Läufer einer thermischen Strömungsmachine sowie Gasturbine

Abstract

 Ein Läufer (2) einer thermischen Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit einer Anzahl von Läuferteilen (6), die durch einen gemeinsamen, mittig durch die Läuferteile (6) hindurchgeführten Zuganker (4) zusammengehalten sind, wobei der Zuganker (4) an mindestens einem der ihn umgebenden Läuferteile (6) über ein Stützsystem (10) abgestützt ist, soll auch bei zunehmender Baulänge der Gasturbine einen zuverlässigen und sicheren Betrieb gewährleisten. Dabei sollen die Schwingungsamplituden des Zugankers (4) insbesondere im Bereich der mittleren Hohlwelle möglichst gering gehalten werden. Dazu umfasst erfindungsgemäße Stützsystem (10) eine Anzahl von in Umfangsrichtung gesehen verteilt angeordneten Zangen (12).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Läufer einer thermischen Strömungsmaschine mit einer Anzahl von Läuferteilen, die durch einen gemeinsamen, mittig durch die Läuferteile hindurchgeführten Zuganker zusammengehalten sind, wobei der Zuganker an mindestens einem der ihn umgebenden Läuferteile über ein Stützsystem abgestützt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine thermische Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit einem solchen Läufer.

[0002] Zu den thermischen Strömungsmaschinen werden Dampf- und Gasturbinen sowie Rotationsverdichter und Strahltriebwerke gezählt. Diese weisen üblicherweise einen von einem feststehenden Gehäuse umgebenen drehbar gelagerten Rotor auf. Die feststehenden Baugruppen einer thermischen Strömungsmaschine werden zusammengefasst auch als Stator bezeichnet. Zwischen dem Rotor und dem Stator ist ein in axialer Richtung der Strömungsmaschine verlaufender Strömungskanal für ein kompressibles Strömungsmedium angeordnet. An dem Rotor sind üblicherweise in den Strömungskanal hineinragende und zu Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefasste Laufschaufeln befestigt. Im Falle einer Kraftmaschine, wie etwa einer Turbine, dienen die Laufschaufeln zum Antrieb der Rotorwelle durch Impulsübertrag aus einem heißen und unter Druck stehenden Strömungsmedium.

[0003] Im Falle eines zu den Arbeitsmaschinen zählenden Rotationsverdichters wird umgekehrt die Rotorwelle z. B. durch einen Elektro- oder Verbrennungsmotor oder eine Turbine oder auf andere Weise angetrieben. Die rotorseitig angeordneten Laufschaufeln dienen dabei zur Komprimierung des im Strömungskanal befindlichen Strömungsmediums.

[0004] Bei einer Gasturbine sind eine Verdichtereinheit und eine Turbineneinheit auf einer gemeinsamen Welle angeordnet.

[0005] Der Rotor einer Gasturbine, auch als Läufer bezeichnet, ist üblicherweise betriebsbedingt einer hohen mechanischen und thermischen Belastung ausgesetzt. Vor allem durch die hohe Temperatur des Arbeitsmediums und die auf den Läufer wirkenden Kräfte während des Betriebs der Gasturbine wird die Rotorkomponente stark beansprucht. Um trotzdem einerseits die Betriebssicherheit gewährleisten zu können und andererseits die Fertigungskosten des Läufers in akzeptablen Grenzen zu halten, wurden in der Vergangenheit eine Vielzahl von Konstruktionsmöglichkeiten für derartige Turbinenläufer vorgeschlagen.

[0006] Der Läufer kann auch aus einzelnen Läuferteilen zusammengesetzt sein und die einzelnen Läuferteile werden über einen Zuganker zusammengehalten. Dabei wird der Zuganker durch eine axial verlaufende Ausnehmung mittig in den Läuferteilen geführt, wodurch die Läuferteile miteinander verspannt werden können.

[0007] Der Läufer der Gasturbine ist endseitig durch geeignete Lager im Gehäuse der Turbine angeordnet. Während des Betriebes der Gasturbine treten Schwingungen der Rotorkomponente auf, deren Frequenz u. a. vom Abstand der beiden Axiallager, d. h. von der frei schwingenden Länge des Läufers abhängig ist. Mit zunehmender Baulänge der Gasturbine nimmt auch die frei schwingende Länge des Läufers zu.

