EP0984138A2 - Turbomachine with shaft cooling - Google Patents
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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- F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
- F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
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- F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
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- F01D5/187—Convection cooling
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- F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
- F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid
Definitions
- the invention relates to a turbomachine, in particular a compressor Gas turbine, according to the preamble of claim 1.
- a first solution is to provide so-called heat shields prevent direct contact of the heated flow medium with the rotor shaft and thus their warming within the limits considered to be permissible should hold.
- the disadvantage here is the increase in manufacturing costs and Complexity of the turbomachine due to the additional components.
- the invention tries to avoid the disadvantages described. You are the Based on the task of specifying a turbomachine of the type mentioned at the outset, which allows the rotor shaft to be cooled locally with high efficiency, so that the life expectancy of the rotor shaft even at extremely high thermal Load is not significantly affected.
- cooling blades which are from a cooling air supply are fed.
- the cooling blades are designed such that they essentially are penetrated in the radial direction by air guide channels and in the area of the blade tips have blow-out openings that are aligned with the rotor shaft are.
- heat shields can be used can be completely dispensed with because the rotor shaft is locally cooled in a targeted manner can.
- the lifespan of the blading increases as a result of the cooling air caused lower temperature levels. This does not only concern that Cooling blades through which cooling air flows, but also the downstream, not refrigerated shovel rings.
- the cooling air emerging at the blade tips also brings about an improvement the fluid mechanical properties. So on the one hand the boundary layer kinetic energy is locally supplied and influenced by the cooling air flow thereby positive. On the other hand, the emerging cooling air flow prevents the corresponding Design or arrangement of the blow-out openings a flow the guide vanes in the gap between the blade tips and the rotor shaft. Leakage losses in this area can therefore be avoided almost completely.
- the Compressors By improving these aero-thermodynamic conditions, the Compressors also have improved operating behavior, which can also be seen in a clear Raising the surge limit is reflected.
- the vibration behavior can be of the blades vary within wide limits. So it is possible to coordinate the natural frequency and flutter characteristics within limits so that critical vibration states no longer occur.
- the attachment of the air duct to the guide vanes is in the Usually very easy and inexpensive, because cooling blades are especially thermal highly loaded rear stages of compressors and these Guide vanes are usually not or only slightly twisted.
- the air ducts can therefore usually be carried out as simple holes that the Push through the respective guide vane completely radially or as in the axial direction branch at an angle from a central air duct.
- the cooling device also has the advantage that it can be controlled very easily and precisely.
- the cooling air can do this immediately upstream or downstream compressor stages are required
- another preparation in such a way that it with higher pressure and is fed in at a lower temperature than the local state variables corresponds to the main flow. If a cooling air flow from a higher one than cooling air Compressor stage is removed, it must be cooled. If on the other hand a cooling air flow is taken from a lower compressor stage, it must first be further compressed externally and then cooled.
- the cooling concept according to the invention can also be particularly advantageous for idlers can be applied with a cover tape.
- the cover tape enables one even more uniform formation of the cooling film in the circumferential direction, because the emerging cooling air partial flows are not directly captured by the main flow and get carried away.
- cooling blades are radial Direction slidably and are against the action of return springs shifted from their starting position by the pressure of the cooling air. This makes it possible to improve the compressor efficiency and in particular the Pumping limit raised significantly. This effect is with modern high pressure compressor stages clearly pronounced, because here for security reasons because of the slow response large gap widths must be provided to reliably prevent the blade tips from entering the rotor shaft.
- the return springs are a safety measure in the event that the Cooling air supply should be interrupted.
- the cooling blades sweep immediately back to their starting position and in this way enlarge the gap between the blade tips and the rotor, so that this also in the case of a then thermal radial expansion not in contact with the Blade tips can come.
- the blade root of the cooling blades is provided with a piston-shaped section, the in a correspondingly shaped cylindrical housing section is sealed to form a work space.
- the workspace is there in connection with the cooling air supply, so that when exposed to Cooling air is pushed out like a pneumatic cylinder, the cooling blades can.
- the air ducts of the cooling air blades are preferably communicating Connection to the respective work area, which makes the airflow special simply designed.
- the airflow fed by the cooling air supply first gets into the work area and causes the radial displacement the shovel.
