EP0028217A1 - Rotor for a thermic turbomachine - Google Patents

Abstract

The invention relates to a rotor for an exhaust gas turbine. It is known that the rotor blades (3), fitted with pine-tree roots, are mounted on discs (32, 34, 37) which have cooling channels (40). Two elastic spacer pieces (26, 27, 35, 36), of annular shape, are in each case forged together on both sides of each of the discs (32, 34, 37). The said spacer pieces are connected to one another by means of a double cone (33). The discs (32, 34, 37) with the elastic spacer pieces (26, 27, 35, 36) are screwed by clamping bolts (6) to the two end pieces (23, 29) which each have an elastic spacer piece (25, 41). The surface created by the spacer pieces (35, 36) is used as a sealing surface for the intermediate base (39) of the guide vane (38). One version consists of arranging a further disc (30), between two discs (32, 37), with the intermediate base for the guide vanes, which disc is provided with one double cone connection (33) on each of the two sides for the elastic spacer pieces (26, 27). By means of the elastic spacer pieces (26, 27, 35, 36), on the one hand, the power is transmitted from one disc (32, 34, 37) to the next, and, on the other hand, as a result of the elasticity of the spacer pieces (26, 27, 35, 36) the latter will not fail in the event of different temperatures of the individual rows of rotor blades (3). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine thermische Turbomaschine, insbesondere für eine die Abgase chemischer oder petrochemischer Prozesse verwertenden Industrie-Abgasturbine, der aus einzelnen Scheiben und zwei Wellenstummeln aufgebaut und durch axiale Spannbolzen zusammengespannt ist. Bei der Konstruktion von Rotoren und Gasturbinen besteht das Problem, daß einzelne Teile des Rotors nahezu kalt auf Kühllufttemperatur bleiben, wie der Ausgleichskolben und die Niederdruckaustrittsseite, während andere Teile nahezu auf die Heißgastemperatur erwärmt werden. Es ist dies besonders die erste Scheibe der Gasturbine in der die höchste Temperatur herrscht. Auch wenn eine Rotor- und Schaufelkühlung vorhanden ist, so erreicht diese Scheibe Temperaturen im Bereich von 500 - 600° C, erleidet also wesentliche Dehnungen gegenüber den kaltbleibenden Teilen, die auf Kühllufttemperatur im Bereich von 200 - 300°C verbleiben. Dies ist dadurch bedingt, daß die Schaufeln eine sehr hohe Wärmeübergangszahl aufweisen, so daß die Schaufeln nach wenigen Sekunden bzw. Minuten nach Anfahren der Turbine auf Gastemperatur kommen und von dort aus eine Einleitung der Wärme in den Schaufelfuß und von dort weiter in die Rotorkonstruktion erfolgt. Bei einem Trommelrotor wie er im Dampfturbinenbau allgemein üblich ist, besteht bei der Anwendung im Gasturbinenbau das Problem, diese Wärmemengen abzuführen so daß keine zu großen Temperaturdifferenzen in der Rotortrommel entstehen, da sonst die Wärmespannungen zu hoch werden. Dies kann gemäß der AT-PS Nr. 290927 erfolgen. Bei dieser Anordnung besteht jedoch der Nachteil, daß bei höheren Gastemperaturen eine besondere Dämmung des Härmezuflusses vom Schaufelblatt in den Schaufelfuß, vorzugsweise einen Tannenbaum, durch einen sogenannten verlängerten Fuß erfolgen muß. Außerdem muß die Kühlung so bemessen sein, daß ein Großteil der Wärmemenge, die über die Schaufel eingeleitet wird, abgeführt werden kann, was große Kühlluftmengen bedingt.The invention relates to a rotor for a thermal turbomachine, in particular for an industrial exhaust gas turbine utilizing the exhaust gases of chemical or petrochemical processes, which is constructed from individual disks and two shaft ends and is clamped together by axial clamping bolts. The problem with the design of rotors and gas turbines is that individual parts of the rotor remain almost cold at the cooling air temperature, such as the compensating piston and the low-pressure outlet side, while other parts are heated almost to the hot gas temperature. It is especially the first disc of the gas turbine with the highest temperature. Even if there is rotor and blade cooling, this disc reaches temperatures in the range of 500 - 600 ° C, which means that it suffers significant expansion compared to the parts that remain cold, which remain at cooling air temperatures in the range of 200 - 300 ° C. This is due to the fact that the blades have a very high heat transfer coefficient, so that the blades reach gas temperature a few seconds or minutes after the turbine has started up and from there the heat is introduced into the blade root and from there into the rotor construction . In the case of a drum rotor, as is common in steam turbine construction, there is the problem when using it in gas turbine construction to dissipate these amounts of heat so that there are no excessive temperature differences in the rotor drum, since otherwise the thermal stresses become too high. This can be done according to AT-PS No. 290927. With this arrangement, however, there is the disadvantage that, at higher gas temperatures, a special insulation of the inflow of heat from the airfoil into the airfoil, preferably a fir tree, has to be provided by a so-called extended foot. In addition, the cooling must be such that a large part of the amount of heat that is introduced via the blade can be dissipated, which requires large amounts of cooling air.

