[0001] Die Erfindung betrifft einen Axialturbomaschinenrotor mit einer Schaufelkühlung,
insbesondere einen Axialturbomaschinenrotor mit einem Schaufelkranz, der von einer
Mehrzahl an Laufschaufeln gebildet ist, die mittels Prallkühlung kühlbar sind.
[0002] Eine Turbomaschine, wie beispielsweise eine Gasturbine, weist einen Verdichter und
eine Turbine auf, die via einen Rotor gekoppelt sind. Der Rotor weist Laufschaufeln
für den Verdichter und Laufschaufeln für die Turbine auf, wobei in dem Verdichter
Arbeit an einem Arbeitsmedium verrichtet und in der Turbine Arbeit aus dem Arbeitsmedium
gewonnen wird. Das Arbeitsmedium wird stromauf der Turbine erwärmt, so dass die Bauteile
der Turbine einer hohen Temperaturbelastung ausgesetzt sind. Herkömmlich ist der Rotor
mit Scheiben versehen, die auf einer Welle aufgereiht sind und jeweils an ihrem Außenrand
die Laufschaufeln aufweisen, die einen Schaufelkranz bildet. Aufgrund von hohen mechanischen
und thermischen Belastungen ist die Lebensdauer der Scheiben und der Laufschaufeln
begrenzt. Als eine Maßnahme die Lebensdauer zu verlängern ist eine Kühleinrichtung
zum Kühlen der Laufschaufeln und der Scheiben bekannt, mit der eine Erhöhung der Sprödheit
insbesondere des Materials der Scheiben beim Betrieb der Gasturbine im wesentlich
begrenzt ist. Ferner liegt das Kriechverhalten der Scheiben und der Laufschaufeln
im unkritischen Bereich, so dass eine verlängerte Lebensdauer (LCF, engl.: "Life Cycle
Fatigue") erzielt ist.
[0003] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Axialturbomaschinenrotor zu schaffen, bei dem
Rotorscheibe und Laufschaufeln eine hohe Lebensdauer haben.
[0004] Der erfindungsgemäße Axialturbomaschinenrotor weist eine Rotorscheibe und einen Laufschaufelkranz
auf, der eine Mehrzahl an Laufschaufeln aufweist, die jeweils einen Schaufelfuß aufweisen,
mit dem die Laufschaufel radial nach außen an der Rotorscheibe festgelegt ist, wobei
der Schaufelfuß mit der Rotorscheibe an deren Außenrand formschlüssig derart in Eingriff
steht, dass beim Betrieb des Axialturbomaschinenrotors ein Spalt zwischen der Laufschaufel
und der Rotorscheibe an einem vorherbestimmten Oberflächenbereich der Rotorscheibe
ausgebildet ist, in dem eine Mehrzahl an Prallkühlungsöffnungen angeordnet ist, durch
die vom Inneren der Rotorscheibe her ein Kühlmedium in den Spalt strömbar ist, wodurch
mit dem Kühlmedium die Laufschaufel durch Prallkühlung von dem Kühlmedium kühlbar
ist.
[0005] Dadurch ist eine effektive Kühlung der Rotorscheibe und der Laufschaufeln erzielt,
wodurch die Lebensdauer der Laufschaufeln und der Rotorscheibe hoch ist. Ferner ist
beim erfindungsgemäßen Turbomaschinenrotor der Einsatz des Kühlmediums effektiv, wodurch
der Axialturbomaschinenrotor Ressourcen sparend betreibbar ist.