- the cooling air flow now enters directly from the work area the air guide channels and leaves the blade in the area of the blade tip through the blow-out openings.
- the coordination of the geometry of the air duct Channel sections and the pressure conditions in the compressed air supply is such that the air jets emerging from the exhaust openings have a high speed own and at high speed on the opposite Impact arranged rotor shaft.
- the impact cooling achieved in this way is guaranteed an optimal heat transfer and thus an optimal cooling effect for the rotor shaft.
- two adjacent cooling blades are fixed to each other connected and slidably supported. This simplifies further the constructive structure of the bearing without the cooling effect disadvantageous to influence.
- the air duct channels are preferred as bores, in particular as radial Through holes carried out, which minimizes the manufacturing effort can hold.
- the cooling blades preferably each have several, in particular parallel to one another running air duct on, so that each of the cooling blades can form several partial cooling air jets. This allows cooling one Axial section of the rotor shaft corresponding to the axial width of the respective Diffuser.
- rotor cooling on which the invention is based is particularly evident 1 and 2. It is a typical compressor stage of a high pressure compressor with an impeller and a stator, symbolized by a blade 11 and vane 12 shown. The blades 11 are in themselves known manner attached to a rotor shaft 18 which rotates in the direction of rotation D. is drivable.
- the blades 11 are followed by the guide blades 12, which are known Way attached to a housing section 17 - and thus fixed are.
- the guide blades 12 are designed as cooling blades. You point to this Purpose air guide channels 13 which are continuous in the radial direction within the cooling blade 12 and extend in the area of the blade tip 15 as Blow-out openings 14 open out.
- the blow-out openings 14 are on the rotor shaft 18 aligned.
- the air duct 13 are in a manner not shown with a Cooling air supply connected, which supplies cooling air.
- the pressure is like this chosen that cooling air jets K at high speed from the exhaust openings 14 emerge and strike the immediately adjacent rotor shaft 18.
- the cooling effect achieved in this way is enormous, since the heat transfer coefficient - and thus the transferable cooling energy - is very high.
- the cooling air channels 13 do not have to necessarily have a circular cross section.
- the cross-sectional shape optimally matches the profile cross-sectional shape of the guide vane 12 be adjusted so that a high and optimally distributed air flow can be realized leaves.
- further advantages result from the fact that the guide vane 12 or the surface around which it flows, is cooled from the inside. So reduced the thermal stress on the guide vane 12 with the thus associated advantages of an extended service life or the possibility of allow a higher process temperature already at the time of design.
- a rotor shaft 38 has a circumferential groove in the axial section to be cooled 39, into which a cooling blade 32 protrudes radially with its blade tip 35. Blow-out openings 34 are again provided, through which cooling air jets K emerge.
- This configuration may have a. the advantage that the emerging cooling air K is not immediate is caught by the main flow H and carried away. This is the local cooling effect is more pronounced than, for example, that described above Configuration.
- FIG. 4 has cooling blades 42 which are connected to a Shroud 46 are connected to one another in the area of the blade tips 45. Blow-out openings 44 are again arranged in the area of the blade tips 45, emerge through the cooling air jets K. These hit directly opposite on a rotor shaft 48 and cool it locally. Between the Shroud 46 and the rotor 48 is a continuous annular gap in the circumferential direction 49 available, so that a certain retention effect for the emerging cooling air jets K is given.
- cooling blades 52 which Have blade tips 55 that extend radially in the direction of a rotor shaft 58 expand funnel-shaped. In turn, in the area of the blade tips 55 Blow-out openings 54 are provided, through which cooling air jets K are expelled become.
- the funnel shape of the blade tips 55 enables the application of the rotor shaft 58 along a larger circumferential section than is the case with radial straight-ended blades would be possible.
- cooling blades have 62 a blade root 67 in the manner of a piston-shaped radial section on that in a correspondingly shaped cylindrical housing section 78 is slidably mounted.
- a working space 77 is created which a supply channel 76 opens. Through the supply channel 76 is off the cooling air supply, not shown here, cooling air to the working space 77 fed.
- the blade root 67 is provided with sealing rings 73, so that in this way the working space 77 is sealed off from the cylindrical housing section 78 is.