[0008] Um die Betriebssicherheit der Gasturbine auch bei zunehmender Baulänge gewährleisten zu können, und auch im Hinblick auf die geringe Eigendämpfung des Systems, wird versucht, durch den Einsatz verschiedener Konstruktionselemente die Steifigkeit der Rotorkomponente zu erhöhen und eine geeignete Abstützung des Zugankers zu gewährleisten.

[0009] Wünschenswert wäre es, die Eigenfrequenz des Zugankers auch bei zunehmender Baulänge der Turbine hinreichend oberhalb der Betriebsdrehzahl zu halten. Somit wäre einerseits die Betriebssicherheit der Turbine gewährleistet und andererseits könnte somit dem steigenden Leistungsbedarf, zu dessen Deckung beispielsweise eine Erweiterung der Baulänge der Gasturbine notwendig ist, entsprochen werden.

[0010] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Läufer der eingangs genannten Art anzugeben, welcher einen sicheren Betrieb der Gasturbine auch bei steigender Baulänge gewährleistet. Dabei sollten die Schwingungsamplituden des Zugankers auch insbesondere im Bereich der mittleren Hohlwelle möglichst klein gehalten werden.

[0011] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem das zur Abstützung des Zugankers an den Läuferteilen vorgesehene Stützsystem eine Anzahl von in Umfangsrichtung gesehen verteilt angeordneten Zangen umfasst.

[0012] Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass gerade für das Erreichen einer hohen Steifigkeit des Läufers die Läuferteile besonders starr mit dem Zuganker verbunden sein sollten, wobei die thermisch bedingten unterschiedlichen Ausdehnungen der Rotorkomponenten dennoch ausgleichbar gehalten sein sollten. Insbesondere sollte dem Umstand Rechnung getragen werden, dass aufgrund der steigenden Anforderungen bezüglich der Leistung der Turbine deren Länge zunimmt, wodurch sich die Eigenfrequenz des Zugankers der Betriebsdrehzahl der Gasturbine nähert. Der Zuganker sollte zu diesem Zweck geeignet abgestützt werden, um dessen Steifigkeit zu erhöhen. Die Abstützung sollte dabei derart ausgelegt sein, dass die Stützwirkung in allen Betriebszuständen und insbesondere auch bei Rotation des Läufers zuverlässig gewährleistet werden kann. Zur Kompensation von Dehnungseffekten und auch zur Gewährleistung der gewünschten Stützwirkung gerade bei Rotation des Läufers sind dabei Zangen bildende Hebelpaare vorgesehen, die einerseits in der Art eines besonders flexiblen Systems passiv geeignet auf Dehnungseffekte reagieren können, und die andererseits gerade auch in Reaktion auf die bei der Rotation auftretenden Fliehkräfte eine dadurch bedingte Verstärkung der Stützwirkung ermöglichen.

[0013] In besonders vorteilhafter Ausgestaltung wirken die Zangen des jeweiligen Stützsystems dabei auf ein umlaufend am Zuganker angeordnetes verformbares Dämpfungselement ein, das seinerseits in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung noch eine federnde Komponente umfasst.

[0014] Vorteilafterweise bespannen die Zangen das Dämpfungselement dabei bei Rotation des Läufers mittels Fliehkraft. Mit anderen Worten sind die Zangenpaare dazu vorteilhafterweise derart ausgestaltet, dass sie infolge der rotationsbedingt auftretenden Fliehkraft das Dämpfungselement zusammendrücken und verformen. Diese Verformung des Dämpfungselements wird sodann durch geeignete Formgebung und Geometriewahl des Dämpfungselements genutzt, um selbst bei auftretenden Wärmedehnungen einen zuverlässigen Kontakt zum Zuganker zu gewährleisten.

[0015] Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das Stützsystem in Umfangsrichtung des Läufers oder Zugankers gesehen segmentiert ausgeführt. Damit ist insbesondere ermöglicht, dass zwischen den Segmenten Zwischenräume gebildet werden, über die Kühlluft in Längsrichtung des Läufers geführt werden kann.

[0016] Um ein fliehkraftbedingtes Vorspannen des Dämpfungselements besonders zu begünstigen, ist das oder jedes Hebelpaar in weiterer oder alternativer vorteilhafter Ausgestaltung jeweils als Spreizzange ausgebildet, die sich beim Zusammendrücken öffnet. Dabei können die Hebelarme insbesondere an der Innenfläche einer den Zuganker umgebenden Hohlwelle oder dergleichen anliegen. Bei einer derartigen Ausgestaltung werden die Hebelarme fliehkraftbedingt von der Innenfläche der Hohlwelle nach innen gedrückt, wobei die mit diesen Hebelarmen verbundenen Zangenbacken das Dämpfungselement zusammendrücken.

