Turbomaschinen-Hohlwelle mit Hitzeschild

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine axial durchströmbare Turbomaschine (1) mit einem Rotor (2), der eine Vielzahl von scheiben- oder trommelförmig ausgebildeten Rotorbauteilen (3, 4, 5) und zumindest einen sich durch die Rotorbauteile (3, 4, 5) erstreckenden Zuganker (6) umfasst, der die Rotorbauteile (3, 4, 5) axial gegeneinander verspannt, wobei eines der Rotorbauteile (5) durch eine Hohlwelle gebildet wird, die eine axiale Durchgangsöffnung (7) aufweist und an deren Außenumfangsfläche ein Rotorlager angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenumfangsfläche der Hohlwelle (5) zumindest teilweise mit einem rohrartig ausgebildeten Hitzeschild (10; 20) verkleidet ist, und dass ein zwischen der Innenumfangsfläche des Hitzeschildes (10; 20) und dem Zuganker vorhandener Ringraum (11) einen Kühlluftströmungskanal definiert.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine axial durchströmbare Turbomaschine mit einem Rotor, der eine Vielzahl von scheiben- oder trommelförmig ausgebildeten Rotorbauteilen und zumindest einen sich durch die Rotorbauteile erstreckenden Zuganker umfasst, der die Rotorbauteile axial gegeneinander verspannt, wobei eines der Rotorbauteile durch eine Hohlwelle gebildet wird, die eine axiale Durchgangsöffnung aufweist und an deren Außenumfangsfläche ein Rotorlager angeordnet ist.

[0002] Derartige Turbomaschinen sind im Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. So beschreibt beispielsweise die EP 2 383 440 A1 eine Turbomaschine in Form einer stationären Gasturbine, deren Rotor aus einer Vielzahl von scheiben- oder trommelförmig ausgebildeten Rotorbauteilen zusammengesetzt ist, die über einen Zuganker axial gegeneinander verspannt sind. Einige der Rotorbauteile nehmen entlang ihres Außenumfangs Schaufeln einer Verdichtereinheit, andere die Schaufeln einer Turbineneinheit der Gasturbine auf. Zwischen der Verdichtereinheit und der Turbineneinheit ist als trommelförmig ausgebildetes Rotorbauteil eine Hohlwelle vorgesehen, an deren Außenumfangsfläche ein Rotorlager in Form eines Gleitlagers angeordnet ist.

[0003] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbomaschine der eingangs genannten Art mit alternativem Aufbau zu schaffen.

[0004] Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine axial durchströmbare Turbomaschine der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Innenumfangsfläche der Hohlwelle zumindest teilweise mit einem rohrartig ausgebildeten Hitzeschild verkleidet ist, und dass ein zwischen der Innenumfangsfläche des Hitzeschildes und dem Zuganker vorhandener Ringraum einen Kühlluftströmungskanal definiert. Über den Ringraum kann einem Bereich der Turbomaschine, wie beispielsweise einer Turbineneinheit, bei optimaler Bauraumausnutzung Kühlluft zugeführt werden. Um zu verhindern, dass die Funktionsweise des an der Außenumfangsfläche der Hohlwelle angeordneten Rotorlagers infolge einer Wärmeübertragung von der den Ringraum durchströmenden Kühlluft, deren Temperatur bei Gasturbinen mehrere hundert Grad Celsius betragen kann, auf das Öl des Rotorlagers und damit infolge einer Verkokung des Öls beeinträchtigt wird, ist die Innenumfangsfläche der Hohlwelle zumindest teilweise mit einem rohrartig ausgebildeten Hitzeschild verkleidet, wodurch ein ordnungsgemäßer Betrieb der Turbomaschine gewährleistet wird.

[0005] Gemäß einer Ausgestaltung ist das Hitzeschild aus einem Blech hergestellt. So kann das Hitzeschild beispielsweise kostengünstig mittels Tiefziehen gefertigt sein.

