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WO2008141609A2 - Gasturbine - Google Patents

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WO2008141609A2
WO2008141609A2 PCT/DE2008/000758 DE2008000758W WO2008141609A2 WO 2008141609 A2 WO2008141609 A2 WO 2008141609A2 DE 2008000758 W DE2008000758 W DE 2008000758W WO 2008141609 A2 WO2008141609 A2 WO 2008141609A2
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shaft
rotor
gas turbine
cone
interior
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Wilfried Weidmann
Moritz Wirth
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MTU Aero Engines AG
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MTU Aero Engines GmbH
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/081—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
    • F01D5/082—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades on the side of the rotor disc
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/12—Cooling
    • F01D25/125—Cooling of bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/025—Fixing blade carrying members on shafts

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine having a rotor, which comprises a turbine rotor, a shaft and a compressor rotor and in the case of a multi-shaft gas turbine is part of the low-pressure system, wherein the turbine rotor has at least one bladed rotor disk and a rotor cone leading from the shaft or a rotor shaft, and wherein the downstream end of the shaft is rotatably supported in a bearing with bearing chamber, according to the preamble of claim 1.
  • Future engine concepts require high-speed low-pressure turbines with high AN 2 , high turbine inlet temperatures and compact, short design to meet the required specifications.
  • CAVITY cavity between the last turbine stage and the turbine exhaust housing (TEC).
  • TEC turbine exhaust housing
  • the cone of the rotor connection is acted upon on both sides with air at different temperatures.
  • the temperature of the blade cooling air prevails, and behind the shaft connection at the turbine outlet housing (TEC), the temperature of the bearing blockage air. This results in temperature differences with high thermal stresses in the rotor cone and the associated rotor disk.
  • the object of the invention is to propose a gas turbine with a rotor comprising a turbine rotor, a shaft and a compressor rotor and in the case of a multi-shaft gas turbine part of the low pressure system, wherein a thermally balanced design in the region of the turbine rotor and its shaft connection high life is achieved.
  • the shaft in the region of the connection of the rotor cone, has an expansion with an enlarged inner and outer diameter, openings for the entry of cooling air into the widened interior of the shaft at its upstream end, and openings for the exit of the shaft at its downstream end Cooling air in the space between the storage chamber and rotor cone are present.
  • the extended interior of the shaft is sealed against the continuous interior of the shaft with a wall for separating cooling and sealing air. This ensures that the rotor cone and the associated running disk are subjected to cooling air at about the same temperature on both sides in the sense of a thermal compensation. A possibly exiting from the bearing chamber, the cooling air blended small amount of purging air at a lower temperature plays no significant role.
  • FIG. 1 is a partial longitudinal section through a turbine rotor with shaft connection and storage with conventional air flow
  • Fig. 2 is a partial longitudinal section through a turbine rotor with shaft connection, storage and air duct according to the present invention.
  • the turbine rotor 2 in FIG. 1 comprises three bladed running disks 6, 7 and 8. From the middle running disk 7, a rotor cone 10 leads to the associated shaft 12 and is flanged thereto.
  • the shaft 12 is rotatably supported at its downstream end in a bearing 14.
  • the bearing 14 is arranged in a bearing chamber 16, which in turn is part of a turbine outlet housing 18.
  • the bearing chamber 16 is non-hermetically sealed by means of two axially spaced seals 41, 42.
  • cooling air 22 flows.
  • sealing air 20 is guided with a relation to the cooling air 22 significantly lower temperature.
  • the sealing air 20 is guided out of the shaft 12 between the seals 41, 42 and flows partly into the bearing chamber 16, partly into the space between the turbine rotor 2 and the turbine outlet housing 18.
  • upstream of the rotor cone 10 and downstream therefrom are different Air temperatures, which leads to thermal stresses and a shortened life of the rotor connection.
  • the solution according to the invention according to FIG. 2 is characterized by design changes, which lead to a change in the air temperature distribution.
  • three running wheels 3, 4 and 5 can be seen.
