DE1601664A1

DE1601664A1 - Anordnung fuer den Durchtritt von Gas durch den Mantel eines Rotors

Info

Publication number: DE1601664A1
Application number: DE19681601664
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Peter Bara
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1968-01-10
Filing date: 1968-02-06
Publication date: 1970-08-06
Also published as: BE726726A; FR1597088A; DE1601664B2; CH487337A; NL6802034A; GB1194663A

Description

Beschreibung zum Patentgesuch

der Gebrüder Sulzer? Aktiengesellschaft, lUinterthur, Schweiz

betreffend:

"Anordnung für den Durchtritt von Gas durch den Mantel eines

hohlen Rotors"

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für den Durchtritt i/on Gas durch den Mantel eines hohlen Rotors, in dem, in Umfangsrichtung verteilt, Durchtrittskanäle derart angeordnet sind, daß das Gas innerhalb des Rotors eine Strömungskomponenta radial nach innen besitzt.

Häufig ist as notwendig, in das Innere eines Rotors einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, ein Kphlgas einzuführen, um den Rotor besonders in der Umgebung dar Schaufelbefestigung zu kühlen« Im allgemeinen wird dazu das durch die Maschine geförderte oder verarbeitete Medium, z.B. Luft, Helium oder Cü"2> benutzt. Das Kühlgas kann dabei auf mannigfache Art den zu kühlenden Stellen .und Teilen zugeleitet werden} eine häufig 'verwendete Möglichkeit besteht darin, den Rotor hohl

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zu machen oder, mindestens mit inneren Zwischenräumen zu versehen, in die das Kühlmedium eingespeist wird, um es dann den tueiter außen gelegenen Rotorpartien, also z.B. gerade den Schaufelbefestigungen zuzuführen.

Bei der Einspeisung des Kühlmediums in das Innere des Rotors stellt sich nun das Problem, den Druckabfall des Kühlmediums bei dieser Einspeisung möglichst gering zu halten, um möglichst wenig von der Leistung, die vorher zur Erzeugung des Druckes des Kühlmediums aufgewendet werden mußte, durch Drosselung zu verlieren; eine Vergrößerung der Querschnitte der Durchtrittskanäle wäre dabei häufig konstruktiv ungünstig.

Sind die Durchtrittskanäle in einer zur Drehachse des Rotors senkrechten Fläche angeordnet, so bereitet die Reduktion des Druckverlustes keine besonderen Schwierigkeiten. Sehr oft besteht aus baulichen Gründen jedoch nicht die Möglichkeit, das Kühlmedium durch diese senkrechte Fläche eintreten zu lassen. Die Durchtrittsöffnungen müssen dann in z.B. zylindrischen oder konischen Flächen des Rotors so angeordnet werden, daß das Kühlmedium innerhalb des Rotors eine Strömungskomponente auf die Drehachse hin besitzt· Da der Rotor sowohl dem Kühlmedium im Außenraum als auch demjenigen im Bereich der Öffnungen und im Innenraum des Rotors einen mehr oder weniger starken Geschwindigkeitsanteil in Umfangsrichtung erteilt und ein solcher Anteil nach den bekannten Grundgesetzen dar Strömungslehre einen radial nach außen ansteigenden Druck zur Folge hat, muß im Außenraum ein erheblich höherer Druck als im Innenraum erzeugt werden, um die Einspeisung des Kühlmediums in das Innere gegen die Zentrifugalwirkung des drehenden Rotors zu ermöglichen. Diese Bedingung überlagert sich zusätzlich den Druckverlusten, die mit dem Umlenken und Beschleunigen der

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Strömung beim Eintritt in die Durchtrittskanäle verbunden sind.