- cooling air is applied to the working space 77, there is a shift the cooling blade 62 towards the rotor shaft 68. Cooling air also occurs from the work space 77 into air guide channels 63 and leaves them through Blow-out openings 64.
- the sliding movement of the cooling blade 62 takes place against the action of return springs 74 which between the blade root 67 and the housing section 78 act in the region of the working space 77.
- the return springs 74 have the effect on the one hand that they the cooling blade 62 when switched off Withdraw cooling air supply and in this way a gap 70 between the blade tips 65 and the rotor shaft 68 is set to be as wide is dimensioned such that the blade tip 65 runs securely into the rotor shaft 68 is prevented.
- the Gap 70 is reduced to such an extent that a cooling air stream K discharges Air cushion is formed in the gap 70, which not only cools the rotor shaft 68, but also a reliable flow around the cooling blade 62 in the area of the gap 70 prevented.
- the compressor efficiency and the surge limit can be thereby increase optimally.
- the width of the gap 70 can be appropriately controlled for the cooling air supply can be designed to be variably adjustable.
- a particularly simple constructive Solution can also be achieved by not having a closer look here Shown stop is provided, the displacement of the cooling blade 62 limits and thus specifies the minimum width of the gap 70.
- each of the cooling blades 62 of a guide vane ring is individually displaceable is stored.
- This configuration includes an additional security aspect in the event that there is a local fault with a single cooling blade 62 - for example if the air duct 63 is blocked - the person concerned Cooling blade 62 returns to its original position.
- One in a row due to the lack of internal cooling of the cooling blade 62 caused thermal expansion in radial Direction does not lead to the blade tip 65 entering the rotor shaft 68.
- FIG. 8 shows a tandem arrangement of two cooling blades 82 on a common blade carrier 87.
- a shroud 86 is provided in the area of blade tips 85.
- cooling air jets K ejected from the cooling blades 82 via blow-out openings 84 and impact on a rotor shaft 88.
- both are here Cooling blades 82 configured radially displaceable together.
- a return spring 94 acts directly on the blade carrier 87.
- a housing section is used 98 as a rear stop for the blade carrier 87.
- the cooling air K each of the two cooling blades 82 is fed separately, with length compensation one bellows 95 each between a supply channel 96 and the blade carrier 87 is arranged.
Landscapes
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Abstract
Strömungsmaschine, insbesondere Verdichter einer Gasturbine, mit Laufschaufeln (11) und Leitschaufeln (12), bei der einzelne oder sämtliche Leitschaufeln (12) als Kühlschaufeln ausgebildet sind. Die Kühlschaufeln (12) weisen Luftführungskanäle (13) auf, die im Bereich der Schaufelspitzen (15) in Ausblaseöffnungen (14) münden. Kühlluft (K) wird durch die Ausblaseöffnungen (14) ausgestoßen und trifft auf eine Rotorwelle (18) mit hoher Geschwindigkeit auf. Die hierdurch erzielbare Kühlwirkung ist optimal und führt darüber hinaus zu einer Anhebung des Verdichterwirkungsgrades und der Pumpgrenze. Turbomachine, in particular compressor of a gas turbine, with moving blades (11) and guide blades (12), in which some or all of the guide blades (12) are designed as cooling blades. The cooling blades (12) have air guide channels (13) which open into blow-out openings (14) in the region of the blade tips (15). Cooling air (K) is expelled through the blow-out openings (14) and strikes a rotor shaft (18) at high speed. The cooling effect that can be achieved in this way is optimal and also leads to an increase in the compressor efficiency and the surge limit.
Description
Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere einen Verdichter einer Gasturbine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a turbomachine, in particular a compressor Gas turbine, according to the preamble of claim 1.
Bei Strömungsmaschinen mit hoher thermischer Belastung, insbesondere bei Verdichterstufen moderner Gasturbinen, ist die Rotorwelle als besonders gefährdetes Bauteil zu betrachten. Infolge der extremen Temperaturbelastungen sinkt die Lebensdauer herkömmlich verwendeter Materialien drastisch ab, so dass zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden müssen, um dieses Problem zu lösen.For turbo machines with high thermal loads, especially with compressor stages modern gas turbines, the rotor shaft is particularly vulnerable Component to consider. As a result of the extreme temperature loads, the service life is reduced conventionally used materials drastically, so that additional Measures need to be taken to solve this problem.
