 32, 42, 52, 62, 82) jeweils mehrere, bzw. an der Schaufelspitze (15, 35, 45, 55, 65, 85) mündende Ausblaseöffnungen (14, 34, 44, 54, 64, 84) aufweisen.

Claims

1. Turbomachine, in particular a compressor of a gas turbine with rotor blades and guide vanes which are associated with at least one rotor row and one guide vane row, and having at least one rotor shaft which is cooled by means of a cooling device, wherein individual or all guide vanes (12, 32, 42, 52, 62, 82) are configured as cooled vanes fed by a cooling air supply in such a way that they have air guidance ducts (13, 63) passing through them, characterized in that they have outlet openings (14, 34, 44, 54, 64, 84), which are directed toward the rotor shaft (18, 38, 48, 68, 88), in the region of the vane tips (15, 35, 45, 55, 65, 85) in such a way that the rotor shaft is directly subjected to cooling air.

2. Turbomachine according to Claim 1, characterized in that individual or all guide vanes of a guide vane row are configured as cooled vanes (12, 32, 42, 52, 62, 82).

3. Turbomachine according to Claim 2, characterized in that the guide vane row has a shroud (46, 86).

4. Turbomachine according to Claim 2, characterized in that the cooled vanes (12, 32, 42, 52, 62, 82) are supported so that they can be displaced from an initial position, against the action of return springs (74, 94), by the pressure of the cooling air (K) .

5. Turbomachine according to Claim 4, characterized in that the vane root (67) of the cooled vanes (62) has a piston-shaped section which is guided, in a sealed manner, in a corresponding cylindrical casing section (78), thus forming a working space (77), the working space (77) being in communicating fluid connection with the cooling air supply.

6. Turbomachine according to Claim 5, characterized in that the air guidance duct (63) is in communicating fluid connection to the respective working space (77).

7. Turbomachine according to one of Claims 4 to 6, characterized in that each two adjacent cooled vanes (82) are firmly connected together and can be displaced while positively coupled together.

8. Turbomachine according to one of the preceding claims, characterized in that the air guidance ducts (13, 63) are configured as holes or as through-holes.

9. Turbomachine according to one of the preceding claims, characterized in that the cooled vanes (12, 32, 52, 62, 82) each have a plurality of air guidance ducts (13) respectively extending parallel to one another.

10. Turbomachine according to one of the preceding claims, characterized in that the cooled vanes (12, 32, 42, 52, 62, 82) each have a plurality of outlet openings (14, 34, 44, 54, 64, 84) respectively emerging at the vane tip (15, 35, 45, 55, 65, 85).

Revendications

1. Turbomachine, en particulier compresseur d'une turbine à gaz avec des aubes mobiles et des aubes directrices, qui sont disposées sur au moins un rotor et un stator, et avec au moins un arbre de rotor qui est refroidi au moyen d'un dispositif de refroidissement, des aubes directrices individuelles ou toutes les aubes directrices (12, 32, 42, 52, 62, 82) étant réalisées sous forme d'aubes de refroidissement alimentées par une alimentation en air de refroidissement, de telle sorte qu'elles soient traversées par des canaux de guidage d'air (13, 63), caractérisée en ce qu'elles présentent dans la région des pointes des aubes (15, 35, 45, 55, 65, 85) des ouvertures de soufflage (14, 34, 44, 54, 64, 84) qui sont orientées vers l'arbre de rotor (18, 38, 48, 68, 88) de telle sorte que l'arbre de rotor soit sollicité directement par de l'air de refroidissement.

2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que des aubes directrices individuelles ou toutes les aubes directrices d'un stator sont réalisées sous forme d'aubes de refroidissement (12, 32, 42, 52, 62, 82).

3. Turbomachine selon la revendication 2, caractérisée en ce que le stator présente une bande de recouvrement (46, 86).

4. Turbomachine selon la revendication 2, caractérisée en ce que les aubes de refroidissement (12, 32, 42, 52, 62, 82) sont montées de manière déplaçable par la pression de l'air de refroidissement (K) depuis une position de départ à l'encontre de l'effet de ressorts de rappel (74, 94).

5. Turbomachine selon la revendication 4, caractérisée en ce que la base d'aube (67) des aubes de refroidissement (62) présente une portion en forme de piston qui est guidée hermétiquement dans une portion de boîtier en forme de cylindre correspondante (78) en formant une chambre de travail (77), la chambre de travail (77) étant en liaison fluidique communiquante avec l'alimentation en air de refroidissement.

6. Turbomachine selon la revendication 5, caractérisée en ce que le canal de guidage d'air (63) est en liaison fluidique communiquante avec la chambre de travail respective (77).

7. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que deux aubes de refroidissement voisines (82) sont à chaque fois connectées fixement l'une à l'autre et peuvent être déplacées par accouplement forcé.

8. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les canaux de guidage d'air (13, 63) sont réalisés sous forme d'alésages ou sous forme d'alésages traversants.

9. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les aubes de refroidissement (12, 32, 42, 52, 62, 82) présentent à chaque fois plusieurs canaux de guidage d'air (13) s'étendant respectivement parallèlement les uns aux autres.

10. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les aubes de refroidissement (12, 32, 42, 52, 62, 82) présentent à chaque fois plusieurs ouvertures de soufflage (14, 34, 44, 54, 64, 84) débouchant respectivement au niveau de la pointe des aubes (15, 35, 45, 55, 65, 85).

Zeichnung