EP2496793B1 - Geschweisster rotor eines gasturbinentriebwerkverdichters - Google Patents

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EP2496793B1
EP2496793B1 EP10771153.3A EP10771153A EP2496793B1 EP 2496793 B1 EP2496793 B1 EP 2496793B1 EP 10771153 A EP10771153 A EP 10771153A EP 2496793 B1 EP2496793 B1 EP 2496793B1
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EP
European Patent Office
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rotor
last
disks
flow direction
rotor disks
Prior art date
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EP10771153.3A
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EP2496793A1 (de
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Ernst Pauli
Thomas Kramer
Holger Kiewel
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Publication date
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    • 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
    • F01D5/06—Rotors for more than one axial stage, e.g. of drum or multiple disc type; Details thereof, e.g. shafts, shaft connections
    • F01D5/063—Welded rotors
    • 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
    • F01D5/08—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
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/23—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together
    • F05D2230/232—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together by welding
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    • Y10T29/49316—Impeller making
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    • Y10T29/4932—Turbomachine making
    • Y10T29/49323—Assembling fluid flow directing devices, e.g., stators, diaphragms, nozzles

Definitions

  • the present invention relates to welded rotors for gas turbine compressors and to a method for their production.
  • Gas turbine rotors typically consist of several discs, either assembled or welded together using screwed connections. To prevent overheating during operation and thereby reducing the service life of the rotors, the rotors are actively cooled. A distinction is made between cooling methods for screw-connected rotors and welded rotors. The cooling methods for bolted rotors are only partially applicable to welded rotors, because the rotor disks are solid in welded rotors compared to screwed rotors and internal cooling would be more difficult to implement by drilling.
  • EP984138 a rotor for a gas turbine, in particular compressors whose surface is acted upon by cooling currents.
  • the cooling streams are passed through air ducts through the vanes and through openings in their blade tips directly to the rotor surface.
  • EP844367 discloses a welded rotor for a turbomachine with a plurality of rotor disks, which each have an annular cavity between welding seams for the purpose of flowing through a cooling steam.
  • the Cooling medium is guided by the rotor itself radially outward to the blade roots.
  • EP1705339 discloses a rotor for a gas turbine with radially extending cooling air channels, which have an elliptical cross-section.
  • FIG. 1 A known technique for cooling the last rotor disk of a compressor is in FIG. 1 shown.
  • a rotor 1 for a gas turbine with rotor axis 2 has a plurality of rotor disks 3, 4 and 5, which are connected by welds 6 between internal cavities H and H ', which are formed by the axial joining of the discs, and the rotor surface.
  • the last rotor disk 3 also has a recess 7 on its surface. This recess is supplied to cooling air from outside the rotor. Heat from the center region of the last disc 3 of the compressor rotor is removed in the direction of arrow 8 and finally via the cooled recess.
  • the heat dissipation 8 is favored by the fact that the rotor disk is made massive in the axial direction. However, a massive configuration in the axial direction are limited due to the manufacturing technology of such rotors and the need to be able to test them in the forging process.
  • EP19316115 discloses a welded disc rotor for a steam turbine.
  • the rotor disks each have recesses extending radially outwardly from the center thereof on the rotor axis, so that after the welding together of the disks, a cavity on and around the Rotor axis forms.
  • the rotor is cooled at the rotor surface by a supplied vapor stream.
  • a steam turbine rotor which is constructed from rotor disks, which have outer annular connection surfaces and are connected at the two rotor disks over the entire height of the annular connecting surfaces with a weld.
  • the object of the present invention is to propose a rotor for a gas turbine compressor which is welded from a plurality of rotor disks, in which the material temperature of the compressor rotor disks can be kept at or below a predetermined level during operation, so that a predetermined service life can be expected.
  • the rotor in comparison to rotors of the prior art, to be improved in terms of its production and possibilities for its examination in the forging process.
  • a coolable, welded gas turbine compressor rotor with a plurality of axially juxtaposed and welded together rotor disks is shown, each rotor disk extending over at least three blade stages.
  • the rotor in addition to the welded-together rotor disks, the rotor has two or more rotor disks which are butt-joined to one another in a center region around and on the axis of rotation of the rotor disks, the center region comprising the rotor axis and extending radially outward from the axis.
  • the two rotor disks in the flow direction are welded together in a radially outer region, this radially outer region being radially outside the center region, comprising the rotor surface and extending radially inwardly from the surface. Between the center area with the dull Anapthegung and the welded, radially outer region extends an annular space.