Ein erster Lösungsansatz besteht darin, sogenannte Hitzeschilde vorzusehen, die einen direkten Kontakt des erhitzten Strömungsmediums mit der Rotorwelle verhindern und damit deren Erwärmung innerhalb der als zulässig erachteten Grenzen halten sollen. Nachteilig hierbei ist die Zunahme der Herstellungskosten und Komplexität der Strömungsmaschine durch die zusätzlichen Bauteile.A first solution is to provide so-called heat shields prevent direct contact of the heated flow medium with the rotor shaft and thus their warming within the limits considered to be permissible should hold. The disadvantage here is the increase in manufacturing costs and Complexity of the turbomachine due to the additional components.
Ein weiterer Lösungsansatz besteht darin, die Rotorwelle aus einem Material mit verbessertem Hochtemperaturverhalten zu fertigen. Obwohl derartige Materialien verfügbar sind, ergeben sich im praktischen Einsatz neben erhöhten Materialkosten Probleme durch ein abweichendes Temperatur-Expansionsverhalten im Vergleich zu den Materialien benachbarter Bauteile. Insbesondere transiente Vorgänge, wie zum Beispiel das Starten der Maschine, bereiten durch die unterschiedlichen zeitabhängigen Temperatur-Expansionsverhalten enorme Schwierigkeiten.Another solution is to use a rotor shaft made of one material to produce improved high-temperature behavior. Although such materials are available, result in practical use in addition to increased material costs Problems due to a different temperature expansion behavior in the Comparison to the materials of neighboring components. Especially transient processes, such as starting the machine, prepare by the different time-dependent temperature expansion behavior enormous difficulties.
Schließlich ist es auch bekannt, Rotorwellen aus herkömmlichen Materialien über eine zentrale Kühlmittelbohrung zu kühlen, welche die Rotorwelle durchsetzt. Eine derartige Lösung ist jedoch äußerst kostenintensiv und darüber hinaus wenig effektiv.Finally, it is also known to use rotor shafts made from conventional materials to cool a central coolant hole that passes through the rotor shaft. A however, such a solution is extremely expensive and, moreover, not very effective.
Die Erfindung versucht, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art anzugeben, die es gestattet, die Rotorwelle lokal mit hoher Effektivität zu kühlen, so dass die Lebensdauererwartung der Rotorwelle auch bei extrem hoher thermischer Belastung nicht nennenswert beeinträchtigt wird.The invention tries to avoid the disadvantages described. You are the Based on the task of specifying a turbomachine of the type mentioned at the outset, which allows the rotor shaft to be cooled locally with high efficiency, so that the life expectancy of the rotor shaft even at extremely high thermal Load is not significantly affected.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass einzelne oder sämtliche Leitschaufeln als Kühlschaufeln ausgebildet sind, die von einer Kühlluftversorgung gespeist sind. Die Kühlschaufeln sind derart ausgebildet, dass sie in im Wesentlichen radialer Richtung von Luftführungskanälen durchsetzt sind und im Bereich der Schaufelspitzen Ausblaseöffnungen aufweisen, die auf die Rotorwelle ausgerichtet sind.According to the invention, this is achieved in that individual or all guide vanes are designed as cooling blades, which are from a cooling air supply are fed. The cooling blades are designed such that they essentially are penetrated in the radial direction by air guide channels and in the area of the blade tips have blow-out openings that are aligned with the rotor shaft are.
Die Vorteile der Erfindung sind vielfältiger Natur und beziehen sich sowohl auf technisch-konstruktive Vereinfachungen als auch auf aero-thermodynamische Aspekte.The advantages of the invention are diverse in nature and relate to both technical-constructive simplifications as well as aero-thermodynamic aspects.
Einer der Hauptvorteile der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch die direkte Beaufschlagung der Rotorwelle mit Kühlluft die erzielbare Kühlwirkung optimal gestaltet werden kann. Bereits eine vergleichsweise geringe Kühlluftmenge ist ausreichend, um die Rotorwelle lokal auf einem niedrigen Temperaturniveau zu halten. Der letztgenannte Effekt kann auf verschiedene Art und Weise genutzt werden.One of the main advantages of the invention can be seen in that the direct Applying cooling air to the rotor shaft optimally designs the achievable cooling effect can be. A comparatively small amount of cooling air is sufficient, to keep the rotor shaft locally at a low temperature level. The latter effect can be used in different ways.