Es ist Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zu schaffen, durch die der Druckabfall über die Durchtrittskanäle auf einfache Art wesentlich vermindert werden kann. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in dem den Rotor umgebenden freien Raum unmittelbar vor den Durchtrittskanälen, ebenfalls in Urrifangsrichtung verteilt, mindestens zuiei feste radiale Rippen angeordnet sind, die in radialer Richtung mindestens bis zur halben radialen Breite in den freien Raum hineinragen. Die mit der Erfindung erzielte Wirkung, die experimentell nachgewiesen werden konnte, kann dadurch erklärt werden, daß durch die in dem Raum vor den Durchtrittskanälsn angeordneten Rippen die ungehinderte Strömung in Umlaufrichtung des Rotors gestört oder sogar verhi ^rt t*.rd, und daß dabei Sekundärströmungen hervorgerufen warden, die dio Zuströmung zu den Üurchtrittskanälsn verbessern, so daß die beim Durchströmen auftretenden Drosselverluste vermindert werden.

Die Anzahl der erfindungsgemäß angeordneten Rippen ist ' selbstverständlich nicht auf zwei beschränkt, sie kann, wie sich bei einer V.ersuchsmaschine ergeben hat, vorzugsweise auf sechs bis acht erhöht werden. Weiterhin ist ihre Erstreckung in Richtung über die halbe radiale Breite des freien Raumes • hinaus nur durch das notwendige Spiel begrenzt, das ein Streifen des Rotors verhindern soll, Ihre Form kann in weiteren Grenzen beliebig sein, so daß sie ein parallelwandiges, verjüngtes, rundes oder irgendein anderes geeignetes Profil besitzen können. In axialer Richtung der Maschine soll die Länge des Rippen mindestens den halben Öffnungsquerschnitt der Durchtrittskenäle, gemessen in Richtung einer Mantellinie des Rotors, überdecken.

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Die Zuführung des Gases zu den Durchtrittskanälen kann dabei im Außenraum sowohl in radialer als auch in axialer Richtung erfolgen, wobei es bei axialer Zuströmung besonders vorteilhaft ist, wenn das Kühlgas eine liieglänge, die mindestens einem Drittel des Rotordurchmessers entspricht, in axialer Richtung durchströmt, ehe es zu den Durchtrittskanälen gelangt. Die genannte axiale Zuströmung hat den Vorteil, daß sich bei dem Einströmen des Gases in den Außenräumen entstehende Störungen vor den Durchtrittskanälen weitgehend beruhigen können und so eine relativ/ gleichmäßige Strömung zu diesen Kanälen gelangt.

Die Durchtrittskanäle in dem Rotor können in ihrem Querschnitt als radiale, geneigte oder gekrümmte, kreisrunde Öffnungen oder eckige Schlitze ausgebildet sein, uiobei bei geneigten oder gekrümmten Ausführungsformen die Mittellinien bzw. die Tangenten an die lYlittellinien der Durchtrittskanäle mit der in Drehrichtung positiv angenommenen Umfangsrichtung vorteilhafterweise einen spitzen U/inkel einschließen.

Die Einströmung des Gases aus dem Außenraum in die Durchtrittskanäle kann zusätzlich verbessert uierden, wenn die Eintrittskanten der Durchtrittskanäle abgerundet sind» Die Herstellung besonders der gekrümmten Durchtrittskanäle mit eckigem Querschnitt kann dadurch verbessert werden, daß der Rotor an der Stelle der Durchtrittskanäle senkrecht zu seiner Achse geteilt ist.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele. In der Zeichnung zeigen:

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Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung bei einem

Gasturbinenrotor, von dem nur ein Ausschnitt dargestellt ist, in einem Längsschnitt durch die Maschinenachse,

Fig. 2 den Schnitt II-II von Fig. 1, wobei verschiedene Profilformen der erfindungsgemäßen Rippen gezeigt sind,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform,

Fig. 4 verschiedene Möglichkeiten für die Ausbildung der Durchtrittskanäle in einem Schnitt senkrecht zur Aflaschinenachse und

Fig. 5 ein Diagramm, das die überraschende, experimentell ermittelte Wirkung der Erfindung verdeutlicht.

Der aus dem Nabenkörper 2 und mehreren Laufrädern 3, die die Rotorschaufeln 5 tragen, zusammengesetzte Rotor einer Gasturbine luird durch den Zuganker 1 zusammengehalten, der mit dem Gewinde 8 in dem Nabenkörper 2 verschraubt ist. Der Nabenkörper 2 und die Laufräder 3, "von denen nur eins gezeigt ist, sind dabei in bekannter Weise durch Stirnverzahnungen 9 relativ zueinander fixiert.