[0017] In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist der Läufer in einer thermischen Strömungsmaschine, vorzugsweise in einer Gasturbine, eingesetzt.

[0018] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Abstützung der Läuferteile gegenüber dem Zuganker mittels der Hebelpaare ein sicherer Betrieb der Gasturbine auch mit deren zunehmender Baulänge ermöglicht ist. Insbesondere können durch die Erhöhung der Steifigkeit des Läufers die Schwingungsamplituden besonders klein gehalten werden. Zudem ist das in dieser Anmeldung beschriebene System zur Erhöhung der Steifigkeit des Läufers durch die Verspannung der Läuferteile mit dem Zuganker mit vergleichsweise nur geringem Aufwand realisierbar. Weiterhin können durch ein derartig gebildetes System die thermisch bedingten Relativbewegungen zwischen den Läuferteilen und dem Zuganker besonders gut kompensiert werden. Gleichzeitig ist aber auch eine aufgrund der hohen thermischen Belastung der Rotorkomponente notwendige Kühlung mittels einer in axialer Richtung des Läufers verlaufende Kühlluftführung gewährleistet.

[0019] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1

eine Schnittdarstellung eines Turbinenläufers mit einem Zuganker,

FIG 2

einen Ausschnitt des Turbinenläufers mit einem Stützsystem zur Abstützung des Zugankers,

FIG 3

den Ausschnitt gemäß FIG 2 im Querschnitt, und

FIG 4

ein Zangenpaar in Vorderansicht.

[0020] Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

[0021] Der Läufer 2 gemäß FIG 1 ist Teil einer nicht näher dargestellten Gasturbine und umfasst eine Anzahl einzelner, durch einen gemeinsamen Zuganker 4 zusammengehaltenen und zu einer Einheit zusammengefügten Läuferteilen 6. Dabei sind die jeweiligen Läuferteile 6 verbindungsseitig mit symmetrisch zur Mittelachse M des Läufers 2 verlaufenden Ausnehmungen 8 versehen, wobei die dadurch entstehenden Konturen korrespondierend zu den Konturen des jeweiligen benachbarten Läuferteils 6 ausgebildet sind, wodurch eine konzentrische Ausrichtung der Läuferteile 6 zur Mittelachse M bewirkt wird.

[0022] Jedes der Läuferteile 6 ist zur Führung des Zugankers 4 mit einer axial verlaufenden, mittig angeordneten Bohrung 10 versehen, wobei der Zuganker endseitig mit einem Läuferteil 6 verschraubt ist und somit alle dazwischen angeordneten Läuferteile 6 zusammengehalten werden. Die in den Läuferteilen 6 eingebrachten Ausnehmungen 8 dienen dabei zur Führung eines Kühlmediums zum Kühlen der Rotorkomponenten, indem Kühlluft über einen zwischen den Zuganker 4 und Läuferteil 6 gebildeten Kühlkanal zugeführt wird.

[0023] Der Läufer 2 ist für eine besonders hohe innere Steifigkeit ausgelegt. Damit soll insbesondere erreicht werden, dass selbst bei vergleichsweise groß gewählter Baulänge des Läufers 2 dessen Eigenfrequenzen ausreichend weit oberhalb der Betriebsdrehzahl der Gasturbine gehalten werden können. Damit sollen auftretende Schwingungsamplituden und Resonanzeffekte ausreichend gering gehalten werden, um in jedem Fall eine hohe betriebliche Sicherheit der Turbine zu gewährleisten.

[0024] Um die gewünschte Steifigkeit des Läufers 2 zu gewährleisten, ist der Zuganker 4 über ein geeignetes Stützsystem 10 gegenüber den Läuferteilen 6 abgestützt, wie dies im vergrößerten Ausschnitt in FIG 2 gezeigt ist. Das Stützsystem 10 ist dabei dafür ausgelegt, selbst bei auftretenden thermischen Dehnungseffekten einen zuverlässigen mechanischen Kontakt zwischen dem Zuganker 4 und dem umgebenden Läuferteil 6 herzustellen, wobei zudem noch bei zunehmender Läuferdrehzahl die Steifigkeit des Systems und die Stützwirkung noch gesteigert werden soll.