  • With the rearmost disk 5 a leading to the associated shaft 11 rotor cone 9 is integrally connected.
  • the Ro- Torkonus 9 is detachably connected to the shaft 11.
  • the connection 33 (see arrow) is accomplished in the case shown via a toothing 34, two press fits 35, 36, an axial stop 37 and a screw 38.
  • the shaft 11 has in the region of the connection 33 an expansion 27 with an enlarged inner and outer diameter.
  • In the space 23 upstream or outside of the rotor cone 9 and radially outside the shaft 11 is cooling air 21 with elevated temperature.
  • sealing air 19 flows at a lower temperature.
  • cooling air 21 can enter the shaft interior.
  • openings 29 at the downstream end of the widening 27 the same cooling air 21 can again emerge from the shaft interior and enter the space 24 downstream of the rotor cone 9.
  • a separating wall 31, here in the form of a socket is installed.
  • annular interior 26 is only with the spaces 23 and 24 in direct communication.
  • the flow of sealing air 19 is concentrated in the illustrated case by means of a central tube 32 on the outer circumference of the inner space 25, which is not absolutely necessary.
  • the sealing air 19 is known manner via openings 30 out of the shaft between two axially spaced seals 39, 40, here in the form of brush seals, passed. From there, a portion of the sealing air 19 enters the interior of the storage chamber 15 of the bearing 13. The other part of the sealing air 19 enters via the non-hermetic seal 39 in the space 24 and mixes there with cooling air 21. Since the from the openings 29 exiting cooling air flow is considerably greater than the exiting from the seal 39 blocking air flow, deviates the resulting mixing temperature in the space 24 only slightly from the starting temperature of the cooling air 21. This ensures that both sides of the rotor cone 9, the connection 33 and the running disk 5 is about the same temperature.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Gasturbine mit einem Rotor, der einen Turbinenrotor (1), eine Welle (11) und einen Verdi chterrotor umfasst, wobei der Turbinenrotor mindestens eine Lauf scheibe (3,4,5) und einen von der oder einer Lauf Scheibe zur Welle führenden Rotorkonus (9) aufweist, wobei das stromabwärtige Ende der Welle in einem Lager (13) mit Lagerkammer (15) drehbar abgestützt ist, wobei der Innenraum (25) der Welle als Strömungskanal • für Lagerkammersperrluft ausgeführt ist, und wobei der den Rotorkonus stromaufwärts umgebende Raum als Strömungsraum für Kühlluft (21) ausgeführt ist. Die Welle weist im Bereich der Rotoranbindung (33) eine Aufweitung (27) auf, an deren stromaufwärtigem Ende Öffnungen (28) für den Eintritt von Kühlluft, und an deren stromabwärtigem Ende Öffnungen für den Austritt von Kühlluft in den Raum (24) zwischen Lagerkammer und Rotorkonus vorhanden sind, wobei eine Wand (31) die Ströme der Kühlluft und der Sperrluft (19) im Welleninneren voneinander trennt.