Einerseits ist es möglich, herkömmliche, preisgünstige Materialien zur Herstellung der Rotorwelle zu verwenden, auch wenn ein höheres Druckverhältnis als bisher realisiert wird. On the one hand, it is possible to manufacture conventional, inexpensive materials to use the rotor shaft, even if a higher pressure ratio than before is realized.
Selbst in thermisch stark belasteten Hochdruckverdichterstufen kann auf Hitzeschilde vollständig verzichtet werden, da die Rotorwelle örtlich gezielt gekühlt werden kann.Even in high-pressure compressor stages with high thermal loads, heat shields can be used can be completely dispensed with because the rotor shaft is locally cooled in a targeted manner can.
Aufgrund der hohen Kühleffektivität kann es ausreichend sein, lediglich einzelne Leitschaufeln eines Leitschaufelkranzes als Kühlschaufeln auszubilden. Im Regelfall sind jedoch sämtliche Laufschaufeln eines Schaufelkranzes gekühlt, da sich auf diese Weise eine optimal vergleichmäßigte Beaufschlagung der Rotorwelle mit Kühlluft erzielen läßt.Due to the high cooling effectiveness, it may be sufficient, just a few To form guide vanes of a guide vane ring as cooling blades. As a general rule However, all the blades of a blade ring are cooled because in this way an optimally even application of the rotor shaft Can achieve cooling air.
Andererseits erhöht sich die Lebensdauer der Beschaufelung infolge des durch die Kühlluft bewirkten niedrigeren Temperaturniveaus. Dies betrifft nicht nur die Kühlschaufeln, die von Kühlluft durchströmt werden, sondern auch die stromabgelegenen, nicht gekühlten Schaufelkränze.On the other hand, the lifespan of the blading increases as a result of the cooling air caused lower temperature levels. This does not only concern that Cooling blades through which cooling air flows, but also the downstream, not refrigerated shovel rings.
Insgesamt erniedrigt sich auch die Verdichteraustrittstemperatur, so dass sich der aero-thermodynamische Wirkungsgrad des Verdichters verbessert.Overall, the compressor outlet temperature also drops, so that the Aero-thermodynamic efficiency of the compressor improved.
Auch bewirkt die an den Schaufelspitzen austretende Kühlluft eine Verbesserung der strömungsmechanischen Eigenschaften. So wird einerseits der Grenzschicht durch den Kühlluftstrom kinetische Energie lokal zugeführt und beeinflusst diese dadurch positiv. Andererseits verhindert der austretende Kühlluftstrom bei entsprechender Gestaltung bzw. Anordnung der Ausblaseöffnungen eine Umströmung der Leitschaufeln im Spalt zwischen den Schaufelspitzen und der Rotorwelle. Leckverluste in diesem Bereich sind somit fast vollständig zu vermeiden.The cooling air emerging at the blade tips also brings about an improvement the fluid mechanical properties. So on the one hand the boundary layer kinetic energy is locally supplied and influenced by the cooling air flow thereby positive. On the other hand, the emerging cooling air flow prevents the corresponding Design or arrangement of the blow-out openings a flow the guide vanes in the gap between the blade tips and the rotor shaft. Leakage losses in this area can therefore be avoided almost completely.
Durch die Verbesserung dieser aero-thermodynamischen Verhältnisse zeigt der Verdichter auch ein verbessertes Betriebsverhalten, das sich auch in einer deutlichen Anhebung der Pumpgrenze niederschlägt.By improving these aero-thermodynamic conditions, the Compressors also have improved operating behavior, which can also be seen in a clear Raising the surge limit is reflected.
Durch Variation von Auslegungsparametern der Luftführungskanäle, wie beispielsweise Anzahl, Dimensionierung oder Ort der Anbringung, läßt sich das Schwingungsverhalten der Schaufeln in weiten Grenzen variieren. Damit ist es möglich, die Eigenfrequenz- und Flattercharakteristik in Grenzen so abzustimmen, dass kritische Schwingungszustände nicht mehr auftreten. By varying the design parameters of the air duct, such as Number, dimensioning or location of attachment, the vibration behavior can be of the blades vary within wide limits. So it is possible to coordinate the natural frequency and flutter characteristics within limits so that critical vibration states no longer occur.
