Turbine mit mindestens einem Rotor bestehend aus Rotorscheiben und einen Zuganker

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere eine thermische Strömungsmaschine mit mindestens einem Rotor (2), der in mehreren Radialebenen (3) angeordnete Laufschaufeln (4) am Umfang von Rotorscheiben (5) aufweist, wobei sich ein Zuganker (6) längs Ausnehmungen (7) in den Rotorscheiben (5) erstreckt und diese als Einheit (8) zusammenhält, und wobei ferner grundsätzlich weitere Rotor- und Turbinenkomponenten vorgesehen sind. Kern der Erfindung ist zu diesem Zwecke mindestens ein ringförmig gestalteter Abstandshalter (15, 15') zur Fixierung der Lage des Zugankers (6) relativ zur Mittellinie (M) der Rotorscheiben (5) und dass der Abstandshalter (15, 15') Durchtrittsöffnungen (21) aufweist, die radial zum Zuganker (6) bzw. zu seiner Mittellinie (M) angeordnet sind und sich koaxial erstrecken.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Turbine gemäß Oberbegriff von Patentanspruch 1.

[0002] Mehrstufige Turbinen, und hier insbesondere thermische Strömungsmaschinen mit mindestens einem Läufer bzw. Rotor, der in mehreren Radialebenen angeordnete Laufschaufeln am Umfang von Rotorscheiben aufweist, sind grundsätzlich in verschiedenartigen Ausführungsformen bekannt. Dazu gehören Dampfturbinen ebenso wie Gasturbinen.

[0003] Ferner ist es bekannt, zumindest bei Gasturbinen die einzelnen Rotorscheiben mit den Laufschaufeln stirnflächig sowie formschlüssig so zu gestalten, dass sie sich mit Hilfe eines Zugankers als Einheit zusammenhalten lassen. Mit zunehmender Baulänge nimmt allerdings die frei schwingende Länge, d. h. die ungestützte Länge des Zugankers, zu. Hierdurch verschieben sich die Eigenfrequenzen auf ein Niveau nahe der Rotationsfrequenz des Rotors, so dass im Betrieb bzw. beim Schleudern unzulässig hohe Schwingungsamplituden auftreten können. Diese können nicht nur den Zuganker, sondern auch die gesamte Turbine zerstören. Dies gilt insbesondere auch für Gasturbinen, bei denen sich der Zuganker durch die Verdichterstufe, sodann durch eine mittlere Hohlwelle mit den dort radial außen befindlichen Brennkammern und schließlich durch die Turbinenstufe erstreckt.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen vorzusehen, um insbesondere Eigenschwingungen des Zugankers unabhängig von der Drehzahl und insbesondere bei hohen Drehzahlen zu verhindern. Alle sich drehenden Teile der Turbine sollen dabei eine statische Einheit bilden.

[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles von Patentanspruch 1 vor, dass mindestens ein ringförmig gestalteter Abstandshalter zur Fixierung der Lage des Zugankers relativ zur Mittellinie des Rotors vorgesehen ist und dass der Abstandshalter Durchtrittsöffnungen aufweist, die radial zum Zuganker bzw. zu seiner Mittellinie angeordnet sind und sich koaxial erstrecken.

[0006] Grundsätzlich ist der Abstandshalter gemäß der Erfindung bzw. gemäß Ausführungsbeispiel ein Federring mit sich koaxial erstreckenden Durchtrittsöffnungen. Er erhöht die Dämpfung bzw. Versteifung des Zugankers im Läufer/Rotor und ist ausreichend stabil, um unabhängig von der Drehzahl den Zuganker in seiner Solllage zu halten. Er lässt sich einfach montieren, wobei eine ausreichende Vorspannung trotz seiner Federeigenschaften gegeben ist. Die Funktionsfähigkeit ist daher auch bei hohen Drehzahlen sichergestellt.

[0007] Die Verwendung von Abstandshaltern erhöht ferner nicht nur die Eigenfrequenz des Zugankers selbst, sondern auch die Eigensteifigkeit aller Teile.