[0006] Es ist bevorzugt, dass die Rotorscheibe an ihrem Außenrand eine Halteaussparung aufweist,
in die der Schaufelfuß mit seinem Fußhals eingreift, der radial nach innen vorsteht
und mindestens einen in Umfangsrichtung und/oder in Axialrichtung von dem Fußhals
vorstehenden Fußzahn aufweist, der eine radial außenliegende Flanke und eine radial
innenliegende Flanke aufweist, wobei mit einer in der Halteaussparung vorgesehenen
Fußzahnaussparung der Fußzahn derart umgriffen ist, dass beim Betrieb des Turbomaschinenrotors
der Schaufelfuß mit der radial außenliegenden Flanke an der Fußzahnaussparung anliegt
und zwischen der radial innenliegenden Flanke und der Fußzahnaussparung der Spalt
ausgebildet ist, wobei in dem der innenliegenden Flanke zugewandten Oberflächenbereich
der Fußzahnaussparung mindestens eine der Prallkühlungsöffnungen vorgesehen ist, so
dass der Schaufelfuß an der radial innenliegenden Flanke mit dem Kühlmedium, das durch
die Prallkühlungsöffnung strömt, prallkühlbar ist. Dadurch ist die Rotorscheibe im
Bereich der Halteaussparung, in dem beim Betrieb des Axialturbomaschinenrotors Spannungsspitzen
auftreten, vorteilhaft von dem Kühlmedium durchströmt und somit gekühlt. Ferner wird
der Schaufelfuß von der Prallkühlung gekühlt, wodurch effektiv mit dem Kühlmedium
von dem Schaufelfuß Wärme abführbar ist. Dadurch ist vorteilhaft erreicht, dass in
der Rotorscheibe im Bereich der Halteaussparung in der Laufschaufel ein Temperaturniveau
einstellbar ist, bei dem die Lebensdauer der Rotorscheibe und der Laufschaufeln hoch
ist.
[0007] Bevorzugtermaßen sind die Fußzähne an dem Fußhals derart angeordnet und geformt,
dass der Schaufelfuß ein Tannenbaumprofil aufweist, wobei die Fußzahnaussparungen
als Nuten ausgebildet sind. Die Fußzähne und die Nuten verlaufen bevorzugt in Axialrichtung
des Axialturbomaschinenrotors. Ferner ist es bevorzugt, dass die Spalte nach außen
offen sind, so dass das Kühlmedium von den Spalten nach außerhalb der Rotorscheibe
abströmen kann. Dadurch kann durch die Prallkühlungsöffnungen ständig Kühlmedium strömen,
wodurch ein kontinuierliches Kühlen der Rotorscheibe und der Laufschaufeln erzielt
ist.
[0008] Die Laufschaufel weist bevorzugt ein aerodynamisch wirksames Schaufelblatt und eine
radial zwischen dem Schaufelblatt und dem Schaufelfuß angeordnete, aerodynamisch wirksame
Schaufelplattform auf, die mit ihrer radial innenliegenden Seite unter Ausbilden des
Spalts in Radialabstand von dem Außenrand der Rotorscheibe angeordnet ist, wobei in
dem der innenliegenden Seite zugewandten Oberflächenbereich des Außenrands mindestens
eine der Prallkühlungsöffnungen vorgesehen ist, so dass die Schaufelplattform an ihrer
radial innenliegenden Seite mit dem Kühlmedium, das durch die Prallkühlungsöffnung
strömt, prallkühlbar ist. Dadurch kann vorteilhaft sowohl der Schaufelfuß als auch
die Schaufelplattform mit dem Kühlmedium gekühlt werden, wodurch eine effektive Kühlung
der Laufschaufel erzielt ist. Bevorzugt ist es, dass die Prallkühlungsöffnungen derart
ausgebildet sind, dass das Kühlmedium, das aus den Prallkühlungsöffnungen ausströmt,
im Wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche der Laufschaufel trifft. Dadurch ist
effektiv der thermische Wirkungsgrad der Prallkühlung hoch. Bevorzugtermaßen weist
die Rotorscheibe eine Mehrzahl an Kühlkanälen auf, die via die Prallkühlungsöffnungen
in die Spalte münden. Außerdem ist der Axialturbomaschinenrotor bevorzugt ein Axialturbinenrotor
und das Kühlmedium ist bevorzugt Kühlluft.
[0009] Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Axialturbinenrotors
anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- FIG 1
- eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer Scheibe eines erfindungsgemäßen
Axialturbinenrotors und
- FIG 2
- eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer Scheibe mit einer Laufschaufel
des erfindungsgemäßen Axialturbinenrotors.