[0006] Bevorzugt sind Abstandshalter vorgesehen, die derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Turbomaschine ein vorbestimmter Luftspalt zwischen dem Hitzeschild und der Innenumfangsfläche der Hohlwelle verbleibt, der eine Luftisolationsschicht definiert. Dank solcher Abstandshalter wird verhindert, dass sich das Hitzeschild während des Betriebs der Turbomaschine aufgrund der entstehenden Fliehkräfte an die Lagerwelle anlegt.

[0007] Vorteilhaft sind die Abstandshalter einteilig mit dem Hitzeschild ausgebildet und insbesondere in Form von Sicken vorgesehen. Entsprechend wird ein sehr kostengünstiger Aufbau mit wenigen Einzelteilen erzielt.

[0008] Zur Befestigung des Hitzeschildes an der Hohlwelle ist das Hitzeschild gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung im Bereich seiner freien Enden mit Gewinden versehen, die mit an der Hohlwelle angeordneten und korrespondierend ausgebildeten Gewinden in Eingriff sind. Auf diese Weise wird eine preiswerte und lösbare Anordnung erzielt. Die Gewinde des Hitzeschildes können einteilig mit dem Hitzeschild ausgebildet sein. Alternativ kann das Hitzeschild aber auch unter Verwendung von mit Gewinden versehenen Stülpringen an der Hohlwelle gehalten sein, die mit an der Hohlwelle angeordneten und korrespondierend ausgebildeten Gewinden Eingriff sind, wobei die Stülpringe, wenn diese mit den an der Hohlwelle vorgesehenen Gewinden verschraubt werden, axial gegen die freien Enden des Hitzeschildes drücken.

[0009] Bevorzugt weitet sich die Durchgangsöffnung der Hohlwelle beidseitig auf, insbesondere konusartig, wobei das Hitzeschild geteilt ausgebildet und von beiden Seiten der Durchgangsöffnung montiert ist.

[0010] Vorteilhaft weisen die Hitzeschildteile an ihren zueinander weisenden Endabschnitten einander radial überlappende Fügebereiche auf, die während der Montage des Hitzeschildes übereinander geschoben werden können, wodurch eine ordnungsgemäße Ausrichtung der Hitzeschildteile zueinander sowie eine ordnungsgemäße Befestigung der Hitzeschildteile aneinander gewährleistet ist.

[0011] Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Turbomaschine gemäß einer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist

Figur 1

eine schematische Schnittansicht eines Teils einer Turbomaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 2

eine vergrößerte Ansicht einer Hohlwelle der in Figur 1 dargestellten Turbomaschine;

Figur 3

eine vergrößerte Ansicht des in Figur 2 mit der Bezugsziffer III gekennzeichneten Ausschnitts;

Figur 4

eine vergrößerte Ansicht des in Figur 2 mit der Bezugsziffer IV gekennzeichneten Ausschnitts;

Figur 5

eine vergrößerte Ansicht des in Figur 2 mit der Bezugsziffer V gekennzeichneten Ausschnitts;

Figur 6

eine vergrößerte Ansicht des in Figur 2 mit der Bezugsziffer VI gekennzeichneten Ausschnitts;

Figur 7

eine vergrößerte Ansicht des in Figur 2 mit der Bezugsziffer VII gekennzeichneten Ausschnitts;

Figur 8

eine vergrößerte Ansicht des in Figur 2 mit der Bezugsziffer VIII gekennzeichneten Ausschnitts;

Figur 9

eine vergrößerte Ansicht des in Figur 2 mit der Bezugsziffer IX gekennzeichneten Ausschnitts; und

Figur 10

eine teilweise geschnittene Explosionsansicht der in Figur 1 dargestellten Hohlwelle, in die ein Hitzeschild gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt ist.