Description

Gasturbine
Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einem Rotor, der einen Turbinenrotor, eine Welle und einen Verdichterrotor umfasst und im Falle einer mehrwelligen Gasturbine Teil des Niederdrucksystems ist, wobei der Turbinenrotor mindestens eine beschaufelte Laufscheibe und einen von der oder einer Laufscheibe zur Welle führenden Rotorkonus aufweist, und wobei das stromabwärtige Ende der Welle in einem Lager mit Lagerkammer drehbar abgestützt ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zukünftige Triebwerkskonzepte benötigen zur Erfüllung der geforderten Spezifikationen schnell laufende Niederdruckturbinen mit hohem AN2, hohen Turbineneintrittstemperaturen und kompakten, kurzen Bauweisen. Zur Vermeidung von Heißgaseinbruch aus dem Hauptstrom, und um den Lagerschub am Festlager des Niederdrucksystems einzustellen, ist es notwendig, den Hohlraum (CAVITY) zwischen der letzten Turbinenstufe und dem Turbinenaustrittsgehäuse (TEC) mit Luft zu beaufschlagen. Zur optimalen Gestaltung dieser Turbinenscheibe ist ein thermisch ausgeglichenes Design (Vermeidung von axialen Temperaturgradienten) erforderlich. Diese Luft wird bei ausgeführten Niederdruckturbinen üblicherweise am Niederdruckverdichter abgezapft und durch die Niederdruckturbinenwelle zur hinteren TEC-Lagerkammer geführt. Diese Luft wird als Sperrluft am Lager und zur Belüftung der hinteren CAVITY verwendet. Bedingt durch die limitierte Sperrlufttemperatur (Ölfeuer, Verkoken etc.) ist die Temperatur dieser Sperrluft deutlich kälter als die Kühlluft, mit welcher die gegenüberliegende Seite der Laufscheibe beaufschlagt wird. Dadurch entsteht ein axialer Temperaturgradient über der Scheibe, welcher eine gewichtsoptimierte Gestaltung der Laufscheibe der Rotoranbindung erschwert. Bedingt durch die für schnelllaufende Triebwerkskonzepte notwendigen, weit nach innen gezogenen Scheibenkörper und die kompakte Bauweise, ist nur ein sehr kurzer Rotorkonus zur Anbindung an der Welle möglich. Durch diese reduzierte Abklinglänge ist die mechanische Auslegung (LCF- Lebensdauer) schwierig. Im Besonderen ist ein starker Temperaturgradient über den Rotorkonus der Wellenanbindung und an der zugehörigen Scheibe nicht mehr akzeptabel. Die Luftführung bei einer konventionellen Niederdruckturbine ist beispielsweise in Fig. 1 dargestellt. Dabei wird der Konus der Rotoranbindung beidseitig mit Luft unterschiedlicher Temperatur beaufschlagt. Vor der Wellenanbindung herrscht die Temperatur der Laufschaufelkühlluft, hinter der Wellenanbindung am Turbinenaustrittsgehäuse (TEC) die Temperatur der Lagersperrluft. Daraus ergeben sich Temperaturunterschiede mit hohen Thermospannungen im Rotorkonus und der zugehörigen Laufscheibe.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Gasturbine mit einem Rotor vorzuschlagen, der einen Turbinenrotor, eine Welle und einen Verdichterrotor umfasst und im Falle einer mehrwelligen Gasturbinen Teil des Niederdrucksystems ist, wobei durch ein thermisch ausgeglichenes Design im Bereich des Turbinenrotors und seiner Wellenanbindung eine hohe Lebensdauer erzielt wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen dessen Oberbegriff. Dabei weist die Welle im Bereich der Anbindung des Rotorkonus eine Aufweitung mit einem vergrößerten Innen- und Außendurchmesser auf, an deren stromaufwärtigem Ende Öffnungen für den Eintritt von Kühlluft in den erweiterten Innenraum der Welle, und an deren stromabwärti- gem Ende Öffnungen für den Austritt von Kühlluft in den Raum zwischen Lagerkammer und Rotorkonus vorhanden sind. Der erweiterte Innenraum der Welle ist gegenüber den durchgehenden Innenraum der Welle mit einer Wand zur Trennung von Kühl- und Sperrluft abgedichtet. Dadurch wird erreicht, dass der Rotorkonus und die zugehörige Laufscheibe im Sinne eines thermischen Ausgleichs beidseitig mit Kühlluft etwa gleicher Temperatur beaufschlagt werden. Eine ggf. aus der Lagerkammer austretende, der Kühlluft zugemischte kleine Sperrluftmenge mit geringerer Temperatur spielt dabei keine maßgebliche Rolle.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der gattungsbildende Stand der Technik und die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren noch näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:
Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch einen Turbinenrotor mit Wellenanbindung und Lagerung mit konventioneller Luftführung,
Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch einen Turbinenrotor mit Wellenanbindung, Lagerung und Luftführung gemäß vorliegender Erfindung.