[0010] Wie es aus FIG 1 und 2 ersichtlich ist, weist ein Axialturbinenrotor 1 eine Scheibe
auf, die rotationssymmetrisch um die Drehachse des Axialturbinenrotors 1 angeordnet
ist. Am Außenrand 13 der Scheibe 2 ist eine Mehrzahl an über den Umfang der Scheibe
2 nebeneinanderliegenden Laufschaufeln 3 angeordnet, wobei die Laufschaufeln 3 einen
Laufschaufelkranz bilden. Jede Laufschaufel 3 weist ein Schaufelblatt 4 auf, mit dem
die Laufschaufel 3 mit einem Arbeitsmedium des Axialturbinenrotors 1 zusammenwirkt.
Das Schaufelblatt 4 ist an der Scheibe 2 radial nach außen sich erstreckend angeordnet,
wobei die Laufschaufel 3 am radial innenliegenden Ende des Schaufelblatts 4 einen
Schaufelfuß 5 aufweist, mit dem das Schaufelblatt 4 an der Scheibe 2 befestigt ist.
Zwischen dem Schaufelblatt 4 und dem Schaufelfuß 5 ist eine Schaufelplattform 6 an
der Laufschaufel 3 ausgebildet, die in Axialrichtung und in Umfangsrichtung des Axialturbinenrotors
1 sich erstreckt, wobei die radial außenliegende Seite der Schaufelplattform 6 dem
Arbeitsmedium und die radial innenliegende Seite 18 der Schaufelplattform 6 der Scheibe
2 zugewandt angeordnet sind.
[0011] Der Schaufelfuß 5 weist einen Fußhals 7 auf, der von der Schaufelplattform 6 radial
nach innen sich erstreckt. An dem Fußhals 7 ist in Umfangsrichtung des Axialturbinenrotors
1 zeigend eine Mehrzahl an Fußzähnen 8 ausgebildet, wobei die Fußzähne 8 symmetrisch
zur Längsachse des Fußhals 7 angeordnet sind. Am Außenumfang der Scheibe 2 ist für
jeden Schaufelfuß 5 eine Halteaussparung 9 ausgebildet, die Nuten 10 aufweist, in
die die Fußzähne 8 eingreifen. Die Halteaussparung 9 mit ihren Nuten 10 ist der Kontur
des Schaufelfußes 5 mit den Fußzähnen 8 nachgebildet, so dass der Schaufelfuß 5 mit
der Halteaussparung 9 formschlüssig in Eingriff steht. Dadurch, dass jeder Fußzahn
8 in die ihm zugeordnete Nut 10 eingreift und von dem Material der Scheibe 2 umgriffen
ist, ist der Schaufelfuß 5 in der Halteaussparung 9 in Radialrichtung festgelegt.
[0012] Die Fußzähne 8 sind an dem Fußhals 7 im Wesentlichen in Axialrichtung des Axialturbinenrotors
1 sich erstreckend angeordnet, so dass in gleicher Weise die Nuten 10 ebenfalls einen
Verlauf in Axialrichtung des Axialturbinenrotors 1 haben. Ferner sind die Fußzähne
8 zueinander parallel angeordnet und dadurch sind ebenfalls die Nuten 10 zueinander
parallel angeordnet, so dass die Laufschaufel 3 zur Montage an die Scheibe 2 bzw.
zur Demontage von der Scheibe 2 mit ihrem Schaufelfuß 5 in Axialrichtung in die Halteaussparung
9 eingeschoben bzw. aus der Halteaussparung 9 herausgeschoben werden kann. Ferner
sind die Fußzähne 8 mit einer runden Kontur und ebenfalls die Nuten 8 mit einer entsprechenden
runden Kontur gestaltet, so dass aufgrund von Kerbspannungseffekten das Spannungsniveau
beim Betrieb des Axialturbinenrotors 1 in der Scheibe 2 und in dem Schaufelfuß 5 gering
ist.