Durch den feststehenden Teil 12 ist der Strömungskanal 6 für das Kühlgas an der Außenseite des Rotors von dem Strömungskanal 29 des arbeitsleistenden Gases getrennt, das den Schaufeln 5 zugeführt wird. Aus konstruktionsbedingten Platzgründen ist es unmöglich, die Durchtrittskanäle 4 in der Stirnseite des

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Nabenkörpers 2 anzubringen. Diese Kanäle 4, die eine Breite oder einen Durchmesser 17 besitzen, sind daher in dem in Fig. leicht konisch ausgebildeten Übergang 30 zur IKlantelflache 31 des hohlen Teiles des Rotors angeordnet. Durch eine Labyrinthdichtung 32 ist der Strömungskanal 6 für das Kühlgas gegen den Kanal 29 für das Arbeitsgas abgedichtet.

UJi'e durch Pfeile angedeutet, uiird das Kühlgas bei einer derartigen Anordnung der Durchtrittkanäle 4 im Innenraum 7 des Rotors zu einer Strömung in Richtung auf die Rotorachse gezwungen, ehe es nach Umströmung des Ansatzes 33 des Nabenkörpers 2 bzw. der Laufradkörper der Laufräder 3 zur Kühlung der LaufSchaufelbefestigungen mieder nach außen strömen kann.

Im Beispiel nach Fig. 1 erfolgt die Zuführung des Kühlgases im Kanal 6 in Achsrichtung der maschine, wobei der Kanal 6 vor den Kanälen 4 mindestens eine Strecke s, die größer ist als ein Drittel des Rotordurchmessers r im Bereich der Kanäle 4, axial verläuft.

Für die Lösung der geschilderten Erfindungsaufgabe sind in den Kanälen 6 unmittelbar vor den Durchtrittskanälen 4 des Rotors Rippen 13 angebracht, die sehr weitgehend in die radiale Breite das Kanals 6 hineinragen und in axialer Richtung die ganze Breite bzui. den ganzen Durchmesser 17 der Kanäle 4 überdecken.

Wie Fig. 2 zeigt, entstehen dadurch zwischen den einzelnen Rippen 13, von denen über den Umfang etiua sechs bis acht verteilt sind, einzelne Kammern 18, durch die, mis ermähnt, die Umfangskomponente des Kühlgasstromes gestört und unterbrochen wird. In den Kammern 18 entstehen dabei Sekundärströmungen,

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deren Verlauf jedoch nicht näher angegeben werden kann. Durch die erfindungsgemäße Anbringung der Rippen 13 tritt die überraschende Wirkung auf, daß der Druckabfall, gemessen zwischen einer Stelle des Kanals 6 und einer Stelle des Innenraumes 7, erheblich erniedrigt uiird.

Diese Erniedrigung zeigt Fig. 5, in der als Ordinate der Druckabfall ^ P gegen den Hlassenstrom IYl des Kühlmediums aufgetragen ist. Die Kurve 10 verbindet dabei die Meßwerte einer
lYlaschine ohne die erfindungsgemäßen Rippen 13, mährend die
Kurve 11 den Druckabfall ^P für die gleiche lYlaschine wiedergibt, wenn sechs Rippen 13 gleichmäßig über den Umfang verteilt eingebaut sind. Die mit der Erfindung erreichte Verminderung des Druckabfalles Δ B geht aus Fig. 5 deutlich hervor und bedarf keiner weiteren Erläuterung.

Fig. 2, in der die DrshricfV ig des Rotors r^urch einen
Pfeil angedeutet ist, zeigt verschiedene Querschnittsprofile
für die Rippen 13j diese Profile sind entweder parallelwandig 14, verjüngt 15 oder rund,16, wobei selbstverständlich in einer faschine nur eine Art dieser Profile vorhanden sein muß.