Das Anbringen der Luftführungskanäle an den Leitschaufeln gestaltet sich in der Regel denkbar einfach und kostengünstig, da Kühlschaufeln speziell in den thermisch hochbelasteten hinteren Stufen von Verdichtern vorzusehen sind und diese Leitschaufeln im Regelfall nicht oder nur wenig verwunden sind. Die Luftführungskanäle können deshalb meist als einfache Bohrungen ausgeführt werden, die die jeweilige Leitschaufel radial vollständig durchsetzen bzw. als in axialer Richtung geneigt von einem zentralen Luftführungskanal abzweigen.The attachment of the air duct to the guide vanes is in the Usually very easy and inexpensive, because cooling blades are especially thermal highly loaded rear stages of compressors and these Guide vanes are usually not or only slightly twisted. The air ducts can therefore usually be carried out as simple holes that the Push through the respective guide vane completely radially or as in the axial direction branch at an angle from a central air duct.
Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung hat darüber hinaus den Vorteil, dass sie sehr leicht und präzise angesteuert werden kann. Die Kühlluft kann hierbei unmittelbar vor- oder nachgeschalteten Verdichterstufen entnommen werden, bedarf jedoch noch einer Aufbereitung dahingehend, dass sie mit höherem Druck und niedrigerer Temperatur eingespeist wird, als dies den örtlichen Zustandsgrößen der Hauptströmung entspricht. Sofern als Kühlluft ein Kühlluftstrom aus einer höheren Verdichterstufe entnommen wird, muss dieser gekühlt werden. Wenn hingegen ein Kühlluftstrom aus einer niedrigeren Verdichterstufe entnommen wird, muss dieser zunächst extern weiter verdichtet und anschließend gekühlt werden.The cooling device according to the invention also has the advantage that it can be controlled very easily and precisely. The cooling air can do this immediately upstream or downstream compressor stages are required However, another preparation in such a way that it with higher pressure and is fed in at a lower temperature than the local state variables corresponds to the main flow. If a cooling air flow from a higher one than cooling air Compressor stage is removed, it must be cooled. If on the other hand a cooling air flow is taken from a lower compressor stage, it must first be further compressed externally and then cooled.
Das erfindungsgemäße Kühlkonzept kann mit besonderem Vorteil auch bei Leiträdern mit einem Deckband angewendet werden. Das Deckband ermöglicht eine noch stärker vergleichmäßigte Ausbildung des Kühlfilms in Umfangsrichtung, da die austretenden Kühlluftteilströme nicht direkt von der Hauptströmung erfasst und mitgerissen werden.The cooling concept according to the invention can also be particularly advantageous for idlers can be applied with a cover tape. The cover tape enables one even more uniform formation of the cooling film in the circumferential direction, because the emerging cooling air partial flows are not directly captured by the main flow and get carried away.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind darauf gerichtet, die Kühlluft zugleich zur Beeinflussung der Spaltbreite zwischen den Leitschaufelspitzen und der Rotorwelle zu verwenden. Hierzu sind die Kühlschaufeln in radialer Richtung verschiebbar gelagert und werden gegen die Wirkung von Rückstellfedern aus ihrer Ausgangsposition heraus durch den Druck der Kühlluft verschoben. Damit ist es möglich, den Verdichterwirkungsgrad und insbesondere die Pumpgrenze erheblich anzuheben. Dieser Effekt ist bei modernen Hochdruckverdichterstufen deutlich ausgeprägt, da hier aus Sicherheitsgründen wegen des trägen Ansprechverhaltens große Spaltbreiten vorgesehen werden müssen, um ein Einlaufen der Schaufelspitzen in die Rotorwelle zuverlässig zu verhindern. Further preferred embodiments of the invention are directed to the Cooling air at the same time to influence the gap width between the guide vane tips and to use the rotor shaft. For this purpose, the cooling blades are radial Direction slidably and are against the action of return springs shifted from their starting position by the pressure of the cooling air. This makes it possible to improve the compressor efficiency and in particular the Pumping limit raised significantly. This effect is with modern high pressure compressor stages clearly pronounced, because here for security reasons because of the slow response large gap widths must be provided to reliably prevent the blade tips from entering the rotor shaft.