[0013] Jeder Fußzahn 8 weist eine radial innenliegende Flanke 16 und eine radial außenliegende
Flanke 17 auf, wobei die Flanken 16, 17 zueinander geneigt ausgebildet sind. Insbesondere
ist die radial außenliegende Flanke 17 zur Umfangsrichtung der Scheibe 2 derart geneigt,
dass der Radius der radial außenliegenden Flanke 17 vom Fußhals 7 weg abnimmt. Beim
Betrieb des Axialturbinenrotors 1 wirkt auf die Laufschaufel 3 eine Fliehkraft, die
radial nach außen wirkt. Aufgrund der Neigung der radial außenliegenden Flanke 17
und der entsprechenden Formgebung der Nut 10 ergibt sich ein Selbstzentrierungseffekt
des Schaufelfußes 5 in der Halteaussparung 9. Dabei liegt die radial außenliegende
Flanke 17 an der Nut 10 an, so dass der Fußzahn 8 radial nach außen an der radial
außenliegenden Flanke 17 in der Nut 10 abgestützt ist. Die Nut 10 ist um den Fußzahn
8 mit Spiel geformt, so dass ein unerwünschtes Verklemmen des Schaufelfußes 5 in der
Halteaussparung 9 unterbunden ist, wodurch die Selbstzentrierungswirkung durch die
Fußzähne 8 und die Nuten 10 ungestört ist. Dadurch, dass beim Betrieb des Axialturbinenrotors
1 der Fußzahn 8 mit seiner radial außenliegenden Flanke 17 in Berührkontakt mit der
Nut 10 steht, stellt sich aufgrund des Spiels an der radial innenliegenden Flanke
16 ein Spalt 11 ein. An dem durch den Spalt 11 freigelegten Bereich der Nut 10 ist
eine Mehrzahl an Prallkühlungsöffnungen 12 vorgesehen, durch die Kühlluft strömt.
Tritt die Kühlluft aus den Prallkühlungsöffnungen 12 aus, strömt die Kühlluft in den
Spalt 11 ein und kühlt den Fußzahn 8 an der radial innenliegenden Flanke 16 durch
Prallkühlung. Die Halteaussparung 9 ist stirnseitig an der Scheibe 2 offen ausgebildet,
so dass durch die Spalte 11 an den radial innenliegenden Flanken 16 nach außen offene
Kühlkanäle ausgebildet sind. In die Kühlkanäle tritt durch die Prallkühlungsöffnungen
12 die Kühlluft, die durch die Kühlkanäle strömt und stirnseitig an der Scheibe 2
austritt.
[0014] Die Schaufelplattform 6 ist im Radialabstand an dem Außenrand 13 der Scheibe 2 angeordnet,
so dass zwischen dem Scheibenaußenrand 13 und der radial innenliegenden Seite 18 der
Schaufelplattform 6 ein Spalt 14 ausgebildet ist. Unterhalb der radial innenliegenden
Seite 18 ist. Im Bereich des Spalts 14 ist im Scheibenaußenrand 13 eine Mehrzahl an
Prallkühlungsöffnungen 15 ausgebildet, durch die Kühlluft strömt. Die Kühlluft prallt
auf die radial innenliegende Seite 18, so dass die Schaufelplattform 6 von der Kühlluft
durch Prallkühlung gekühlt ist. Durch den Spalt 14 ist am Scheibenaußenrand 13 ein
Kühlkanal ausgebildet, der um die Schaufelplattform 6 nach außen offen ist. Dadurch
kann die Kühlluft von den Prallkühlungsöffnungen 15 am Scheibenaußenrand 13 an der
Schaufelplattform 6 vorbei nach außen austreten. Beim Betrieb des Axialturbinenrotors
1 steht die radial außenliegende Seite der Schaufelplattform 6 in Kontakt mit Heißgas,
wodurch ein hoher Wärmeeintrag in die Schaufelplattform 6 beim Betrieb des Axialturbinenrotors
vorliegt 1. Die an der radial innenliegenden Seite 18 der Schaufelplattform 6 auf
die Kühlluft übertragene Wärme wird durch Konvektion von der Schaufelplattform 6 abtransportiert.
1. Axialturbomaschinenrotor mit einer Rotorscheibe (2) und einem Laufschaufelkranz,
der eine Mehrzahl an Laufschaufeln (3) aufweist, die jeweils einen Schaufelfuß (5)
aufweisen, mit dem die Laufschaufel (2) radial nach außen an der Rotorscheibe (2)
festgelegt ist,
wobei der Schaufelfuß (5) mit der Rotorscheibe (2) an deren Außenrand (13) formschlüssig
derart in Eingriff steht, dass beim Betrieb des Axialturbomaschinenrotors (1) ein
Spalt zwischen der Laufschaufel (3) und der Rotorscheibe (2) an einem vorherbestimmten
Oberflächenbereich der Rotorscheibe (2) ausgebildet ist, in dem eine Mehrzahl an Prallkühlungsöffnungen
(12, 15) angeordnet ist, durch die vom Inneren der Rotorscheibe (2) her ein Kühlmedium
in den Spalt (11, 14) strömbar ist,
wodurch mit dem Kühlmedium die Laufschaufel (2) durch Prallkühlung von dem Kühlmedium
kühlbar ist.