  • the last in the direction of flow and blunt pushed to the second last rotor disks rotor disk has to dissipate heat from the center region of the rotor disk to the surface at its radially outer surface a recess which extends over the circumference of Rotor disc extends and can be cooled by an externally supplied cooling medium.
  • the recess is attached to the last, the highest temperatures exposed rotor disk.
  • the coolable recess together with the butting together of the rotor disks in the center region ensures, in particular, increased heat flow out of the center region of the rotor towards the rotor surface.
  • the invention is particularly advantageous in the last rotor disk of a compressor or in the rotor disks which are exposed to higher temperatures.
  • the rotor has two or more rotor disks in the region of highest temperatures, which are smaller than the prior art rotor disks, i. are less thick. Nevertheless, they extend over at least three blade stages. Due to their smaller size, these are easier to manufacture. In particular, their forgeability is improved and the achievable degree of deformation is increased.
  • the individual rotor discs are easier to test in the forging process, since the smaller thickness of the discs, the sound path is shortened during the test and thereby measurement results can be achieved with higher resolution.
  • the blunt, butting fit over the radially inner center region of the two rotor disks, which are the last in the flow direction, causes a heat flow from the center region of the rotor to the radially outer surface of the rotor, where it can be dissipated via the recess.
  • the problem of excessive heating of the rotor which occurs in particular in gas turbine compressors, is solved at the last point of the rotor in the flow direction.
  • the material temperature of the rotor during operation can thereby be kept below a predetermined level and thus the service life of the rotor can be increased.
  • the design of the coolable rotor according to the invention is the most effective at the last and highest temperature exposed point of the rotor.
  • the rotor disks according to the invention can also be arranged at any suitable point of the rotor, at which a cooling due to the temperature conditions is as necessary or effective.
  • the rotor additionally has a layer with a heat-conducting material between the butted rotor disks in the center region of the disks.
  • this layer is attached to the surface of one of the two rotor disks.
  • a metal having higher heat conductivity than that of the rotor steel is suitable.
  • All of the embodiments of the inventive rotor shown are not limited to two rotor discs, but can be applied in a suitable manner to a plurality of rotor disks of the rotor.
  • a plurality of rotor disks are welded together.
  • at least two rotor disks are provided which each have an annular recess extending around the axis of rotation of the disks, so that an annular space is created between the rotor disks when the rotor disks are arranged axially next to one another.
  • the rotor disks are arranged at the last and second last position of the rotor in the flow direction and welded together in a radially outer region which extends from the annular space radially outward to the outer surface of the disks and in a radial center region extending from the rotor disk center Rotation axis of the disks radially outward to extends to the annulus, butt joined together.
  • a coolable recess which extends over the circumference of the rotor disk, is attached to the rotor disk arranged last in the direction of flow.
  • the two rotor disks are welded together in the radially outer region and then drawn together by welding shrinkage.
  • the butted rotor disks are placed at the location of the highest expected material temperatures of the rotor.
  • a layer of heat-conducting material is applied in the center region of at least one of the two last rotor disks in the flow direction. Thereafter, the two rotor disks are welded together in their radially outer region. In the center area around the axis of rotation of the discs they are in turn butted together.
  • FIG. 2 shows in longitudinal cross section a gas turbine compressor rotor 1 with rotor axis 2.
  • the rotor 1 comprises a plurality of rotor disks, of which in the figure only rotor disks 3, 4 and 5 are shown.
  • the rotor disks are each designed so that they can accommodate at least three blade stages of the compressor. They differ thereby from rotor disks of a so-called "laminar" running rotor, which extend over only one blade stage.
  • Rotor discs 4 and 5 each have a recess in their middle, which form a cavity H after joining the discs.
  • the rotor disks 4 and 5 are connected by weld 6 between the cavity H and the radially outer surface of the disks 4 and 5 with each other.
  • the rotor disk 3 of the rotor of the prior art is realized according to the invention by two individual, compared to less solid rotor disks 3a and 3b.
  • the rotor disks 3a and 3b are the rotor disks of a compressor arranged in the flow direction at the last and second-last positions.
  • the rotor disks 3a and 3b are interconnected in a radially outer region 9 'by the weld seam 10 which extends from the annular space H "to the surface of the rotor 12. In a center region 9 about the axis of rotation 2 of the rotor disks 3a and 3b are facing each other Surfaces of the discs stumped together.
  • the center region 9 of the rotor is, for example, the region which surrounds the axis of rotation and which extends around the axis of rotation of the disks and over the radially inner region and which is surrounded by the annular recess on the mutually facing sides of the rotor disks 3a and 3b. From this center area, the heat is dissipate, in order to avoid overheating of the rotor.