Der Turbinenrotor 2 in Figur 1 umfasst drei beschaufelte Laufscheiben 6, 7 und 8. Von der mittleren Laufscheibe 7 führt ein Rotorkonus 10 zu der zugehörigen Welle 12 und ist an dieser angeflanscht. Die Welle 12 ist an ihrem stromabwärtigen Ende in einem Lager 14 drehbar abgestützt. Das Lager 14 ist in einer Lagerkammer 16 angeordnet, die wiederum Teil eines Turbinenaustrittsgehäuses 18 ist. Am Welleneintritt ist die Lagerkammer 16 mittels zweier axial beabstandeter Dichtungen 41, 42 nicht-hermetisch abgedichtet. In dem Raum radial außerhalb der Welle 12 und stromaufwärts des Rotorkonus 10 strömt Kühlluft 22. Durch die Verwendung zur Schaufelkühlung im Hochtemperatur- und Hochdruckbereich weist diese eine erhöhte, aber immer noch zu Kühlzwecken geeignete Temperatur auf. Durch das Innere der Welle 12 wird Sperrluft 20 mit einer gegenüber der Kühlluft 22 deutlich niedrigeren Temperatur geführt. Die Sperrluft 20 wird aus der Welle 12 heraus zwischen die Dichtungen 41, 42 geführt und strömt zum Teil in die Lagerkammer 16, zum Teil in den Raum zwischen dem Turbinenrotor 2 und dem Turbinenaustrittsgehäuse 18. Somit liegen stromaufwärts des Rotorkonus 10 und stromabwärts von diesem unterschiedliche Lufttemperaturen vor, was zu Thermospannungen und einer verkürzten Lebensdauer der Rotoranbindung führt.
Demgegenüber zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung nach Fig. 2 durch konstruktive Änderungen aus, welche zu einer geänderten Lufttemperaturverteilung führen. Von dem Turbinenrotor 1 sind drei Laufscheiben 3, 4 und 5 erkennbar. Mit der hintersten Laufscheibe 5 ist ein zur zugehörigen Welle 11 führender Rotorkonus 9 integral verbunden. Der Ro- torkonus 9 ist mit der Welle 11 lösbar verbunden. Die Anbindung 33 (siehe Pfeil) wird im dargestellten Fall über eine Verzahnung 34, zwei Presssitze 35, 36, einen axialen Anschlag 37 sowie eine Verschraubung 38 bewerkstelligt. Die Welle 11 weist im Bereich der Anbindung 33 eine Aufweitung 27 mit vergrößertem Innen- und Außendurchmesser auf. In dem Raum 23 stromaufwärts bzw. außerhalb des Rotorkonus 9 und radial außerhalb der Welle 11 befindet sich Kühlluft 21 mit erhöhter Temperatur. Im Innenraum 25 der Welle 11 strömt demgegenüber Sperrluft 19 mit niedrigerer Temperatur. Durch Öffnungen 28 am stromaufwärtigen Ende der Aufweitung 27 kann Kühlluft 21 in das Welleninnere eintreten. Durch Öffnungen 29 am stromabwärtigen Ende der Aufweitung 27 kann die selbe Kühlluft 21 wieder aus dem Welleninneren austreten und in den Raum 24 stromabwärts des Rotorkonus 9 eintreten. Damit sich die Sperrluft 19 und die Kühlluft 21 im Welleninneren nicht vermischen, ist eine trennende Wand 31 , hier in Form einer Buchse, installiert. Somit steht der zwischen der Wand 31 und der Aufweitung 27 befindliche, ringförmige Innenraum 26 nur mit den Räumen 23 und 24 in direkter Verbindung. Der Strom der Sperrluft 19 wird im dargestellten Fall mittels eines zentrischen Rohres 32 am Außenumfang des Innenraumes 25 konzentriert, was nicht zwingend erforderlich ist. Die Sperrluft 19 wird bekannter Weise über Öffnungen 30 aus der Welle heraus zwischen zwei axial beabstandete Dichtungen 39, 40, hier in Form von Bürstendichtungen, geleitet. Von dort gelangt ein Teil der Sperrluft 19 in das Innere der Lagerkammer 15 des Lagers 13. Der andere Teil der Sperrluft 19 tritt über die nicht-hermetische Dichtung 39 in den Raum 24 