[0012] Die Figuren zeigen einen Teil einer axial durchströmbaren Turbomaschine 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der es sich vorliegend um eine stationäre Gasturbine handelt. Die Turbomaschine 1 umfasst einen Rotor 2, der aus einer Vielzahl von scheiben- oder trommelförmig ausgebildeten Rotorbauteilen 3, 4 und 5 zusammengesetzt ist, die über einen sich durch die Rotorbauteile 3, 4 und 5 erstreckenden Zuganker 6 axial gegeneinander verspannt sind. Die Rotorbauteile 3 tragen an ihrem Außenumfang vorliegend nicht näher dargestellte Schaufeln einer Verdichtereinheit der Turbomaschine 1, während die Rotorbauteile 4 entlang ihres Außenumfangs ebenfalls nicht näher dargestellte Schaufeln einer Turbineneinheit der Turbomaschine 1 aufnehmen. Das zwischen der Verdichtereinheit und der Turbineneinheit angeordnete Rotorbauteil 5 wird durch eine Hohlwelle gebildet, die eine axiale, sich beidseitig konisch aufweitende Durchgangsöffnung 7 aufweist und an deren Außenfläche ein Lagersitz 8 ausgebildet ist, der zur Aufnahme eines vorliegend nicht näher dargestellten Rotorlagers dient, bei dem es sich bevorzugt um ein Gleitlager handelt. Die Innenumfangsfläche 9 der Hohlwelle 5 ist großteils mit einem rohrartig ausgebildeten Hitzeschild 10 verkleidet, wobei ein zwischen dem Hitzeschild 10 und dem Zuganker 6 vorhandener Ringraum 11 einen Kühlluftströmungskanal definiert, durch den der Turbineneinheit während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Turbomaschine 1 in Richtung des Pfeils 12 Kühlluft zugeführt wird.

[0013] Das Hitzeschild 10 umfasst zwei Hitzeschildteile 13 und 14, die vorliegend jeweils aus einem tiefgezogenen Blech hergestellt sind und an einem ihrer freien Enden konisch aufgeweitet sind, wobei die Konturen der konischen Aufweitungen der Hitzeschildteile 13 und 14 im Wesentlichen den Konturen der konischen Aufweitungen der Durchgangsöffnung 7 der Hohlwelle 5 entsprechen. An ihren zueinander weisenden Endabschnitten sind die Hitzeschildteile 13 und 14 jeweils mit im bestimmungsgemäß montierten Zustand einander radial überlappenden Fügebereichen 15 und 16 versehen, die eine Steckverbindung definieren, so dass die besagten Endabschnitte der Hitzeschildteile 13 und 14 axial ineinander gesteckt werden können, wie es in Figur 3 dargestellt ist. Zur Ausbildung eines vorbestimmten Luftspalts zwischen der Innenumfangsfläche 9 der Hohlwelle 5 und des Hitzeschildes 10 sind Abstandshalter 17 vorgesehen, die vorliegend einteilig mit den Hitzeschildteilen 13 und 14 in Form von Sicken ausgebildet sind, die in Richtung der Innenumfangsfläche 9 der Hohlwelle 5 vorstehen. Zur Befestigung der Hitzeschildteile 13 und 14 an der Hohlwelle 5 sind die Hitzeschildteile 13 und 14 im Bereich ihrer freien Enden mit Gewinden 18 versehen, die mit an der Hohlwelle 5 angeordneten und korrespondierend ausgebildeten Gewinden 19 in Eingriff sind.

[0014] Bei der Montage des Rotors 2 werden die Hitzeschildteile 13 und 14 ausgehend von einander gegenüberliegenden Seiten in die Durchgangsöffnung 7 der Hohlwelle 5 eingeführt, wobei die Fügebereiche 15 und 16 ineinander geschoben werden, woraufhin die Gewinde 18 der Hitzeschildteile 13 und 14 mit den Gewinden 19 der Hohlwelle 5 verschraubt werden. Anschließend werden die Rotorbauteile 3, 4 und 5 auf den Zuganker 6 aufgeschoben und anschließend über diesen axial gegeneinander verspannt, um auf diese Weise die in Figur 1 dargestellte Anordnung zu erzeugen.

