Turbomaschinenwelle

Abstract

 In Wellen von Turbomaschinen befinden sich vielfach herstellungsbedingte rotationssymmetrische Hohlräume (4), welche thermisch isolierend wirken. Zur Verbesserung des Wärmeüberganges in der Welle (1,2) sind die Hohlräume mit einem gut wärmeleitenden Gas gefüllt und/oder weisen an den Strinwänden des Hohlraums axial-radial verlaufende Rippen (11) auf. Auf diese Weise lässt sich die isolierende Wirkung des Hohlraums abschwächen oder gar aufheben.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Welle einer Turbomaschine, die einen oder mehrere rotationssymmetrische Hohlräume aufweisst.

[0002] Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich beispielsweise aus der DE-PS 26 33 829 ergibt.

TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK

[0003] Im Inneren der Wellen von grossen Turbomaschinen befinden sich in der Regel aus Herstellungsgründen, z.B. bei geschweissten Rotoren und/oder aus Kosten- und Gewichtsgründen grosse rotationssysmmetrische Hohlräume. Bei geschweissten Wellen sind diese Hohlräume mit dem beim Schweissen verwendeten Schutzgas, typischerweise Argon, gefüllt. Dabei dürfte der Druck tiefer liegen als der Atmosphärendruck, weil die Schweissung bei hoher Temperatur und etwa Atmosphärendruck erfolgt.

[0004] Solche Hohlräume wirken bei transienten Aufheizvorgängen und in gewissen Fällen auch im stationären Fall thermisch isolierend. Dadurch können starke Differenzdehnungen entstehen, die zu frühzeitiger Materialermüdung führen.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0005] Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Massnahmen anzugeben, welche die isolierende Wirkung der besagten Hohlräume vermindern oder gar aufheben.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der oder die Hohlräume mit einem Gas gefüllt sind, dessen Wärmeleitfähigkeit grösser ist als die von Luft oder die des Schutzgases, und/oder dass in dem bzw. den Hohlräumen Einbauten zur Vergrösserung des Wärmeübergangs vorgesehen sind.

[0007] Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen an den Endwänden der Hohlräume in den Wellen stellen sich induzierte Grenzschichtströmungen ein, die dem heissen Ende Wärme entziehen und dem kalten Ende zuführen. Wählt man nun Gase, die für diese Art der konvektierenden Wärmeübertragung besser geeignet sind, z.B. Gase mit grösseren Molekülen wie Schwefelhexafluorid oder gewissen Freone, dann kann die Wärmeübertragung massiv verstärkt werden. Denkbar wären auch Dämpfe, die auf der kalten Seite kondensieren. Zusätzlich kann der Hohlraum unter Druck gesetzt werden, um einen erhöhten Wärmeübergang zu erreichen.

[0008] Alternativ oder zusätzlich zur genannten Gas- bzw. Dampffüllung können an den wärmeübertragenden Wänden auch Einbauten, z.B. radial-axial verlaufende Rippen vorgesehen werden. Eine solche Massnahme verbessert einerseits wegen der vergrösserten Fläche den konvektiven Wärmeübergang, andererseits wird die induzierte Grenzschichtströmung deshalb - verstärkt, weil die Rippen die Ablenkung der Coriolis-Beschleunigung unterdrücken. Mit diesen Massnahmen kann die isolierende Wirkung eines Hohlraumes in der Welle einer Turbomaschine stark abgeschwächt oder gar aufgehoben werden.

[0009] Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0010] In der Zeichnung zeigt

Fig.1

in schematisierter Form einen Schnitt durch eine geschweisste Welle einer Turbomaschine;

Fig.2

eine schematische Darstellung der Grenzschichtströmung im Hohlraum der Welle nach Fig.1;

Fig.3

ein Längschnitt durch einen mit rippenförmigen Einbauten versehenen Hohlraum in der Welle nach Fig.1;