Aus diesem Grund ist es daher günstig, auch bei Verwendung einer Rotorkühlung gemäß der oben zitierten AT-PS einen Gasturbinenrotor aus einzelnen Scheiben zukonstruieren, wobei die Scheiben auf verschieden hohe Temperatur kommen können, entsprechend ihren Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise der Ausgleichskolben auf Kühllufttemperatur, die erste Scheibe auf die höchste Gastemperatur, die letzte Scheibe auf die tiefste Gastemperatur und das austrittsseitige Wellenende wieder auf Kühllufttemperatur. Wie erwähnt, befinden sich dann die mittleren Scheiben auf einer Temperatur von 500 - 600° C während die kalten Teile des Rotors etwa 200° C annehmen. Die entsprechende Dehnungsdifferenz beträgt bei einem mittleren Rotor Dehnungen in der Größenordnung von 0,5 - 2 mm Radialdehnung. Diese Dehnungsdifferenz wird bei Gasturbinen üblicherweise durch eine konische Verzahnung, die sogenannte Hirth-Verzahnung aufgenommen. Diese schafft eine solche Bewegungsmöglichkeit, daß sich die heißen Scheiben dehnen und nach außen gleiten und die kalten Teile des Rotors demgegenüber zurückbleiben können. Naturgemäß muß ein derartiger Rotor durch axiale Bolzen zusammengespannt werden. Es können dies mehrere über den Umfang verteilte Bolzen bzw. ein zentraler Bolzen sein. Die Schwingungsabstimmung hat so zu erfolgen, daß bei der größten Schwingungsamplitude des Rotors immer noch eine positive Vorspannung, also Druckspannung in der Hirth-Verzahnung gegeben ist. Die Spannbolzen müssen so bemessen sein, daß sie bei der Aufnahme der Axialdehnungen der Scheiben entsprechend ihrem Temperaturanstieg nicht in den plastischen Bereich kommen, sondern ihre elastische Vorspannung behalten. Diese obige Anordnung hat aber den Nachteil, daß keine vollkommene Zentrierung der einzelnen Scheiben gegeben ist, da kleine Bewegungen in der Hirth-Verzahnung auf Grund des notwendigen Spieles ja immer möglich sind und daher Exzentrizitäten der einzelnen Scheiben bei deren Dehnung auftreten.For this reason, it is therefore favorable to use a gas turbine rotor even when using rotor cooling in accordance with the AT-PS cited above construct individual disks, whereby the disks can reach different temperatures depending on their environmental conditions, such as the compensating piston at the cooling air temperature, the first disk at the highest gas temperature, the last disk at the lowest gas temperature and the outlet-side shaft end again at cooling air temperature. As mentioned, the middle disks are then at a temperature of 500 - 600 ° C while the cold parts of the rotor reach about 200 ° C. The corresponding strain difference for a medium rotor is in the order of magnitude of 0.5-2 mm radial expansion. In gas turbines, this difference in expansion is usually absorbed by a conical toothing, the so-called Hirth toothing. This creates such a possibility of movement that the hot disks stretch and slide outwards and the cold parts of the rotor can remain behind. Naturally, such a rotor must be clamped together by means of axial bolts. This can be a plurality of bolts distributed over the circumference or a central bolt. The vibration must be tuned in such a way that the greatest vibration amplitude of the rotor still gives a positive preload, i.e. compressive stress in the Hirth tooth system. The clamping bolts must be dimensioned in such a way that when the axial expansions of the washers are absorbed, they do not come into the plastic range in accordance with their temperature increase, but retain their elastic prestress. However, this arrangement above has the disadvantage that there is no perfect centering of the individual disks, since small movements in the Hirth toothing are always possible due to the necessary play and therefore eccentricities of the individual disks occur during their expansion.

Weiters besteht der Nachteil, daß die Fertigung der Verzahnung entsprechend aufwendig und daher teuerist. Außerdem entstehen durch die Bewegung in der Verzahnung Abnützungserscheinungen, die die Zentriergenauigkeit noch zusätzlich mindern. Da in der Verzahnung im wesentlichen unter 45 Grad geneigte Stirnflächen aneinanderliegen, die zwar das Drehmoment übertragen, jedoch in ihrer Azialvorspannung direkt der Spannkraft der Bolzen proportional sind, ist eine hohe Vorspannung durch Spannbolzen erforderlich.There is also the disadvantage that the production of the toothing is correspondingly complex and therefore expensive. In addition, the movement in the toothing creates signs of wear that further reduce the centering accuracy. Because in the toothing essentially End faces inclined at 45 degrees, which transmit the torque but are directly proportional to the clamping force of the bolts in terms of their axial preload, require a high preload by means of clamping bolts.