Die Durchtrittskanäle 4 besitzen in Fig. 2 einen z.B.
kreisförmigen Querschnitt und sind in Drehrichtung des Rotors von der radialen Richtung derart nach vorn geneigt, daß ihre
Mittellinie 20 mit dem in Drehrichtung vor ihr liegenden Umfang des Rotors bzw. mit einer am Schnittpunkt zwischen Mittellinie 20 und äußerem Rotorumfang angelegten Tangente einen
spitzen Winkel 25 bildet.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der Strömungskanal 6 in den feststehenden Teil 12 eingebaut. Die Zuführung

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des Gases aus dem Kanal 6 in den Innenraum 7 des Rotors erfolgt hier in radialer Richtung durch Öffnungen 27 im Teil 12 und die in diesem Beispiel als eckige Schlitze ausgebildeten Kanäle Diese Kanäle sind in der Hfiantelflache des Rotors zwischen den Labyrinthdichtungen 28 und 32 angeordnet. In dem freien Raum zwischen den Öffnungen 27 und den Kanälen 4 befinden sich wiederum die Rippen 13, die in radialer Richtung diesen Raum weitgehend ausfüllen.

Der Schnitt der Fig. 4 zeigt im linken Teil Durchtrittskanäle 4 mit kreisrundem oder eckigem Öffnungsquerschnitt, die radial oder schräg verlaufende Mittellinien 19 bztu. 20 besitzen, wobei die geneigten Mittellinien 20 mit der Umfangsrichtung des Rotors wiederum den spitzen Winkel 25 einschließen.

Eine besonders günstige, jedoch (jerstellungsmäßig auf wendige Ausbildung der Kanäle 4 ist auf der rechten Seite der Fig. 4 dargestellt. Hier sind dia Kanäle 4 als gekrümmte Schlitze 22 ausgeführt, deren Eintrittskanten 26 aus strömungs technischen Gründen abgerundet sind. Die Tangente 23 an die gekrümmte Mittellinie 24 schließt mit der Umfangsrichtung des Rotors wiederum den spitzen UJinkel 25 ein. Die Herstellung der gekrümmten Schlitze 22, die nur bei hochwertigen maschinen angewendet werden, wird fabrikatorisch erleichtert, wenn dir Rotor an der Steile dar Schlitze 22 senkrecht zu eainer Achs* in 2«uei Teile 2 und 31 (Fig. 3) geteilt ist.

Selbstverständlich ist die Antuendung der Erfindung nicht; auf Gasturbinen beschränkt, sondern die Erfindung kann bei irgendwelchen Maschinen angewendet werden, bei denen die Aufgabe beetefit, ein medium mit möglichst geringem Druckabfall dursh Dürchtiittakanäle, die so angeordnet eind* defl sich b»i d«"»*! öu*eh»trß«Äir dna tttfd$üi';4«r^:'f!to^ Innere «inea Botöre zu bringen·

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ORIGINAL INSPECTED

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Claims

Patentansprüche

Unordnung für den Durchtritt von Gas durch den Mantel eineVj*uhlen Rotors, in dem, in Umfangsrichtung verteilt, Durchtrittskanäle derart angeordnet sind, daß das Gas innerhalb des Rotors eine Strömungskomponente radial nach innen besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem den Rotor umgebenden freien Raum unmittelbar vor den Durchtrittskanälen (4), ebenfalls in Umfangsrichtung verteilt, mindestens zwei feste radiale Rippen (13) angeordnet sind, die in radialer Richtung mindestens bis zur halben radialen Breite in den freien Raum hineinragen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des Gases zu den Durchtrittskanälen (4) in axialer Richtung so erfolgt, daß es vor den Durchtrittskanälen (4) eine Uleglänge (s) durchströmt, die mindestens einem Drittel des Rotordurchmessers (r) entspricht.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittskanäle (4,22) im Rotor derart geneigt oder gekrümmt sind, daß ihre Mittellinien (20) bzu/. die Tangente (23) an ihre Mittellinien (24) mit der in Drehrichtung positiv gerechneten Umfangsrichtung einen spitzen Ulinkei (25) einschließen.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittskanten (26) der Durchtrittskanäle (22) abgerundet sind. .
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor an der Stelle der Durchtrittskanäle (4,22) senkrecht zu seiner Achse geteilt ist.

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