  • the annular recesses of the disks form the annular space H ".
  • the butt jointing ensures heat flow 8 from the center region 9 of the rotor disk 3b over the rotor disk 3a and radially outward to the rotor surface, where the heat can be dissipated.
  • FIG. 3 shows the same rotor as in FIG. 2 , but with the additional feature on the rotor disk 3a, which is arranged in the last direction in the flow direction of the rotor. It has on its surface a recess 7 or annular groove which extends over the circumference of the rotor disk and can be cooled from the outside by a suitable cooling medium, such as cooling air or cooling steam.
  • a suitable cooling medium such as cooling air or cooling steam.
  • the recess 7 of the rotor disk 3a is designed with an elliptical cross-sectional contour.
  • FIG. 4 The rotor disks 3a and 3b in turn each have an annular recess on their sides facing each other axially, which form an annular space H "during the assembly Center region 9 on the mutually facing surfaces of the rotor disks 3a, 3b extends over the area which is surrounded by the annular space H ".
  • the extended version differs from the rotor of FIG. 2 and 3 in the realization of the heat transfer in the center region 9 of the rotor disks 3a and 3b.
  • the rotor disk 3a or 3b has a layer 11 of a heat-conducting material in its center region 9. This layer 11 and the surface of the center region 9 of the rotor disc 3b are in turn butted together.
  • the layer 11 consists for example of a suitable metal with a thermal conductivity greater than that of the rotor material.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft geschweisste Rotoren für GasturbinenVerdichter, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
    • Stand der Technik
  • Rotoren für Gasturbinen bestehen in der Regel aus mehreren Scheiben, die entweder mithilfe von Schraubverbindungen zusammengefügt oder zusammengeschweisst werden. Um Überhitzungen während des Betriebs und dadurch verursachte Verringerung der Betriebslebensdauer der Rotoren zu vermeiden, werden die Rotoren aktiv gekühlt. Dabei wird zwischen Kühlmethoden für mit Schrauben verbundenen Rotoren und geschweisste Rotoren unterschieden. Die Kühlmethoden für verschraubte Rotoren sind bei geschweissten Rotoren nur bedingt anwendbar, weil die Rotorscheiben bei geschweissten Rotoren im Vergleich zu geschraubten Rotoren massiver sind und eine Innenkühlung durch Bohrungen schwieriger zu realisieren wäre.
  • Für geschweisste Rotoren sind verschiedene Kühlvorrichtungen mit Kühlkanälen und -räumen in- und ausserhalb des Rotors bekannt.
  • Beispielsweise offenbart EP984138 einen Rotor für eine Gasturbine, insbesondere Verdichter, dessen Oberfläche durch Kühlströme beaufschlagt wird. Die Kühlströme werden über Luftkanäle durch die Leitschaufeln und durch Öffnungen in deren Schaufelspitzen direkt zur Rotoroberfläche geführt. EP844367 offenbart einen geschweissten Rotor für eine Strömungsmaschine mit mehreren Rotorscheiben, die zwischen Schweissnähten jeweils einen ringförmigen Hohlraum aufweisen zwecks Durchströmung eines Kühldampfs. Das Kühlmedium wird durch den Rotor selbst radial auswärts zu den Schaufelfüssen geführt.
  • EP1705339 offenbart einen Rotor für eine Gasturbine mit radial verlaufen Kühlluftkanälen, wobei diese einen elliptischen Querschnitt aufweisen.
  • Bei Rotoren für Gasturbinen sind insbesondere die, in Strömungsrichtung der zu verdichtenden Luft, letzten Rotorscheiben im Kompressor aufgrund der Verdichtung der Luft hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt. Die Temperatur steigt dabei die Temperatur über die Länge des Kompressors stetig an, wobei die Wärme radial in den Rotor eindringt. In den genannten letzten Rotorscheiben ist eine aktive Kühlung notwendig, um die Materialtemperatur unter einem gewissen Niveau zu halten und eine entsprechend zu erwartende Betriebslebensdauer des Rotors zu erreichen.
  • Eine bekannte Technik zur Kühlung der letzten Rotorscheibe eines Verdichters ist in Figur 1 dargestellt.