Weiters sind geschweißte Rotoren für Gasturbinen bekannt, in denen mehrere Scheiben, die nach Gestalt einer Scheibe gleicher Festigkeit geformt sind, mit einem in radialer Richtung sehr breiten Kranz durch eine tiefe tulpenförmige Schweißnaht miteinander verbunden sind. Bei dieser Anordnung sind keine axialen Spannbolzen erforderlich, da die Scheiben ja direkt durch Schweißnähte miteinander verbunden sind. Es bestehen jedoch unterschiedliche Temperaturen zwischen den einzelnen Scheiben, was radiale Dehnungsdifferenzen an der Schweißstelle bedingt. Diese Dehnungsdifferenzen müssen nun durch elastische Verformung des Zwischenstückes aufgenommen werden. Dieses Zwischenstück ist bei dieser Konstruktionen gegenüber den Zwischenstücken der Konstruktionen mit Hirth-Verzahnung wesentlich dicker ausgeführt, so daß die Aufnahme der Radialverschiebungen große Biegekräfte in diesem Zwischenstück hervorruft. Obendrein müssen diese hohen Biegekräfte von den Schweißnähten aufgenommen werden, was eine besonders sorgfältige Gestaltung der Schweißnähte und damit eine entsprechend teure Fertigung voraussetzt. Ein weiterer Nachteil ist, daß diese Konstruktion nur aus Scheiben gleichen Materials gefertigt werden kann, da die Schweißung von Hochtemperaturmaterialien und Niedertemperaturmaterialien metallurgische Schwierigkeiten bereitet. Außerdem können gewisse Hochtemperaturwerkstoffe, besonders Austenite, überhaupt schlecht geschweißt werden.Furthermore, welded rotors for gas turbines are known in which a plurality of disks, which are shaped in the form of a disk of the same strength, are connected to one another by a deep tulip-shaped weld seam with a rim that is very wide in the radial direction. With this arrangement, no axial clamping bolts are required, since the washers are directly connected to one another by welds. However, there are different temperatures between the individual disks, which causes radial expansion differences at the welding point. These differences in elongation must now be absorbed by elastic deformation of the intermediate piece. In this construction, this intermediate piece is made much thicker than the intermediate pieces of the constructions with Hirth toothing, so that the absorption of the radial displacements causes great bending forces in this intermediate piece. On top of that, these high bending forces have to be absorbed by the weld seams, which requires a particularly careful design of the weld seams and thus a correspondingly expensive production. Another disadvantage is that this construction can only be made from disks of the same material, since the welding of high-temperature materials and low-temperature materials causes metallurgical difficulties. In addition, certain high-temperature materials, especially austenites, are difficult to weld.

Es sind auch noch die sogenannten Hantelringe der Ljungströmturbine bekannt, die einen Ausgleich von Radialdehnungsdifferenzen durch Bewegung im doppelten Kugel-(Torus)-sitz der hantelförmigen Elemente mittels einer Gelenkswirkung erzeugen. Nachteilig hiebei ist, daß eine Gleitbewegung in den Kugelsitzen eintritt und sich der Hantelring wie in einem Gelenk verformt. Da ein Stülpmoment nicht durch Formschluß sondern nur durch Reibungskräfte übertragen werden kann und da die Fertigung eines Kugelsitzes entsprechend ungenau bzw. teuer ist und da nur geringe Vorspannungen durch Einstemmen, im Gegensatz zu hohen Vorspannungen der Spannbolzen, auf gebracht werden können, können auch: nur geringe Drehmomente, je-weils die eines Schaufelgitters, aber nicht eines ganzen Rotors übertragen werden.There are also known the so-called dumbbell rings of the Ljungström turbine, which compensate for radial expansion differences by movement in the double spherical (torus) seat of the dumbbell-shaped elements by means of a joint effect. The disadvantage here is that a sliding movement occurs in the ball seats and the barbell ring deforms as in a joint. Since a turning moment can not be transmitted by positive locking but only by frictional forces and because the manufacture of a ball seat is correspondingly inaccurate or expensive and there is only slight pretensioning by caulking, in contrast to high pretensioning of the clamping bolts, can also be brought up: only low torques, in each case those of a vane grille but not of an entire rotor, are transmitted.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rotor zu schaffen, der keine der obigen Nachteile aufweist und der auch mit geringeren Vorspannkräften zusammengebaut ist. Der eingangs beschriebene Rotor ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugsweise aus verschiedenen Materialien bestehenden einzelnen Scheiben durch elastische Zwischenstücke distanziert sind und daß mindestens eine Verbindung der elastischen Zwischenstücke untereinander bzw. mit den Scheiben formschlüssig unter axialer Vorspannung ist.The object of the present invention is to provide a rotor which does not have any of the above disadvantages and which is also assembled with lower pretensioning forces. The rotor described in the introduction is characterized according to the invention in that the individual disks, which are preferably made of different materials, are spaced apart by elastic intermediate pieces and that at least one connection of the elastic intermediate pieces to one another or to the disks is positively under axial prestress.