[0015] Der zuvor beschriebene Aufbau der der Turbomaschine 1 ist insbesondere dahingehend von Vorteil, dass das in die Hohlwelle 5 eingesetzte Hitzeschild 10 eine Wärmeübertragung von der während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Turbomaschine 1 durch den Ringraum 11 geleiteten Kühlluft auf das an der Außenseite der Hohlwelle 5 angeordnete Rotorlager verringert, wodurch einem übermäßigen Anstieg der Öltemperatur des Lageröls und damit einer Verkokung des Öls wirksam entgegengewirkt werden kann. Auf diese Weise wird einem frühzeitigen Verschleiß des Rotorlagers in einfacher und preiswerter Art und Weise entgegengewirkt.

[0016] Figur 10 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Hitzeschildes 20 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das anstelle des Hitzeschildes 10 verwendet werden kann. Das Hitzeschild 20 unterscheidet sich allein dahingehen von dem Hitzeschild 10, dass die freien Enden der Hitzeschildteile 21 und 22 nicht mit einem Gewinde 18 versehen sind. Anstelle dessen sind mit entsprechenden Gewinden 23 versehene Stülpringe 24 vorgesehen, die über die freien Enden der Hitzeschildteile 21 und 22 gestülpt und mit den Gewinden 19 der Hohlwelle 5 verschraubt werden können, um die Hitzeschildteile 21 und 22 axial gegeneinander zu drücken und an der Hohlwelle 5 zu fixieren.

[0017] Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Ansprüche

1. Axial durchströmbare Turbomaschine (1) mit einem Rotor (2),
der eine Vielzahl von scheiben- oder trommelförmig ausgebildeten Rotorbauteilen (3, 4, 5) und zumindest einen sich durch die Rotorbauteile (3, 4, 5) erstreckenden Zuganker (6) umfasst, der die Rotorbauteile (3, 4, 5) axial gegeneinander verspannt,
wobei eines der Rotorbauteile (5) durch eine Hohlwelle gebildet wird, die eine axiale Durchgangsöffnung (7) aufweist und an deren Außenumfangsfläche ein Rotorlager angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Innenumfangsfläche der Hohlwelle (5) zumindest teilweise mit einem rohrartig ausgebildeten Hitzeschild (10; 20) verkleidet ist, und
dass ein zwischen der Innenumfangsfläche des Hitzeschildes (10; 20) und dem Zuganker vorhandener Ringraum (11) einen Kühlluftströmungskanal definiert.

2. Turbomaschine (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Hitzeschild (10; 20) aus einem Blech hergestellt ist.

3. Turbomaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
Abstandshalter (17) vorgesehen sind, die derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Turbomaschine (1) ein vorbestimmter Luftspalt zwischen dem Hitzeschild (10; 20) und der Innenumfangsfläche der Hohlwelle (5) verbleibt.

4. Turbomaschine (1) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abstandshalter (17) einteilig mit dem Hitzeschild (10; 20) ausgebildet und insbesondere in Form von Sicken vorgesehen sind.

5. Turbomaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Hitzeschild (10) im Bereich seinen freien Enden mit Gewinden (18) versehen ist, die mit an der Hohlwelle (5) angeordneten und korrespondierend ausgebildeten Gewinden (19) in Eingriff sind, oder
dass das Hitzeschild (20) unter Verwendung von mit Gewinden (23) versehenen Stülpringen (24) an der Hohlwelle (5) gehalten ist,
wobei die Gewinde (23) mit an der Hohlwelle (5) angeordneten und korrespondierend ausgebildeten Gewinden (19) in Eingriff sind.

6. Turbomaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich die Durchgangsöffnung (7) der Hohlwelle (5) beidseitig aufweitet, insbesondere konusartig, und
dass das Hitzeschild (10; 20) geteilt ausgebildet und von beiden Seiten der Durchgangsöffnung (7) montiert ist.

7. Turbomaschine (1) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hitzeschildteile (13, 14; 21, 22) an ihren zueinander weisenden Endabschnitten einander radial überlappende Fügebereiche (15, 16) aufweisen.

Zeichnung