[0008] Dazu gehört auch, dass erfindungsgemäß baugleiche Abstandshalter grundsätzlich auch im Bereich von Kühl- und Trennrohren verwendet werden, die den Zuganker mit Abstand umgeben. Die Abstandshalter befinden sich hier zwischen dem Zuganker und dem das Kühlmedium führenden, einen Ringkanal bildenden Trennrohr. Gegebenenfalls können der Ringkanal in diesem Zusammenhang auch von einem inneren oder ersten Trennrohr und einem äußeren oder zweiten Trennrohr gebildet werden, so dass dann erste Abstandshalter zwischen Zuganker und innerem Trennrohr einerseits und zweite Abstandshalter zwischen dem inneren Trennrohr und einem äußeren Trennrohr vorgesehen sind.

[0009] Es ist daher mit einfachen Mitteln möglich, die oben genannte Aufgabe erfolgreich zu lösen.

[0010] Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus Unteransprüchen und der Zeichnung im Zusammenhang mit der Beschreibung hervor.

[0011] Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei zeigen:

FIG 1

abgeschnitten sowie zum Teil im Schnitt einen Teil des Läufers/Rotors einer mehrstufigen Turbine;

FIG 2

schräg von unten eine perspektivische Ansicht eines Abstandshalters in anderem Maßstab;

FIG 3

eine perspektivische Ansicht wie in FIG 2, jedoch leicht schräg von oben;

FIG 4

jeweils abgeschnitten eine Stirnansicht eines Abstandshalters auf einem Zuganker sowie ein inneres und ein äußeres Trennrohr zur Bildung eines ringförmigen Kanals für ein Kühlmedium, und

FIG 5

einen Schnitt längs der Linie V-V in FIG 4.

[0012] Eine mehrstufige Turbine 1 in Gestalt einer thermischen Strömungsmaschine bzw. noch etwas konkreter in Gestalt einer Gasturbine umfasst gemäß der abgebrochenen Darstellung in FIG 1 einen Rotor 2, der in mehreren Ebenen 3 angeordnete Laufschaufeln 4 am Umfang von Rotorscheiben 5 aufweist. Ein Zuganker 6 erstreckt sich längs mittig angeordneter Ausnehmungen 7 in den Rotorscheiben 5 durch den in FIG 1 links befindlichen Verdichterteil der Turbine 1 und ist in einer der nicht dargestellten Rotorscheiben bzw. in einem geeigneten Rotorendteil in nicht dargestellter Weise verankert.

[0013] Der Zuganker 6 hält die Rotorscheiben 5 sowie weitere Teile der Turbine 1 bzw. ihres Rotors in grundsätzlich bekannter Weise formschlüssig zusammen.

[0014] Axial neben den zum Verdichter der Gasturbine gehörenden Rotorscheiben 5 befindet sich eine mittlere Hohlwelle 9. Radial außerhalb von dieser mittleren Hohlwelle 9 befinden sich die Brennkammern der Gasturbine.

[0015] Zwischen der mittleren Hohlwelle 9 und dem Zuganker 6 befindet sich mindestens ein ringförmiger Kanal 10 bzw. 11 und dient zur Führung eines Kühlmediums 12, das in FIG 1 mit Hilfe eines Pfeils symbolisiert ist.

[0016] Der das Kühlmedium 12 führende ringförmige Kanal 10 wird grundsätzlich von einem ersten oder inneren Trennrohr 13 und einem zweiten oder äußeren Trennrohr 14 gebildet. Das innere Trennrohr 13 umgibt mit einem Ringspalt 11 bzw. einem ringförmigen Kanal 11 den Zuganker 6. Zur exakten Lagefixierung des Zugankers 6 im inneren Trennrohr 13 ist mindestens ein Abstandshalter 15 vorgesehen. Dieser Abstandshalter 15 ist ein federelastisches Ringelement und besteht mindestens aus einem Stützring 16, der sich radial erstreckende Stützarme 17 und an jedem Stützarm 17 jeweils einen Stützfuß 18 an seinem Ende aufweist, wie aus den FIG 2 bis 6 in Verbindung mit FIG 1 hervorgeht.

[0017] Gemäß den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Abstandshalter 15 bzw. das federelastische Ringelement einstückig, wobei sich die Stützarme 17 radial zum Stützring 16 erstrecken und an Stützfüßen 18 enden. Gemäß Ausführungsbeispiel weist jeder Stützfuß 18 an seinem Ende eine Stützfläche 20 auf, mit der der Abstandshalter 15 bzw. sein Stützarm 17 jeweils aufliegt.