Durch die Erfindung ist es erstmals möglich, einen Rotor für eine thermische Turbomaschine herzustellen, bei dem auch Scheiben verschiedenen Materials verwendet werden können und bei dem die großen Temperaturdifferenzen der Scheiben und dementsprechend die großen relativen radialen Dehnungen beherrscht werden. Diese radialen Ausdehnungen werden durch elastische Verformung der Zwischenstücke aufgenommen, wobei an den Befestigungsstellen keine Gleitungen und damit keine Abnützungen auftreten. Ferner werden bei diesem Rotor die Drehmomente der Gaskräfte vorzugsweise durch Reibung in diesen Befestigungsstellen übertragen. Außerdem werden diese Reibungskräfte dazu benützt, um mit geringeren Vorspannkräften, also mit schwächer und elastischer dimensionierten axialen Spannbolzen auszukommen.The invention makes it possible for the first time to produce a rotor for a thermal turbomachine, in which disks of different materials can also be used and in which the large temperature differences between the disks and, accordingly, the large relative radial expansions are mastered. These radial expansions are absorbed by elastic deformation of the intermediate pieces, with no sliding and therefore no wear occurring at the fastening points. Furthermore, in this rotor, the torques of the gas forces are preferably transmitted by friction in these fastening points. In addition, these frictional forces are used to make do with lower pretensioning forces, i.e. with weaker and more elastic axial clamping bolts.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das elastische Zwischenstück die Form eines Ringes auf und die äußere Umfangsfläche dieses Ringes den Zwischenboden zu den Leitschaufeln der Turbine.According to a further embodiment of the invention, the elastic intermediate piece has the shape of a ring and the outer peripheral surface of this ring has the intermediate bottom to the guide vanes of the turbine.

Diese erfindungsgemäße Ausführung der elastischen Zwischenringe bringt neben den sehr guten Distanzierungseigenschaften auch noch die Vorteile eines Zwischenbodens mit sich.In addition to the very good spacing properties, this embodiment of the elastic intermediate rings according to the invention also has the advantages of an intermediate base.

Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen den, die Schaufeln tragenden Scheiben, eine Zwischenscheibe angeordnet, die durch elastische Zwischenringe mit den Scheiben verbunden ist.According to a further embodiment of the invention, an intermediate disk is arranged between the disks carrying the blades and is connected to the disks by elastic intermediate rings.

Durch diese erfindungsgemäße Zwischenscheibe werden die Fliehkräfteder elastischen Zwischenringe aufgenommen. Auch an dieser Zwischenscheibe kann ein Zwischenboden, eventuell mit Ringnut - gemäß AT-PS Nr. 290926 - angeordnet sein. Die Ringform dieses Zwischenbodens erweist sich beim Aufschweißen der Stolperkante aus Hartmetall als Vorteil.The centrifugal forces of the elastic intermediate rings are absorbed by this washer according to the invention. An intermediate floor, possibly with an annular groove - according to AT-PS No. 290926 - can also be arranged on this intermediate disk. The ring shape of this intermediate floor proves to be an advantage when welding the tripping edge made of hard metal.

Gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die formschlüssige Verbindung durch einen Doppelkonus oder einen Zylindersitz mit Konus oder einen doppelten Zylindersitz.According to the further embodiment of the invention, the positive connection takes place by means of a double cone or a cylinder seat with a cone or a double cylinder seat.

Gegenüber herkömmlichen Konstruktionen, wo axiale Stirnflächen aneinanderstehen und somit nur der einfache Betrag der Vorspannung zur Wirkung kommt, ist diese erfindungsgemäße Lösung ein Vorteil, da unter der Wirkung der vergrößerten Reibungskräfte eine beträchtliche Verminderung der notwendigen Vorspannung und damit der Größe der Spannbolzen erreicht wird, wodurch die Spannbolzen elastischer werden und die axiale Wärmedehnung leichter aufnehmen können. Außerdem ist die erfindungsgemäße Lösung wesentlich billiger zu fertigen als vergleichsweise eine Hirth-Verzahnung.This solution according to the invention is an advantage over conventional constructions where axial end faces abut one another and thus only the simple amount of prestress comes into effect, since under the effect of the increased frictional forces a considerable reduction in the necessary prestress and thus the size of the tensioning bolts is achieved, as a result of which the clamping bolts become more elastic and can absorb the axial thermal expansion more easily. In addition, the solution according to the invention is much cheaper to manufacture than a Hirth toothing.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Fig. 1 zeigt die zentrische Verbindung von zwei benachbarten Scheiben mit einem elastischen Zwischenstück, Fig. 2 bis Fig. 5 verschieden mögliche elastische Verbindungen, Fig. 6 einen elastischen Zwischenring, der durch eine Zwischenscheibe gestützt ist, Fig. 7 ein verformtes Zwischenstück, Fig. 8 die Verformung der Zwischenscheibe aufgrund der Verformung des Zwischenringes, Fig. 9 eine Gesamtanordnung des Rotors, Fig. 10 einen Spannbolzen mit Spannhülse und Fig. 11 und Fig. 12 Details der Drehmomentübertragung im Zwischenring.The invention is explained in more detail with reference to the drawings. 1 shows the central connection of two adjacent disks with an elastic intermediate piece, FIGS. 2 to 5 different possible elastic connections, FIG. 6 an elastic intermediate ring which is supported by an intermediate disk, FIG. 7 a deformed intermediate piece, FIG 8 shows the deformation of the intermediate disk due to the deformation of the intermediate ring, FIG. 9 shows an overall arrangement of the rotor, FIG. 10 shows a clamping bolt with a clamping sleeve, and FIGS. 11 and 12 show details of the torque transmission in the intermediate ring.