  • Ein Rotor 1 für eine Gasturbine mit Rotorachse 2 weist mehrere Rotorscheiben 3, 4 und 5 auf, die durch Schweissnähte 6 zwischen inneren Hohlräumen H und H', die durch das axiale Zusammenfügen der Scheiben gebildet werden, und der Rotoroberfläche miteinander verbunden sind. Die letzte Rotorscheibe 3 weist zudem an ihrer Oberfläche eine Ausnehmung 7 auf. Dieser Ausnehmung wird Kühlluft von ausserhalb des Rotors zugeführt. Wärme aus dem Mittenbereich der letzten Scheibe 3 des Kompressorrotors wird in Richtung des Pfeils 8 und schliesslich über die gekühlte Ausnehmung entzogen. Der Wärmeabfluss 8 wird dabei dadurch begünstigt, wenn die Rotorscheibe in axialer Richtung massiv ausgestaltet ist. Einer massiven Ausgestaltung in axialer Richtung sind jedoch aufgrund der Fertigungstechnik solcher Rotoren sowie der Notwendigkeit, diese im Schmiedeprozess prüfen zu können, Grenzen gesetzt.
  • EP19316115 offenbart einen aus geschweissten Scheiben bestehenden Rotor für eine Dampfturbine. Die Rotorscheiben weisen jeweils Ausnehmungen auf, die sich von deren Mitte an der Rotorachse radial auswärts erstrecken, sodass nach dem Zusammenschweissen der Scheiben sich ein Hohlraum an der und um die Rotorachse bildet. Der Rotor wird an der Rotoroberfläche durch einen zugeführten Dampfstrom gekühlt.
  • Aus der DE101 12 062 ist ein Dampfturbinenrotor bekannt, der aus Rotorscheiben aufgebaut wird, die äussere kreisringförmige Verbindungsflächen aufweisen und bei der jeweils zwei Rotorscheiben über die gesamte Höhe der kreisringförmigen Verbindungsflächen mit einer Schweissnaht verbunden werden.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung ist die Aufgabe gestellt, einen aus einer Mehrzahl von Rotorscheiben geschweissten Rotor für einen Gasturbinenverdichter vorzuschlagen, bei dem die Materialtemperatur der Kompressorrotorscheiben während des Betriebs auf oder unter einem vorbestimmten Niveau gehalten werden kann, sodass eine vorbestimmte Betriebslebensdauer erwartet werden kann. Zugleich soll der Rotor, im Vergleich zu Rotoren des Standes der Technik, im Hinblick auf dessen Fertigung und Möglichkeiten zu dessen Prüfung im Schmiedeprozess verbessert sein. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zu Herstellung eines solchen Rotors vorzuschlagen.
  • Es wird ein kühlbarer, geschweisster Gasturbinenverdichter-Rotor mit einer Mehrzahl axial nebeneinander angeordneten und zusammengeschweissten Rotorscheiben aufgezeigt, wobei jede Rotorscheibe sich über mindestens drei Schaufelstufen erstreckt. Erfindungsgemäss weist der Rotor zusätzlich zu den zusammengeschweissten Rotorscheiben zwei oder mehr Rotorscheiben auf, die in einem Zentrumsbereich um die und an der Rotationsachse der Rotorscheiben stumpf aneinander gefügt sind, wobei der Zentrumsbereich die Rotorachse umfasst und sich von der Achse radial auswärts erstreckt. Zudem sind die zwei in Strömungsrichtung letzten Rotorscheiben in einem radial äusseren Bereich zusammengeschweisst, wobei dieser radial äussere Bereich radial ausserhalb des Zentrumsbereichs ist, die Rotoroberfläche umfasst und sich von der Oberfläche radial einwärts erstreckt. Zwischen dem Zentrumsbereich mit der stumpfen Aneinanderfügung und dem geschweissten, radial äusseren Bereich erstreckt sich ein Ringraum. Die in Strömungsrichtung letzte und stumpf an die zweitletzte Rotorscheiben gestossene Rotorscheibe weist zur Abführung von Wärme aus dem Zentrumsbereich der Rotorscheibe an die Oberfläche an ihrer radial äusseren Oberfläche eine Ausnehmung auf, die sich über den Umfang der Rotorscheibe erstreckt und durch ein von aussen zugeführtes Kühlmedium kühlbar ist.
  • Zweckmässigerweise ist die Ausnehmung an der letzten, den höchsten Temperaturen ausgesetzten Rotorscheibe angebracht. Die kühlbare Ausnehmung zusammen mit der stumpfen Aneinanderfügung der Rotorscheiben im Zentrumsbereich gewährleistet insbesondere einen erhöhten Wärmeabfluss aus dem Mittenbereich des Rotors zur Rotoroberfläche hin.
  • Die Erfindung ist insbesondere bei der letzten Rotorscheibe eines Verdichters oder bei den Rotorscheiben, die höheren Temperaturen ausgesetzt sind, vorteilhaft.