ein und mischt sich dort mit Kühlluft 21. Da der aus den Öffnungen 29 austretende Kühlluftstrom erheblich größer als der aus der Dichtung 39 austretende Sperrluftstrom ist, weicht die sich ergebende Mischtemperatur im Raum 24 nur unwesentlich von der Ausgangstemperatur der Kühlluft 21 ab. Dadurch wird erreicht, dass beiderseits des Rotorkonus 9, der Anbindung 33 sowie der Laufscheibe 5 etwa die gleiche Temperatur herrscht. Somit werden Thermospannungen in der erfindungsgemäßen Rotoranbindung auf ein Minimum reduziert, die Lebensdauer wird gegenüber den bekannten Lösungen erheblich erhöht. Der mechanisch höchst kritische Rotorkonus 9 kann ohne Durchbrüche, Bohrungen etc. ausgeführt werden. Die Öffnungen 28 und 29 im Bereich der stabilen Aufweitung 27 der Welle 11 sind demgegenüber unkritisch. Abschließend sei noch erwähnt, dass das Turbinenaustrittsgehäuse 17 in Fig. 2 nur minimal angedeutet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Gasturbine mit einem Rotor, der einen Turbinenrotor (1), eine Welle (11) und einen Verdichterrotor umfasst und im Falle einer mehrwelligen Gasturbine Teil des Niederdrucksystems ist, wobei der Turbinenrotor (1) mindestens eine beschaufelte Laufscheibe (3, 4, 5) und einen von der oder einer Laufscheibe (5) zur Welle (11) führenden Rotorkonus (9) aufweist, wobei das stromabwärtige Ende der Welle (11) in einem Lager (13) mit Lagerkammer (15) drehbar abgestützt ist, wobei der Innenraum (25) der Welle (11) als zur Lagerkammer (15) führender Strömungskanal für Sperrluft (19) ausgeführt ist, und wobei der den Rotorkonus (9) stromaufwärts umgebende Raum (23) als Strömungsraum für zur Laufschaufelkühlung verwendete Kühlluft (21) ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (11) im Bereich der Anbindung (33) des Rotorkonus (9) eine Aufweitung (27) mit einem vergrößerten Innen- und Außendurchmesser aufweist, an deren stromaufwärtigem Ende Öffnungen (28) für den Eintritt von Kühlluft (21) in den erweiterten Innenraum (26) der Lagerkammer (15), und an deren stromabwärtigem Ende Öffnungen (29) für den Austritt von Kühlluft (21) in den Raum (24) zwischen Lagerkammer (15) und Rotorkonus (9) vorhanden sind, und dass der erweitere Innenraum (26) gegenüber dem durchgehenden Innenraum (25) der Welle (11) mit einer Wand (31) zur Trennung von Kühl- (21) und Sperrluft (19) abgedichtet ist.
2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerkammer (15) Teil eines stromabwärts des Turbinenrotors (1) angeordneten Turbinenaustrittsgehäuses (17) ist.
3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum (25) der Welle (11) koaxial mit radialem Abstand ein Rohr (32) zur Bildung eines ringförmigen Strömungskanals für die Sperrluft (19) angeordnet ist.
4. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal für die Sperrluft (19) durch Öffnungen (30) in der Welle (11) radial nach Außen zwischen zwei axial beabstandete, nicht-hermetische Dichtungen (39, 40), z.B. in Form von Bürstendichtungen, der Lagerkammer (15) fuhrt.
5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkonus (9) auf der Aufweitung (27) der Welle (11) über eine in Umfangsrichtung formschlüssige Verzahnung (34), über axial beiderseits der Verzahnung (34) angeordnete Presssitze (35, 36), über einen axialen Anschlag (37) sowie über eine axial wirkende Verschraubung (38) befestigt ist.
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