[0018] Die Stützarme 17 erstrecken sich vom Stützring 16 zu den Stützfüßen jeweils schräg zur Mittelachse M des Rotors 2. Hierdurch wird am ringseitigen Ende des Stützarmes 17 ein fiktiver Gelenkpunkt gebildet, um den der Stützarm 17 in radialer Richtung verschwenken kann, wenn er von Fliehkräften entsprechend beaufschlagt wird. Fliehkräfte bewirken dadurch, dass die Stützfüße 18 sich durch Fliehkraft nicht von ihrer Anlagefläche lösen, sondern entsprechend einer höheren Drehzahl des Rotors 2 umso mehr an ihrer Anlagefläche mit Spreizkraft anliegen, wobei zugleich die radiale Erstreckung zwischen Stützring 16 und Stützfuß 18 mit Sicherheit nicht kleiner werden kann. Dies gilt zumindest für den Fall, dass sich der Stützring im eingebauten Zustand radial innen und die Stützfüße 18 radial außen befinden.

[0019] Grundsätzlich baugleiche Abstandshalter 15', die gegebenenfalls lediglich etwas andere Abmessungen aufweisen, sind auch zur Festlegung des ringförmigen Kanals 10 für das Kühlmedium vorgesehen, wie aus FIG 1 hervorgeht. Der Stützring 16' liegt dabei außen auf dem ersten oder inneren Trennrohr 13 an und stützt sich mit seinen Stützfüßen 18' innen an dem zweiten oder äußeren Trennrohr 14 ab.

[0020] Das Trennrohr 14 dient dabei ferner als radial innere Begrenzung für die mittlere Hohlwelle 9, wie aus FIG 1 hervorgeht.

[0021] Aufgrund der Stützarme 17 weist der Abstandshalter 15 Ausnehmungen 21 auf, die sich im eingebauten Zustand radial zum Zuganker 6 bzw. zu seiner Mittellinie M sowie koaxial zum Zuganker 6 erstrecken. Die Abstandshalter 15 fixieren dadurch nicht nur den Zuganker 6 und/oder die beiden Trennrohre 13 und 14 relativ zur Mittellinie M von Rotor 2 und Zuganker 6, sondern sie ermöglichen auch eine freie und ungehinderte, koaxiale Strömung des Kühlmediums 12. Im eingebauten Zustand bilden die Ausnehmungen 21 jeweils Durchtrittsöffnungen.

[0022] Grundsätzlich ist der Abstandshalter 15, 15' nicht nur einstückig, sondern aufgrund seiner Gestaltung und aufgrund des verwendeten Werkstoffes auch federelastisch.

[0023] Gemäß dem in FIG 4 dargestellten Ausführungsbeispiel verbleibt durch die Abstandshalter 15 und ihre Stützarme 17 und ihre Stützfüße 18 etwa der halbe Ringquerschnitt zur Bildung von freien Durchtrittsöffnungen 21. Es steht somit etwa noch der halbe Kanalquerschnitt dem Kühlmedium zum Durchströmen zur Verfügung.

[0024] Unabhängig davon sind die Abstandshalter 15, 15' am Umfang 22 des Zugankers 6 bzw. am Umfang 23 des einen Trennrohres 13 in radialer Richtung unbeweglich fixiert. Dazu werden die Abstandshalter 15, 15' mit ihrem Stützring 16, 16' zweckmäßigerweise auf den sie tragenden Zuganker 6, das Trennrohr 13 thermisch aufgeschrumpft.

[0025] Schließlich können der Zuganker 6 und gegebenenfalls auch das innere Trennrohr 13, die jeweils Abstandshalter 15, 15' tragen, Anschläge 24, 25 für die Abstandshalter 15, 15' aufweisen. Diese Anschläge 24, 25 sind gemäß den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils ein umlaufender Wulst und definieren in axialer Richtung exakt diejenige Stelle, an der der Abstandshalter 15, 15' beim thermischen Aufschrumpfen anliegen soll.