  • Der Rotor weist im Bereich der höchsten Temperaturen zwei oder mehr Rotorscheiben auf, die im Vergleich zu den Rotorscheiben des Standes der Technik kleiner, d.h. weniger dick ausgebildet sind. Dennoch erstrecken sie sich über mindestens drei Schaufelstufen. Aufgrund ihrer kleineren Grösse sind diese einfacher herzustellen. Insbesondere ist ihre Schmiedbarkeit verbessert und der erreichbare Umformgrad erhöht.
  • Zudem sind die einzelnen Rotorscheiben im Schmiedeprozess einfacher zu prüfen, da durch die kleinere Dicke der Scheiben der Schallweg bei der Prüfung verkürzt ist und dadurch Messresultate mit höherer Auflösung erreicht werden können.
  • Die stumpfe stossend Aneinanderfügung über den radial inneren Zentrumsbereich der zwei, in Strömungsrichtung letzten Rotorscheiben bewirken einen Wärmefluss aus dem Zentrumsbereich des Rotors an die radial äussere Oberfläche des Rotors, wo sie über die Ausnehmung abgeführt werden kann. Dadurch wird das insbesondere bei Gasturbineverdichtern auftretende Problem der übermässigen Erwärmung des Rotors an der in Strömungsrichtung letzten Stelle des Rotors gelöst. Die Materialtemperatur des Rotors während des Betriebs kann dadurch unter einem vorbestimmten Niveau gehalten werden und somit die Betriebslebensdauer des Rotors erhöht werden. Die Ausführung des erfindungsgemässen kühlbaren Rotors ist an der letzten und den höchsten Temperaturen ausgesetzten Stelle des Rotors am wirksamsten.
  • Die erfindungsgemässen Rotorscheiben können auch an jeder zweckmässigen Stelle des Rotors angeordnet werden, an der eine Kühlung aufgrund der Temperaturverhältnisse gleichsam notwendig oder wirksam ist.
  • In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist der Rotor zusätzlich zwischen den stumpf aneinander gestossenen Rotorscheiben im Zentrumsbereich der Scheiben eine Schicht mit einem wärmeleitendem Material auf. Beispielsweise ist diese Schicht an der Oberfläche einer der beiden Rotorscheiben angebracht. Für das wärmeleitende Material ist zum Beispiel ein Metall mit höherer Wärmeleitfähigkeit als die des Rotorstahls geeignet.
  • Durch den Einsatz eines wärmeleitenden Bestandteils wird der Wärmefluss aus der Mitte der Rotorscheibe, also aus dem Bereich um die Rotationsachse und von der ersten zur zweiten aneinander gestossenen Rotorscheiben zur äusseren Oberfläche des Rotors weiter begünstigt und die zu erwartende Lebensdauer des Rotors weiter erhöht.
  • Sämtliche der aufgezeigten Ausführungen des erfindungsgemässen Rotors sind nicht nur auf zwei Rotorscheiben beschränkt, sondern lassen sich in geeigneter Weise auf mehrere Rotorscheiben des Rotors anwenden.
  • In einem Verfahren zur Herstellung eines kühlbaren Gasturbinen-Verdichter-Rotors wird eine Mehrzahl von Rotorscheiben zusammengeschweisst. Erfindungsgemäss werden mindestens zwei Rotorscheiben bereit gestellt, die je eine ringförmige, sich um die Rotationsachse der Scheiben erstreckende Ausnehmung aufweisen, sodass ein Ringraum zwischen den Rotorscheiben entsteht, wenn die Rotorscheiben axial nebeneinander angeordnet werden. Die Rotorscheiben werden an der in Strömungsrichtung letzten und zweitletzten Stelle des Rotors angeordnet und in einem radial äusseren Bereich, der sich von dem Ringraum radial auswärts bis zur äusseren Oberfläche der Scheiben erstreckt, zusammengeschweisst und in einem radialen Zentrumsbereich, der sich von der Rotorscheibenmitte oder der Rotationsachse der Scheiben radial auswärts bis zum Ringraum erstreckt, stumpf aneinander gefügt. Zudem wird an der in Strömungsrichtung letzten Stelle angeordneten Rotorscheibe eine kühlbare Ausnehmung angebracht, die sich über den Umfang der Rotorscheibe erstreckt.
  • Hierfür werden in einer Ausführung des Verfahrens die zwei Rotorscheiben im radial äusseren Bereich zusammengeschweisst und sodann durch Schweissschrumpf zusammengezogen.