Die Rückstellfedern stellen eine Sicherheitsmaßnahme für den Fall dar, dass die Kühlluftversorgung unterbrochen werden sollte. Die Kühlschaufeln kehren unmittelbar in ihre Ausgangsposition zurück und vergrößern auf diese Weise den Spalt zwischen den Schaufelspitzen und dem Rotor, so dass dieser auch im Falle einer dann thermisch bedingten starken radialen Expansion nicht in Kontakt mit den Schaufelspitzen kommen kann.The return springs are a safety measure in the event that the Cooling air supply should be interrupted. The cooling blades sweep immediately back to their starting position and in this way enlarge the gap between the blade tips and the rotor, so that this also in the case of a then thermal radial expansion not in contact with the Blade tips can come.
Gemäß einer konstruktiv besonders einfachen Umsetzung dieses Konzeptes ist der Schaufelfuß der Kühlschaufeln mit einem kolbenförmigen Abschnitt versehen, der in einem korrespondierend gestalteten zylinderförmigen Gehäuseabschnitt unter Bildung eines Arbeitsraumes abgedichtet geführt ist. Der Arbeitsraum steht in Verbindung mit der Kühlluftversorgung, so dass bei einer Beaufschlagung mit Kühlluft nach Art eines Pneumatikzylinders die Kühlschaufeln ausgeschoben werden können.According to a constructively particularly simple implementation of this concept the blade root of the cooling blades is provided with a piston-shaped section, the in a correspondingly shaped cylindrical housing section is sealed to form a work space. The workspace is there in connection with the cooling air supply, so that when exposed to Cooling air is pushed out like a pneumatic cylinder, the cooling blades can.
Bevorzugt stehen die Luftführungskanäle der Kühlluftschaufeln in kommunizierender Verbindung mit dem jeweiligen Arbeitsraum, wodurch sich die Luftführung besonders einfach gestaltet. Der von der Kühlluftversorgung eingespeiste Luftstrom gelangt jeweils zunächst in den Arbeitsraum und bewirkt die Radialverschiebung der Schaufel. Aus dem Arbeitsraum tritt der Kühlluftstrom nunmehr unmittelbar in die Luftführungskanäle ein und verläßt die Schaufel im Bereich der Schaufelspitze durch die Ausblaseöffnungen. Die Abstimmung der Geometrie der luftführenden Kanalabschnitte und der Druckverhältnisse in der Druckluftversorgung ist derart, dass die aus den Ausblaseöffnungen austretenden Luftstrahlen eine hohe Geschwindigkeit besitzen und mit hoher Geschwindigkeit auf die gegenüberliegend angeordnete Rotorwelle auftreffen. Die hierdurch realisierte Prallkühlung gewährleistet einen optimalen Wärmeübergang und damit eine optimale Kühlwirkung für die Rotorwelle.The air ducts of the cooling air blades are preferably communicating Connection to the respective work area, which makes the airflow special simply designed. The airflow fed by the cooling air supply first gets into the work area and causes the radial displacement the shovel. The cooling air flow now enters directly from the work area the air guide channels and leaves the blade in the area of the blade tip through the blow-out openings. The coordination of the geometry of the air duct Channel sections and the pressure conditions in the compressed air supply is such that the air jets emerging from the exhaust openings have a high speed own and at high speed on the opposite Impact arranged rotor shaft. The impact cooling achieved in this way is guaranteed an optimal heat transfer and thus an optimal cooling effect for the rotor shaft.
Vorteilhafterweise sind jeweils zwei benachbarte Kühlschaufeln miteinander fest verbunden und zwangsgekoppelt verschiebbar gelagert. Hierdurch vereinfacht sich weiter der konstruktive Aufbau der Lagerung, ohne die Kühlwirkung nachteilig zu beeinflussen. Advantageously, two adjacent cooling blades are fixed to each other connected and slidably supported. This simplifies further the constructive structure of the bearing without the cooling effect disadvantageous to influence.
Die Luftführungskanäle sind bevorzugt als Bohrungen, insbesondere als radiale Durchgangsbohrungen ausgeführt, wodurch sich der Fertigungsaufwand minimal halten läßt.The air duct channels are preferred as bores, in particular as radial Through holes carried out, which minimizes the manufacturing effort can hold.