[0026] Grundsätzlich gleichartige Abstandshalter wie die Abstandshalter 15 bzw. 15' können auch zwischen den an ihrem Umfang Laufschaufeln 4 tragenden Rotorscheiben 5 und dem Zuganker 6 angeordnet sein. In FIG 1 ist dies im Bereich der Ausnehmungen 7 symbolisch mit Hilfe von sich kreuzenden, gestrichelten Linien angedeutet. Vor allem die erste Rotorscheibe neben der mittleren Hohlwelle kann zweckmäßigerweise mit einem oder mehreren Abstandshaltern 15 der hier interessierenden Art konkret mit dem ersten oder inneren Trennrohr 13, das den ringförmigen Kanal bildet, verbunden sein. Grundsätzlich Gleiches kann aber auch für andere Rotorscheiben 5 gelten, wozu diese entweder unmittelbar mit dem Zuganker 6 oder dem ersten bzw. inneren Trennrohr 13 verbunden sind.

Ansprüche

1. Turbine,
insbesondere thermische Strömungsmaschine mit mindestens einem Rotor (2), der in mehreren Ebenen (3) angeordnete Laufschaufeln (4) am Umfang von Rotorscheiben (5) aufweist, wobei sich ein Zuganker (6) längs Ausnehmungen (7) in den Rotorscheiben (5) erstreckt und diese als Einheit (8) zusammenhält,
und wobei ferner grundsätzlich weitere Rotor- und Turbinenkomponenten einschließlich mindestens einen Kanals (10) für ein Kühlmedium (12) vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein ringförmig gestalteter Abstandshalter (15, 15') zur Fixierung der Lage des Zugankers (6) relativ zur Mittellinie (M) des Rotors (5) vorgesehen ist und
dass der Abstandshalter (15, 15') Ausnehmungen (21) aufweist, die radial zum Zuganker (6) bzw. zu seiner Mittellinie (M) angeordnet sind und sich koaxial erstrecken.

2. Turbine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstandshalter (15, 15') einstückig ist.

3. Turbine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstandshalter (15, 15') federelastisch ist.

4. Turbine nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstandshalter (15, 15') am Umfang (22, 23) des Zugankers (6) und/oder eines einen Kanal (10) für ein Kühlmedium bildenden Trennrohres (13) mindestens in radialer Richtung unbeweglich fixiert ist.

5. Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein Anschlag (24, 25) am Zuganker (6) und/oder am Trennrohr (13) zur axialen Lagefixierung des Abstandshalters (15, 15') vorgesehen ist.

6. Turbine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Verdickung/ein Wulst als Anschlag (24, 25) am Zuganker (6) und/oder am inneren Trennrohr (13) zur Lagefixierung vorgesehen ist.

7. Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausnehmungen (21) im eingebauten Zustand des Abstandshalters (15, 15') Durchtrittsöffnungen (21) für ein Kühlmedium (12) bilden.

8. Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Zuganker (6) in einem Kanal (10) angeordnet ist, der von mindestens einem ein Kühlmedium (12) führenden Trennrohr (13) gebildet ist.

9. Turbine nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Zuganker (6) in einem ein Kühlmedium (12) führenden, ringförmigen Kanal (10) angeordnet ist, der von einem ersten Trenn- bzw. Innenrohr (13) und einem zweiten Trenn- bzw. Außenrohr (14) gebildet ist.

10. Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
gleichartige Abstandshalter (15, 15') ebenso wie für den Zuganker (6) zugleich zwischen Innenrohr (13) und Außenrohr (14) des ringförmigen Kühlkanals (10) angeordnet sind.

11. Turbine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstandshalter (15') innenrohrseitig im ringförmigen Kühlkanal (10) angeordnet und lagefixiert ist.

12. Turbine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstandshalter (15) ein Ringelement ist und mindestens einen Stützring (16) mit sich radial erstreckenden Stützarmen (17) umfasst, die Stützflächen (20) an ihren Enden aufweisen.

13. Turbine nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stützflächen (20) an den freien Enden der Stützarme (17) an Stützfüßen (18) angeordnet sind.

14. Turbine nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich die Stützarme (17) vom Stützring (16) zu den Stützfüßen (18) schräg zur Mittellinie (M) des Rotors (2) erstrecken.

15. Turbine nach Anspruch 12, 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstandshalter (15, 15') mit seinem Stützring (16) auf dem ihn tragenden Zuganker (6) und/oder dem Trennrohr (13) thermisch aufgeschrumpft ist.

16. Turbine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein Abstandshalter (15) zwischen Zuganker (6) und mindestens einer der Rotorscheiben (5) vorgesehen sind, die Laufschaufeln (4) an ihrem Umfang tragen.

Zeichnung