  • Durch den Schweissschrumpf entsteht eine Druckeigenspannung, welche eine erhöhte Betriebslebensdauer des Rotors ermöglicht.
  • In einer Ausführung werden die stumpf aneinander gestossenen Rotorscheiben an der Stelle der höchsten zu erwartenden Materialtemperaturen des Rotors angeordnet.
  • In einer weiteren Ausführung des Verfahrens wird im Zentrumsbereich zumindest einer der zwei in Strömungsrichtung letzten Rotorscheiben eine Schicht eines wärmeleitenden Materials aufgetragen. Danach werden die beiden Rotorscheiben in deren radial äusseren Bereich zusammengeschweisst. Im Zentrumsbereich um die Rotationsachse der Scheiben werden sie wiederum stumpf aneinander gefügt.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen
    • Figur 1 im Querschnitt einen geschweissten Gasturbinenverdichter-Rotor des Standes der Technik.
    • Figur 2 im Querschnitt eine erste Ausführung eines Teils eines geschweissten Gasturbinenverdichter-Rotors, insbesondere der Rotorscheiben gemäss der Erfindung.
    • Figur 3 im Querschnitt eine zweite Ausführung eines Teils eines geschweissten Gasturbinenverdichter-Rotors gemäss der Erfindung.
    • Figur 4 im Querschnitt eine dritte Ausführung eines Teils eines geschweissten Gasturbinenverdichter-Rotors, insbesondere der Rotorscheiben gemäss der Erfindung.
  • Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren bedeuten jeweils gleiche Bestandteile.
    • Ausführung der Erfindung
  • Figur 2 zeigt im Längsquerschnitt einen Gasturbinenverdichter-Rotor 1 mit Rotorachse 2. Der Rotor 1 umfasst eine Mehrzahl von Rotorscheiben, wovon in der Figur lediglich Rotorscheiben 3, 4 und 5 dargestellt sind. Die Rotorscheiben sind jeweils so ausgeführt, dass sie mindestens drei Schaufelstufen des Verdichters aufnehmen können. Sie unterscheiden sich dadurch von Rotorscheiben eines sogenannt "laminar" ausgeführten Rotors, die sich über nur eine Schaufelstufe erstrecken. Rotorscheiben 4 und 5 weisen je in ihrer Mitte eine Ausnehmung auf, die nach Zusammenfügen der Scheiben einen Hohlraum H bilden. Die Rotorscheiben 4 und 5 sind durch Schweissnaht 6 zwischen dem Hohlraum H und der radial äusseren Oberfläche der Scheiben 4 und 5 miteinander verbunden. Die Rotorscheibe 3 des Rotors des Standes der Technik ist erfindungsgemäss durch zwei einzelne, im Vergleich weniger massiv ausgebildete Rotorscheiben 3a und 3b realisiert. In dem gezeigten Beispiel sind die Rotorscheiben 3a und 3b die in Strömungsrichtung an letzter und zweitletzter Stelle angeordnete Rotorscheiben eines Verdichters. Diese weisen in ihrem Zentrumsbereich an ihren einander axial zugewandten Seiten je eine Ausnehmung auf, die bei ihrer Zusammenfügung einen Ringraum H" bilden. Die Rotorscheibe 3b ist mit der benachbarten Rotorscheibe 4 mittels einer Schweissnaht 6' auf gleiche Weise wie die Rotorscheiben 4 und 5 zusammengefügt. Sie weist stromaufseitig ebenfalls eine Ausnehmung auf, die bei Zusammenfügung mit Scheibe 4 den Hohlraum H' bildet, der dem Hohlraum H ähnlich ist.
  • Die Rotorscheiben 3a und 3b sind in einem radial äusseren Bereich 9' durch die Schweissnaht 10 miteinander verbunden, die sich vom Ringraum H" bis zur Oberfläche des Rotors erstreckt. In einem Zentrumsbereich 9 um die Rotationsachse 2 der Rotorscheiben 3a und 3b sind die einander zugewandten Oberflächen der Scheiben stumpf aneinander gestossen.
  • Der Zentrumsbereich 9 des Rotors ist beispielsweise der Bereich, der die Rotationsachse umfasst und sich um die Rotationsachse der Scheiben und über den radial inneren Bereich erstreckt und der von der ringförmigen Ausnehmung an den einander zugewandten Seiten der Rotorscheiben 3a und 3b umgeben ist. Aus diesem Zentrumsbereich ist auch die Wärme abzuführen ist, um eine Überhitzung des Rotors zu vermeiden. Nach Zusammenfügen der Rotorscheiben 3a und 3b bilden die ringförmigen Ausnehmungen der Scheiben den Ringraum H". Der radial äussere Bereich 9' erstreckt sich beispielsweise zwischen den inneren Ausnehmungen der Scheiben oder dem Ringraum H" und der Rotoroberfläche. Die stumpfe Aneinanderfügung gewährleistet einen Wärmefluss 8 aus dem Zentrumsbereich 9 der Rotorscheibe 3b über die Rotorscheibe 3a und radial nach aussen zur Rotoroberfläche, wo die Wärme abgeführt werden kann.