Gemäß der Fig. 1 erfolgt die zentrische Verbindung von zwei benachbarten Scheiben 1 und 2 durch ein elastisches Zwischenstück. Dieses Zwischenstück ist ein elastischer Ring aus den Teilen 13 und 14, der bei der Dehnung der einen Scheibe (Scheibe 1 werde heißer als Scheibe 2 und bewege sich daher radial nach außen, die relative radiale Verschiebung ist mit 25 in Fig. 7 und Fig. 8 bezeichnet) nach einer s-förmigen Kurve Fig. 7 verstülpt wird. Da der Ring 13 und 14 mit großer Genauigkeit durch Drehen rundgefertigt ist, muß bei seiner elastischen Verformung die Scheibe 1 zur Scheibe 2 zentrisch bleiben. Die konusförmige Verbindung 5, vorzugsweise ein Doppelkonus mit Winkeln zwischen etwa 15 und 45 Grad kann Biegemomente bzw. Stülpmomente aufnehmen, so daß das Zwischenglied bei genügender Vorspannung wie ein elastisches Stück zu behandeln ist bzw. sich wie ein elastisches Stück verhält. Diese Verbindungen können verschiedentlich gestaltet sein. Sie können aus einem Doppelkonus Fig. 2, einem Konus mit einem Zylinder Fig. 3 bzw. auch aus zwei Zylindern mit entsprechender Vorspannung der Gegenflächen und einem konischen Einlauf zum Zusammenfügen Fig. 4 bestehen.Im Bedarfsfall kann auch direkt verflanscht werden mit Zentrierung durch Zentrierabsatz oder Paßbolzen 48 Fig. 5. Dieses elastische Zwischenstück kann die Gegenfläche für eine zwischenliegende -Leitschaufel 9 bilden Fig. 1, wobei Kühlluftkanäle 40 in der bekannten Weise unter den Laufschaufelfüßen durchführen und diesen Zwischenboden speisen. Die Spannbolzen 6 werden vorzugsweise radial weiter innen liegen, können aber auch radial außerhalb des elastischen Zwischenstückes angeordnet sein.1, the central connection of two adjacent disks 1 and 2 takes place by means of an elastic intermediate piece. This intermediate piece is an elastic ring made of parts 13 and 14, which, when one disk expands (disk 1 becomes hotter than disk 2 and therefore moves radially outward, the relative radial displacement) Exercise is designated 25 in Fig. 7 and Fig. 8) after an S-shaped curve Fig. 7 is inverted. Since the rings 13 and 14 are made round with great accuracy by turning, the disc 1 must remain centered on the disc 2 in its elastic deformation. The conical connection 5, preferably a double cone with angles between approximately 15 and 45 degrees, can absorb bending moments or turning moments, so that the intermediate member is to be treated as an elastic piece or behaves like an elastic piece with sufficient prestress. These connections can take various forms. They can consist of a double cone Fig. 2, a cone with a cylinder Fig. 3 or two cylinders with appropriate preloading of the counter surfaces and a conical inlet for assembly Fig. 4 or fitting bolt 48 Fig. 5. This elastic intermediate piece can form the mating surface for an intermediate guide vane 9 Fig. 1, wherein cooling air channels 40 pass through in the known manner under the blade feet and feed this intermediate floor. The clamping bolts 6 are preferably located radially further inwards, but can also be arranged radially outside the elastic intermediate piece.

Die Doppelkonusverbindung 5 der beiden zu den Scheiben 1 und 2 gehörenden elastischen Ringe 13 und 14 muß nicht unbedingt in der Mitte zwischen beiden Scheiben 1 und 2 angeordnet sein, sie kann auch an der Befestigungsstelle einer Scheibe direkt bzw. es kann überhaupt ein seperater Zwischenring mit zwei Doppelkonusbefestigungsstellen an jeder Schicht angeordnet sein.The double-cone connection 5 of the two elastic rings 13 and 14 belonging to the disks 1 and 2 does not necessarily have to be arranged in the middle between the two disks 1 and 2, it can also be located directly at the fastening point of a disk or it can even have a separate intermediate ring two double cone attachment points can be arranged on each layer.

Die größten Stülpmomente treten zwar an der Befestigungsstelle des elastischen Ringes mit der Scheibe auf, doch. ist die Doppelkonusbefestigung bei entsprechender Vorspannung imstande, hohe Biegemomente bzw. Stülpmomente aufzunehmen. Die elastischen, ringförmigen Zwischenstücke 13 und 14 des Rotors haben nicht nur die Relativdehnung der Scheiben aufzunehmen, sondern unterliegen auch den Fliehkräften des rotierenden Rotors. Dadurch geraten sie in ihrem Mittelteil zwischen den Scheiben auf eine Dehnung, die im allgemeinen höher liegt als die der Scheiben, da die Radialdehnung eines Ringes bei gleicher Drehzahl wesentlich höher ist als die einer Scheibe. Dies bedingt, daß sich der elastische Zwischenring in der Mitte nach außen durchbiegt und nur an den Befestigungsstellen bei den Scheiben gehalten ist. Dem wirkt zwar die entstehende Ringspannung entgegen, doch kann sich bei größeren Abständen die Durchbiegung des elastischen Ringes infolge der Fliehkräfte als zu groß erweisen. Dem kann erfindungsgemäß in einfacher Weise durch Anordnnng einer Zwischenscheibe abgeholfen werden, welche in Fig. 6 dargestellt ist.The greatest turning moments occur at the point of attachment of the elastic ring with the washer, however. the double-cone fastening is able to absorb high bending moments or turning moments with appropriate preload. The elastic, annular intermediate pieces 13 and 14 of the rotor not only have to absorb the relative expansion of the disks, but are also subject to the centrifugal forces of the rotating rotor. As a result, they get an elongation in their middle part between the disks which is generally higher than that of the disks, since the radial expansion of a ring at the same speed is much higher than that of a disc. This means that the elastic intermediate ring bends outwards in the middle and is only held at the fastening points on the disks. This is counteracted by the resulting ring tension, but the deflection of the elastic ring due to the centrifugal forces can prove to be too great at larger distances. According to the invention, this can be remedied in a simple manner by arranging an intermediate washer, which is shown in FIG. 6.