[0025] Dazu umfasst das Stützsystem 10 eine Anzahl von Hebelpaaren 12, die in Umfangsrichtung des Zugankers 4 gesehen verteilt um diesen herum zwischen dem Zuganker 4 und der Innenseite 14 des umgebenden Läuferteils 6 angeordnet sind, und von denen in FIG 2 lediglich eines gezeigt ist. Jedes Hebelpaar 12 ist im Ausführungsbeispiel als Spreizzange ausgebildet und liegt mit seinen Hebelarmen 16 an der Innenseite 14 des den Zuganker 4 umgebenden Läuferteils 6, beispielsweise einer Hohlwelle, insbesondere der so genannten mittleren Hohlwelle, oder einer Läuferscheibe, an.

[0026] Bei einer Rotationsbewegung des Läufers 2 wirkt in dieser Ausgestaltung die Fliehkraft auf das Hebelpaar 12 und drückt dieses in Richtung zur Innenseite 14 des den Zuganker 4 umgebenden Läuferteils 6. Infolge der dort erfahrenen Reaktionskräfte werden durch die Fliehkraft die Zangenarme 16 auseinandergedrückt, was wiederum aufgrund der Ausgestaltung des Hebelpaares 12 als Spreizzange ein Zusammendrücken der Zangenbacken 18 auf der anderen Seite des Zangenpaares 12 bewirkt.

[0027] Hierdurch wiederum wird ein um den Zuganker 4 umlaufendes, zwischen den Zangenbacken 18 angeordnetes verformbares Dämpfungselement 20 zusammengedrückt und dabei verformt, so dass ein inniger Kontakt zwischen dem Dämpfungselement 20 und dem Zuganker 4 entsteht. Dieser Effekt nimmt mit zunehmender Rotor- oder Turbinendrehzahl fliehkraftbedingt noch weiter zu, so dass die Abstützung des Zugankers 4 und auch die Steifigkeit des Läufers 2 mit zunehmender Rotordrehzahl weiter steigt.

[0028] Wie in der Schnittdarstellung in FIG 3 gezeigt, können um den Umfang des Zugankers 4 herum eine Mehrzahl der Hebelpaare 12, insbesondere drei, vorzugsweise gleichmäßig oder symmetrisch verteilt, angeordnet sein. Das von den Hebelpaaren 12 und dem Dämpfungselement 20 gebildete Stützsystem 10 kann weiterhin in Umfangsrichtung gesehen segmentiert ausgeführt sein, wobei benachbarte Segmente unter Spaltbildung zusammengesetzt sein können. Der Darstellung in FIG 3 ist insbesondere entnehmbar, dass die Zangen 12 endseitig in ihrem Kontaktbereich mit der Innenseite 14 des Läuferteils 6 jeweils in zugeordneten, in die Innenoberfläche des Läuferteils eingearbeiteten Ausnehmungen 26 geführt sind.

[0029] Wie der Darstellung eines Hebelpaares 12 in Aufsicht in FIG 4 entnehmbar ist, können die Hebelarme 16 in Umfangsrichtung gesehen auch seitlich versetzt zueinander angeordnet sein, wobei die Seitenstabilität durch die verbreiterte Kontaktfläche in der Ausnehmung 26 erhöht ist.

Ansprüche

1. Läufer (2) einer thermischen Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine,
mit einer Anzahl von Läuferteilen (6), die durch einen gemeinsamen, mittig durch die Läuferteile (6) hindurchgeführten Zuganker (4) zusammengehalten sind,
wobei der Zuganker (4) an mindestens einem der ihn umgebenden Läuferteile (6) über ein Stützsystem (10) abgestützt ist,
das eine Anzahl von in Umfangsrichtung gesehen verteilt angeordneten Hebelpaaren (12) umfasst.

2. Läufer (2) nach Anspruch 1,
bei dem die Hebelpaare (12) des jeweiligen Stützsystems (10) auf ein umlaufend am Zuganker (4) angeordnetes verformbares Dämpfungselement (20) einwirken.

3. Läufer (2) nach Anspruch 2,
bei dem die Hebelpaare (12) das Dämpfungselement (20) mittels Fliehkraft bespannen.

4. Läufer (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem das Stützsystem (10) in Umfangsrichtung gesehen segmentiert ausgeführt ist.

5. Läufer (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem das oder jedes Hebelpaar (12) jeweils als Spreizzange ausgeführt ist.

6. Gasturbine mit einem Läufer (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.

Zeichnung