  • Figur 3 zeigt den gleichen Rotor wie in Figur 2, jedoch mit dem zusätzlichen Merkmal an der Rotorscheibe 3a, die in Strömungsrichtung am Rotor an letzter Stelle angeordnet ist. Sie weist an ihrer Oberfläche eine Ausnehmung 7 oder Ringnut auf, die sich über den Umfang der Rotorscheibe erstreckt und von aussen durch ein geeignetes Kühlmedium gekühlt werden kann, wie zum Beispiel Kühlluft oder Kühldampf. Die Wärme, die aus dem Zentrumsbereich 9 der Rotorscheiben 3a und 3b an die Oberfläche geleitet wird, wird mit erhöhter Wirksamkeit über die Ausnehmung 7 abgeführt.
  • In einer besonders wirksamen Ausführung der Erfindung ist die Ausnehmung 7 der Rotorscheibe 3a mit einer elliptischen Querschnittskontur ausgeführt.
  • Figur 4 zeigt eine erweiterte Ausführung des erfindungsgemässen Rotors 1 bestehend wiederum aus Rotorscheiben 3a, 3b, 4, 5. Die Rotorscheiben 3a und 3b weisen wiederum an ihren einander axial zugewandten Seiten je eine ringförmige Ausnehmung auf, die bei der Zusammenfügung einen Ringraum H" bilden. Ein Zentrumsbereich 9 an den einander zugewandten Oberflächen der Rotorscheiben 3a, 3b erstreckt sich über den Bereich, der vom Ringraum H" umgeben wird. Die erweiterte Ausführung unterscheidet sich von dem Rotor von Figur 2 und 3 in der Realisierung des Wärmeübergangs im Zentrumsbereich 9 der Rotorscheiben 3a und 3b. Die Rotorscheibe 3a oder 3b weist in ihrem Zentrumsbereich 9 eine Schicht 11 eines wärmeleitenden Materials auf. Diese Schicht 11 und die Oberfläche des Zentrumsbereichs 9 der Rotorscheibe 3b sind wiederum stumpf aneinander gefügt.
  • Die Schicht 11 besteht beispielsweise aus einem geeigneten Metall mit einer Wärmeleitfähigkeit grösser als die des Rotormaterials.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Rotor
    2
    Rotorachse
    4,5
    Rotorscheiben, geschweisst
    3
    letzte Rotorscheibe
    3a, 3b
    Rotorscheiben, stumpf aneinander gefügt und geschweisst
    6, 6'
    Schweissnaht
    7
    Ausnehmung
    8
    Wärmefluss
    9
    Zentrumsbereich
    9'
    radial äusserer Bereich
    10
    Schweissnaht
    11
    wärmeleitende Schicht
    H, H'
    Hohlraum
    H"
    Ringraum

Claims (9)

  1. Kühlbarer Gasturbinenverdichter-Rotor (1) mit einer Mehrzahl von zusammengeschweissten Rotorscheiben (3a, 3b, 4, 5), wobei jede Rotorscheibe (3a, 3b, 4, 5) sich über mindestens drei Schaufelstufen erstreckt, wovon mindestens zwei Rotorscheiben (3a, 3b) axial nebeneinander und in Strömungsrichtung an der letzten und zweitletzten Stelle des Rotors (1) angeordnet sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die in Strömungsrichtung letzte Rotorscheibe (3a) und die in Strömungsrichtung zweitletzte Rotorscheibe (3b) an der einander zugewandten Seite je eine ringförmige, sich um die Rotationsachse der Scheiben erstreckende Ausnehmung aufweisen, wobei die einander axial zugewandten Ausnehmungen einen Ringraum (H") zwischen der letzten Rotorscheibe (3a) und der zweitletzten Rotorscheibe (3b) bilden, und die in Strömungsrichtung letzte Rotorscheibe (3a) und die in Strömungsrichtung zweitletzte Rotorscheibe (3b) einen Zentrumsbereich (9) aufweisen, der die Rotationsachse (2) des Rotors (1) umfasst und sich von der Rotationsachse (2) radial auswärts bis zum Ringraum (H") erstreckt, und die letzte und zweitletzte Rotorscheiben (3a, 3b) einen je radial äusseren Bereich (9') aufweisen, der die radial äussere Oberfläche des Rotors umfasst und sich radial einwärts bis zum Ringraum (H") erstreckt, und
    zur Abführung von Wärme aus dem Zentrumsbereich (9) der zwei, in Strömungsrichtung letzten Rotorscheiben (3a, 3b) die zwei, in Strömungsrichtung letzten Rotorscheiben (3a, 3b) in ihrem Zentrumsbereich (9) stumpf aneinander gestossen sind und in ihrem radial äusseren Bereich (9') der Rotorscheiben (3a, 3b), zusammengeschweisst sind und
    zwischen dem Zentrumsbereich (9) und dem radial äusseren Bereich (9') der zwei, in Strömungsrichtung letzten Rotorscheiben (3a, 3b) sich ein Ringraum (H") erstreckt.