Zwischen den Schaufeln der tragenden Scheiben 10 und 11 wird eine Zwischenscheibe 20 eingeschaltet. Durch die elastischen Ringe 21 und 22 ist diese Zwischenscheibe 20 mit zwei Doppelkonusverbindungen mit den benachbarten Scheiben 10 und 11 verbunden. Das Profil und der TemperaturVerlauf von der Zwischenscheibe 20 (beeinflußt durch entsprechende Kühlung) sind vorzugsweise so zu wählen, daß die Dehnung der Zwischenscheibe 20 in der Mitte zwischen den Dehnungen der benachbarten Scheiben 10 und 11 liegt (halbe Relativdehnung). Dadurch können die Fliehkräfte der elastischen Ringstücke 21 und 22 zum Großteil auf die Zwischenscheibe 20 übertragen werden. Diese Zwischenscheibe 20 eignet sich auch noch günstigerweise zur Aufnahme einer mit einer Stolperkante versehenen Ringnut 12 in der die Leitschaufel 9, die zwischen den beiden zu den Scheiben 10 und 11 gehörigen Laufschaufeln liegt, läuft und an der die Spaltströmung abgedrosselt wird. Diese Stolperkante 12 soll mit Hartmetall ausgeschweißt sein und dies kann günstigerweise an einem geschlossenen Ring vorgenommen werden. Die Zwischenscheibe 20 muß an der Stelle der Verbindung mit dem elastischen Zwischenring bzw. den Zwischenringstücken 21 und 22 in axialer Richtung dünn gestaltet sein, bzw. muß sie sich als dünne Scheibe genügend weit radial außerhalb und innerhalb erstrecken, so daß sie bei der s-förmigen Verformung des elastischen Zwischenstückes, siehe Fig. 7, keinen hohen Widerstand leistet und keine hohen Stülpmomente dieser Verformung entgegensetzt. Diese Verformung ist in Fig. 8 angedeutet.Between the blades of the supporting disks 10 and 11, an intermediate disk 20 is switched on. Through the elastic rings 21 and 22, this washer 20 is connected to the adjacent washers 10 and 11 with two double-cone connections. The profile and the temperature profile of the intermediate plate 20 (influenced by appropriate cooling) should preferably be selected so that the extension of the intermediate plate 20 lies in the middle between the extensions of the adjacent plates 10 and 11 (half relative extension). As a result, the centrifugal forces of the elastic ring pieces 21 and 22 can largely be transmitted to the intermediate disk 20. This intermediate disk 20 is also advantageously suitable for receiving an annular groove 12 provided with a tripping edge in which the guide vane 9, which lies between the two rotor blades belonging to the disks 10 and 11, runs and at which the gap flow is throttled. This tripping edge 12 should be welded with hard metal and this can conveniently be done on a closed ring. The intermediate disk 20 must be made thin in the axial direction at the point of connection with the elastic intermediate ring or the intermediate ring pieces 21 and 22, or it must extend as a thin disk sufficiently radially outside and inside so that it shaped deformation of the elastic intermediate piece, see FIG. 7, does not provide a high resistance and does not oppose high turning moments of this deformation. This deformation is indicated in Fig. 8.

Da die Radialspannung des Ringes in radialer Richtung getragen werden muß und der Ring nicht unterbrochen werden kann, sind zwei konische Sitze erforderlich. Es ist günstig, zwei in gleicher Richtung gerichtete Konusse 16 und 17 vorzusehen, da dann die Halsspannung in der Scheibe.des Zwischenringes am geringsten bleibt. Radial genügend weit innen kann die Zwischenscheibe 20 zur Aufnahme der Fliehkräfte eine entsprechende Verdickung 15 aufweisen.Since the radial tension of the ring must be carried in the radial direction and the ring cannot be interrupted, two conical seats are required. It is convenient to have two facing in the same direction Cones 16 and 17 should be provided, since then the neck tension in the disc of the intermediate ring remains the lowest. Radially sufficiently far inside, the intermediate disk 20 can have a corresponding thickening 15 for absorbing the centrifugal forces.