Fig.4

einen Querschnitt durch die Welle nach Fig.3 längs deren Linie AA.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0011] Die Welle einer Turbomaschine gemäss in Fig.1 besteht aus im Beispielsfall zwei Wellenteilen 1, 2 die mittels Schweissen miteinander verbunden sind. Die Schweissnaht ist mit 3 bezeichnet. Sie erstreckt sich aus konstruktiven Gründen nur über einen Bruchteil der Stirnfläche. Die Wellenenden der Wellenteile 1 und 2 weisen rotationssymmetrische Ausnehmungen auf, welche (nach dem Schweissen) einen rotationssymmetrischen Hohlraum 4 bilden. Der linke Wellenteil 1 trägt die Turbinen-Rotorbeschaufelung 5, der rechte Wellenteil 2 trägt die Verdichterbeschaufelung 6. Die turbinenseitige Stirnwand 7 (heisse Seite) des Hohlraums 4 nimmt bei transienten Aufheizvorgängen und in gewissen Fällen auch im Betriebszustand eine höhere Temperatur an als die verdichterseitige Stirnwand 8 (kalte Seite) des Hohlraums 4. Abschätzungen zeigen, dass bei einer Gasturbine mit geschweisster Welle die strahlungsbedingte Wärmeübeertragung in einem Hohlraum etwa 5% der metallischen Wärmeleitung erreicht. Bei einem mit Gas gefüllten Hohlraum 4 stellen sich aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen an den Endwänden des Hohlraums in den Wellen induzierte Grenzschichtströmungen 10a ein, die dem heissen Ende 7 Wärme entziehen und dem kalten Ende 8 zuführen, wobei sich im torusförmigen Bereich 10b rund um die Wellenachse 9 Festkörperwirbel mitllerer Temperatur ausbilden. Diese Grenzschichtströmungen tragen zur Verbesserung des Wärmeüberganges bei und erreichen im Falle eines mit Argon gefüllten Hohlraums der konvektivie Wärmeübergang etwa 10% der metallischen Wärmeleitung. Durch die erfindungsgemässe Füllung des Hohlraums 4 mit einem Gas mit grossen Molekülen, vorzugsweise Schwefelhexafluorid, lässt sich nun dieser Effekt bedeutend verstärken. Auch kann der Hohlraum 4 unter Druck gesetzt werden, um eine weitere Erhöhung der Wärmeübergangs zu erreichen. Anstelle der genannten Gase können auch Dämpfe, verwendet werden, die auf der kalten Seite 8 des Hohlraums 4 kondensieren.

[0012] Eine weitere Erhöhung des Wärmeüberganges lässt sich erreichen, wenn an den Stirnwänden des Hohlraums 4 Einbauten in Gestalt von radial verlaufenden und axial in den Hohlraum 4 hineinragenden Rippen 11 vorgesehen sind. Diese vergrössern einerseits die wärmeübertragende Fläche für den konvektiven Wärmeübergang, andererseits verstärken sie die Grenzschichtströmung im Hohlraum, weil die Rippen 11 die Ablenkungswirkung der Coriolis-Beschleunigung unterdrücken. Diese Massnahme kann allein oder in Kombination mit einer speziellen Gas- oder Dampffüllung ergriffen werden.

[0013] Die kombinierte Anwendung einer speziellen Gasfüllung und axial-radialer Rippen im Hohlraum führt zu Wärmeübergängen im Hohlraum, die bis nahe an die metallische Wärmeleitung heranreichen, so dass die isolierende Wirkung des oder der Hohlräume in der Welle einer Turbomaschine abgeschwächt oder gar aufgehoben wird. Während das Anbringen von Einbauten bereits im Zuge der Herstellung der Welle vorgenommen werden muss, lassen sich (verschliessbare) Einfüllöffnungen für Gase oder Dämpfe auch nachträglich in die Welle einbringen.

Ansprüche

1. Welle einer Turbomaschine, die einen oder mehrere rotationssymmetrische Hohlräume (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Hohlräume (4) mit einem Gas gefüllt sind, dessen Wärmeleitfähigkeit grösser ist als die von Luft oder die eines Schutzgases, und/oder dass in den stirnseitigen Wandungen des bzw. der Hohlräumen (4) Einbauten (11) zur Vergrösserung des Wärmeübergangs vorgesehen sind.

2. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Hohlräume (4) mit Schwefelhexafluorid, einer verdampfbaren Flüssigkeit oder Freon gefüllt ist bzw. sind.

3. Welle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Strinwänden des Hohlraums (4) radial verlaufende, axial in den Hohlraum (4) hineinragende Rippen (11) vorgesehen sind.

Zeichnung