  2. Rotor (1) nach Anspruch 1
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zwischen den in Strömunngsrichtung letzten und zweitletzten stumpf aneinander gestossenen Rotorscheiben (3a, 3b) in deren Zentrumsbereich (9) eine Schicht (11) mit einem wärmeleitenden Material angeordnet ist.
  3. Rotor (1) nach Anspruch 2
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schicht (11) auf die Oberfläche einer der in Strömunngsrichtung letzten und zweitletzten stumpf aneinander gestossenen Rotorscheiben (3a, 3b) aufgetragen ist.
  4. Rotor (1) nach Anspruch 2 oder 3
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Ausnehmung (7) eine elliptische Querschnittskontur aufweist.
  5. Rotor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die in Strömunngsrichtung letzten und zweitletzten stumpf aneinander gestossenen Rotorscheiben (3a, 3b) an einer Stelle am Rotor mit einer der höchsten Materialtemperatur im gesamten Rotor angeordnet sind.
  6. Rotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die in Strömungsrichtung letzte der zwei stumpf aneinander gestossenen Rotorscheiben (3a, 3b) an ihrer äusseren Oberfläche eine Ausnehmung (7) aufweist, die durch ein von aussen zugeführtes Kühlmedium kühlbar ist und die sich über den Umfang der Rotorscheibe erstreckt.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Gasturbinenverdichter-Rotors (1), wobei eine Mehrzahl von Rotorscheiben (3a, 3b, 4, 5) zusammengeschweisst werden, die sich je über mindestens drei Schaufelstufen des Verdichters erstrecken
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mindestens zwei Rotorscheiben (3a, 3b) für die in Strömungsrichtung letzte und zweitletze Stelle am Rotor bereit gestellt werden, die beiden für die in Strömunngsrichtung an letzter und zweitletzter Stelle des Rotors bestimmten Rotorscheiben (3a, 3b) an ihren axial zugewandten Seiten je eine ringförmige, sich um die Rotationsachse der Scheiben erstreckende Ausnehmung aufweisen und die Rotorscheiben axial nebeneinander angeordnet werden, sodass ein Ringraum zwischen den Rotorscheiben entsteht, und
    die in Strömungsrichtung letzte und zweitletze Rotorscheiben (3a, 3b) an der in Strömungsrichtung letzten und zweitletzten Stelle des Rotors (1) angeordnet werden und
    in einem radial äusseren Bereich (9'), der sich von dem Ringraum (H") radial auswärts bis zur äusseren Oberfläche der Scheiben (3a, 3b) erstreckt, zusammengeschweisst werden und
    in einem radialen Zentrumsbereich (9), der sich von der Rotorscheibenmitte oder der Rotationsachse (2) der in Strömungsrichtung letzten und zweitletzen Scheiben (3a, 3b) radial auswärts bis zum Ringraum (H") erstreckt, stumpf aneinandergestossen zusammengefügt werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 6
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die stumpf aneinander gestossenen in Strömungsrichtung letzten und zweitletzen Rotorscheiben (3a, 3b) durch Schweissschrumpf zusammengezogen werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7
    dadurch gekennzeichnet, dass
    vor dem stumpf aneinander Stossen und Schweissen der in Strömungsrichtung letzten und zweitletzen Rotorscheiben (3a, 3b) im Zentrumsbereich (9) um die Rotationsachse der Rotorscheiben (3a, 3b) zwischen den in Strömungsrichtung letzten und zweitletzen Rotorscheiben (3a, 3b) eine Schicht (11) mit einem wärmeleitenden Material angeordnet wird.
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