Die Gesamtanordnung eines Rotors zeigt Fig. 9. Dabei bildet 23 den linken Wellenstummel mit dem Querlager 24 und mit der Scheibe des Ausgleichskolbens, an dem in einem Stück geschmiedet der elastische Zwischenring 25 angeschmiedet ist. Dieser ist mit der entsprechend konusförmigen Verbindung 23 mit der ersten Scheibe 34 in Verbindung. Diese trägt Schaufeln mit Tannenbaumfuß und in der bekannten Weise unter diesen Füßen durchlaufend den Kühlkanal 40, der von der Kühllüfteinspeisung 31 aus versorgt wird. Die erste Scheibe 34 ist über elastische Zwischenstücke 35,und 36 mit der zweiten Scheibe 37 in Verbindung, wobei in der Mitte die erfindungsgemäße Doppelkonusverbindung 33 vorgesehen ist. Die damit geschaffene Plattform dient einer Dichtfläche für den Zwischenboden 39 der entsprechenden Leitschaufeln 38, die nur angedeutet ist. Zwischen den Scheiben 34 und 37 ist daher die Verbindung für einen Zwischenboden 39 der Leitschaufel 38 hergestellt. In Verbindung der Scheibe 37 mit Scheibe 32 ist die Zwischenscheibe 30 mit zweifacher Konusverbindung 33 vorgesehen, wobei die Zwischenscheibe 30 eine Fläche für eine entsprechende Stolperkante herstellt. Die elastischen Zwischenringe, 26, 27 sind an der links- und rechtsgelegenen Scheibe 37 bzw. 32 befestigt. Es sind , zwei Doppelkonusverbindungen 33 an der Zwischenscheibe 30 nötig. Da die Kühlluft von der Scheibe 37 zur Scheibe 32 weitergeleitet werden muß, müssen entsprechende Bohrungen 28 in der Zwischenscheibe 30 vorgesehen werden. Die Scheibe 32 sei beispielsweise die letzte Scheibe des Rotors, an sie schließe wieder eine Doppelkonusverbindung 33 an, worauf der elastische Zwischenring 41 zum rechten Lagerstummel 42 folgt, in dem wieder ein Querlager 43 und der Kupplungssitz 29 angeordnet sind.The overall arrangement of a rotor is shown in FIG. 9. 23 forms the left stub shaft with the transverse bearing 24 and with the disk of the compensating piston, on which the elastic intermediate ring 25 is forged in one piece. This is in connection with the corresponding conical connection 23 with the first disk 34. This carries blades with a fir tree foot and in the known manner running under these feet through the cooling channel 40, which is supplied from the cooling air feed 31. The first disk 34 is connected to the second disk 37 via elastic intermediate pieces 35 and 36, the double cone connection 33 according to the invention being provided in the middle. The platform created in this way serves as a sealing surface for the intermediate floor 39 of the corresponding guide vanes 38, which is only indicated. The connection for an intermediate base 39 of the guide vane 38 is therefore established between the disks 34 and 37. In connection with the washer 37 with washer 32, the washer 30 is provided with a double cone connection 33, the washer 30 producing a surface for a corresponding tripping edge. The elastic intermediate rings 26, 27 are fastened to the left and right-hand disks 37 and 32, respectively. Two double-cone connections 33 on the intermediate disk 30 are necessary. Since the cooling air has to be passed from the disk 37 to the disk 32, corresponding bores 28 must be provided in the intermediate disk 30. The disk 32 is, for example, the last disk of the rotor, a double-cone connection 33 connects to it again, followed by the elastic intermediate ring 41 to the right bearing stub 42, in which a transverse bearing 43 and the coupling seat 29 are arranged again.

Der gesamte Rotor wird durch mehrere versetzte Spannbolzen 6 in axialer Richtung zusammengehalten, die durch Muttern 7 zusammengespannt sind. Die Spannbolzen 6 sind in den Bohrungen der Scheiben durch entsprechende Spannhülsen 44 Fig. 10 befestigt, die eine axiale Bewegung des Spannbolzens 6 erlauben, jedoch in radialer Richtung eine Befestigung desselben erzielen und zwar zur Aufnahme der Fliehkräfte einerseits und andererseits zur Sicherstellung der Wirkung der Spannbolzen bei der Biegespannung durch entsprechende radiale Verlagerung bei der Durchbiegung des Rotors. Auf die Spannhülsen 44 sollen jedoch nur axiale Reibungskräfte, die gering gegenüber der Bolzenvorspannung sind, wirken. Durch eine entsprechende Elastizität der Spannhülse entsprechend Fig. 10 wird dies erreicht.The entire rotor is held together in the axial direction by several offset clamping bolts 6, which are clamped together by nuts 7. The clamping bolts 6 are fastened in the bores of the disks by corresponding clamping sleeves 44 Fig. 10, which have an axial movement allow the clamping bolt 6, but achieve a fastening in the radial direction, namely to absorb the centrifugal forces on the one hand and on the other hand to ensure the effect of the clamping bolts in the bending stress by corresponding radial displacement during the deflection of the rotor. However, only axial frictional forces which are low compared to the bolt preload should act on the clamping sleeves 44. This is achieved by a corresponding elasticity of the clamping sleeve according to FIG. 10.

Fig. 11 zeigt die Details der Drehmomentübertragung durch den konischen Doppelsitz. Entsprechend der Neigung des Doppelkegels wird die axiale Anpreßkraft in zwei radial- und axialgerichtete Kräfte (P bzw. Pax) umgesetzt.11 shows the details of the torque transmission through the conical double seat. Depending on the inclination of the double cone, the axial contact pressure is converted into two radial and axial forces (P and Pax).