2. Axialturbomaschinenrotor gemäß Anspruch 1,
wobei die Rotorscheibe (2) an ihrem Außenrand (13) eine Halteaussparung (9) aufweist,
in die der Schaufelfuß (2) mit seinem Fußhals (7) eingreift, der radial nach innen
vorsteht und mindestens einen in Umfangsrichtung und/oder in Axialrichtung von dem
Fußhals (7) vorstehenden Fußzahn (8) aufweist, der eine radial außen liegende Flanke
(17) und eine radial innen liegende Flanke (16) aufweist,
wobei mit einer in der Halteaussparung (9) vorgesehenen Fußzahnaussparung (10) der
Fußzahn (8) derart umgriffen ist, dass beim Betrieb des Turbomaschinenrotors (1) der
Schaufelfuß (5) mit der radial außen liegenden Flanke (16) an der Fußzahnaussparung
(10) anliegt und zwischen der radial innen liegenden Flanke (17) und der Fußzahnaussparung
(10) der Spalt (11) ausgebildet ist,
wobei in dem der innen liegenden Flanke (16) zugewandten Oberflächenbereich der Fußzahnaussparung
(10) mindestens eine der Prallkühlungsöffnungen (12) vorgesehen ist, so dass der Schaufelfuß
(5) an der radial innen liegenden Flanke (16) mit dem Kühlmedium, das durch die Prallkühlungsöffnung
(12) strömt, prallkühlbar ist.
3. Axialturbomaschinenrotor gemäß Anspruch 2,
wobei die Fußzähne (8) an dem Fußhals (7) derart angeordnet und geformt sind, dass
der Schaufelfuß (5) ein Tannenbaumprofil aufweist,
wobei die Fußzahnaussparungen als Nuten (10) ausgebildet sind.
4. Axialturbomaschinenrotor gemäß Anspruch 3,
wobei die Fußzähne (8) und die Nuten (10) in Axialrichtung verlaufen.
5. Axialturbomaschinenrotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei die Spalte (11, 14) nach außen offen sind, so dass das Kühlmedium von den Spalten
(11, 14) nach außerhalb der Rotorscheibe (2) abströmen kann.
6. Axialturbomaschinenrotor gemäß Anspruch 1 oder 2,
wobei die Laufschaufel (3) ein aerodynamisch wirksames Schaufelblatt (4) und eine
radial zwischen dem Schaufelblatt (4) und dem Schaufelfuß (5) angeordnete, aerodynamisch
wirksame Schaufelplattform (6) aufweist, die mit ihrer radial innen liegenden Seite
(18) unter Ausbilden des Spalts (14) im Radialabstand von dem Außenrand (13) der Rotorscheibe
(2) angeordnet ist,
wobei in dem der innen liegenden Seite (18) zugewandten Oberflächenbereich des Außenrands
(13) mindestens eine der Prallkühlungsöffnungen (15) vorgesehen ist, so dass die Schaufelplattform
(6) an ihrer radial innen liegenden Seite (13) mit dem Kühlmedium, das durch die Prallkühlungsöffnung
(15) strömt, prallkühlbar ist.
7. Axialturbomaschinenrotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei die Prallkühlungsöffnungen (12, 15) derart ausgebildet sind, dass das Kühlmedium,
das aus den Prallkühlungsöffnungen (12, 15) ausströmt, im Wesentlichen senkrecht auf
die Oberfläche der Laufschaufel (2) trifft.
8. Axialturbomaschinenrotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
wobei die Rotorscheibe (2) eine Mehrzahl an Kühlkanälen aufweist, die via der Prallkühlungsöffnungen
(12, 15) in die Spalte (11, 14) münden.
9. Axialturbomaschinenrotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8,
wobei der Axialturbomaschinenrotor ein Axialturbinenrotor (1) ist und das Kühlmedium
Kühlluft ist.