Diese Kräfte haben entsprechende Reibungskräfte zur Folge, die zur Übertragung des Drehmomentes herangezogen werden können und außerdem bei der Durchbiegung des Rotors infolge seiner Unwuchtschwingung von Vorteil sind.These forces result in corresponding frictional forces which can be used to transmit the torque and which are also advantageous in the deflection of the rotor due to its unbalanced vibration.

Die Vorspannung durch die Spannbolzen kann nämlich um den Betrag, den die Reibungskräfte R im Konussitz hervorrufen, geringer sein, ohne daß es zu einem Klaffen der Konussitze kommt. Die Rotorbolzen 6 müssen so lang sein, daß sie ohne die Streckgrenze zu überschreiten die Wärmedehung der heißwerdenden Scheiben 34, 37, 32 aufnehmen können, wobei die heißen Scheiben auf etwa 500 - 600° C kommen, während die gekühlten Teile des Rotors auf 200 C verbleiben, und die Spannbolzen etwa eine mittlere Temperatur annehmen.The pretensioning by the clamping bolts can namely be lower by the amount caused by the frictional forces R in the cone seat without the cone seats gaping. The rotor bolts 6 must be long enough that they can absorb the thermal expansion of the disks 34, 37, 32 which become hot without exceeding the yield strength, the hot disks coming to about 500-600 ° C., while the cooled parts of the rotor to 200 C. remain, and the clamping bolts assume an average temperature.

Die Vorspannung ist eben unter Berücksichtigung dieser Erwärmung der Bolzen aufrechtzuerhalten.The preload must be maintained taking this heating of the bolts into account.

Wenn Gefahr besteht, daß bei hohen Drehmomenten die Reibungskräfte nicht ausreichen, das Drehmoment zu übertragen und eine Schrägstellung der Spannbolzen vermieden werden soll (durch Durchrutschen im Konussitz), so kann dies durch Anordnung von Radialbolzen 45 vermieden werden. Entsprechende Anordnungen sind in Fig. 12 angedeutet. Die Radialbolzen können dabei rein zylindrisch, leicht oder stark konisch sein und werden in den vorgespannten Sitz hineingebohrt bzw. gerieben, wodurch die beiden elastischen Zwischenstücke 46, 47, die mit den jeweiligen Scheiben angedeutet sind, drehmonentensicher verbunden werden.If there is a risk that the frictional forces will not be sufficient at high torques to transmit the torque and an inclined position of the clamping bolt should be avoided (by slipping in the cone seat), this can be avoided by arranging radial bolts 45. Corresponding arrangements are indicated in Fig. 12. The radial bolts can be purely cylindrical, light or strongly conical and are drilled or rubbed into the prestressed seat, whereby the two elastic intermediate pieces 46, 47, which are indicated with the respective disks, are connected in a torque-proof manner.

Claims (4)

1. Rotor für eine thermische Turbomaschine, insbesondere für eine die Abgase chemischer oder petrochemischer Prozesse verwertenden Industrie-Abgasturbine, die aus einzelnen Scheiben und zwei Wellenstummeln aufgebaut und durch axiale Spannbolzen zusammengespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugsweise aus verschiedenen Materialien bestehenden einzelnen Scheiben (32, 34, 37) durch elastische Zwischenstücke (26, 27, 35, 36) distanziert sind und daß mindestens eine Verbindung (33) der elastischen Zwischenstücke (26, 27, 35, 36) untereinander bzw. mit den Scheiben, (32, 34, 37) formschlüssig unter axialer Vorspannung ist.1.Rotor for a thermal turbo machine, in particular for an industrial exhaust gas turbine utilizing the exhaust gases of chemical or petrochemical processes, which is built up from individual disks and two shaft ends and is clamped together by axial clamping bolts, characterized in that the individual disks, which preferably consist of different materials ( 32, 34, 37) are spaced apart by elastic intermediate pieces (26, 27, 35, 36) and that at least one connection (33) of the elastic intermediate pieces (26, 27, 35, 36) to one another or to the disks (32, 34, 37) is positively under axial prestress. 2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Zwischenstück (35, 36) die Form eines Ringes aufweist und die äußere Umfangsfläche dieses Ringes den Zwischenboden zu den Leitschaufeln (39) der Turbine bildet.2. Rotor according to claim 1, characterized in that the elastic intermediate piece (35, 36) has the shape of a ring and the outer peripheral surface of this ring forms the intermediate bottom to the guide vanes (39) of the turbine. 3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den die Schaufeln tragenden Scheiben (32, 34, 37) eine Zwischenscheibe (30) angeordnet ist, die durch elastische Zwischenringe (26, 27) mit den Scheiben (32, 37) verbunden ist.3. Rotor according to claim 1 or 2, characterized in that between the discs carrying the blades (32, 34, 37) an intermediate disc (30) is arranged, which by means of elastic intermediate rings (26, 27) with the discs (32, 37 ) connected is. 4. Rotor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die formschlüssige Verbindung durch einen Doppelkonus oder einen Zylindersitz mit Konus oder einen doppelten Zylindersitz erfolgt.4. Rotor according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the positive connection is effected by a double cone or a cylinder seat with a cone or a double cylinder seat.

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