Bevorzugt weisen die Kühlschaufeln jeweils mehrere, insbesondere parallel zueinander verlaufende Luftführungskanäle auf, so dass sich bei jeder der Kühlschaufeln mehrere Teilkühlluftstrahlen ausbilden können. Dies erlaubt die Kühlung eines Axialabschnittes der Rotorwelle entsprechend der axialen Breite des jeweiligen Leitrades.The cooling blades preferably each have several, in particular parallel to one another running air duct on, so that each of the cooling blades can form several partial cooling air jets. This allows cooling one Axial section of the rotor shaft corresponding to the axial width of the respective Diffuser.
Ein ähnlicher Effekt läßt sich auch dann erzielen, wenn jeweils mehrere radialmündende Ausblaseöffnungen vorgesehen sind, die auf einen gemeinsamen Luftführungskanal zugreifen. Eine solche Lösung wird beispielsweise bei solchen Kühlschaufeln angewendet, die verschiebbar mittels eines kolbenförmigen Abschnitts am Schaufelfuß ausgestattet sind und deshalb aus Platzgründen keine Mehrfachanordnung von Durchgangsbohrungen ermöglichen.A similar effect can also be achieved if there are several radial ends Blow-out openings are provided on a common air duct access. Such a solution is used, for example Cooling blades applied, which are slidable by means of a piston-shaped section are equipped on the blade root and therefore none for space reasons Allow multiple arrangement of through holes.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing.
Es zeigen:
- Fig. 1
- Verdichterstufe im Teillängsschnitt;
- Fig. 2
- Schnitt A-A gem. Fig. 1 in vergrößerter Darstellung;
- Fig. 3
- erste Ausführungsvariante, Teillängsschnitt;
- Fig. 4
- zweite Ausführungsvariante, Teilansicht im Axialschnitt;
- Fig. 5
- dritte Ausführungsvariante, Teilansicht im Axialschnitt;
- Fig. 6
- vierte Ausführungsvariante im Teillängsschnitt mit einstellbarer Spaltbreite;
- Fig. 7
- Ansicht von links gem. Fig. 6;
- Fig. 8
- weitere Ausführungsvariante mit einstellbarer Spaltbreite, Teilansicht im Axialschnitt.
- Fig. 1
- Compressor stage in partial longitudinal section;
- Fig. 2
- Section AA acc. Fig. 1 in an enlarged view;
- Fig. 3
- first variant, partial longitudinal section;
- Fig. 4
- second embodiment, partial view in axial section;
- Fig. 5
- third variant, partial view in axial section;
- Fig. 6
- fourth variant in partial longitudinal section with adjustable gap width;
- Fig. 7
- View from the left acc. Fig. 6;
- Fig. 8
- further design variant with adjustable gap width, partial view in axial section.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt, wobei teilweise lediglich die Funktion verdeutlichende, abstrakte Symbole verwendet wurden.Only the elements essential for understanding the invention are shown some of which only use abstract symbols to clarify the function were.
Das der Erfindung zugrundeliegende Konzept der Rotorkühlung ergibt sich insbesondere
aus den Fig. 1 und 2. Es ist eine typische Verdichterstufe eines Hochdruckverdichters
mit einem Lauf- und einem Leitrad, symbolisiert durch Laufschaufel
11 und Leitschaufel 12 dargestellt. Die Laufschaufeln 11 sind in an sich
bekannter Weise an einer Rotorwelle 18 angebracht, die in Drehrichtung D rotierend
antreibbar ist.The concept of rotor cooling on which the invention is based is particularly evident
1 and 2. It is a typical compressor stage of a high pressure compressor
with an impeller and a stator, symbolized by a
Den Laufschaufeln 11 sind die Leitschaufeln 12 nachgeschaltet, welche in bekannter
Weise an einem Gehäuseabschnitt 17 - und damit feststehend - angebracht
sind.The
Die Leitschaufeln 12 sind als Kühlschaufeln ausgebildet. Sie weisen zu diesem
Zweck Luftführungskanäle 13 auf, die sich in radialer Richtung durchgehend innerhalb
der Kühlschaufel 12 erstrecken und im Bereich der Schaufelspitze 15 als
Ausblaseöffnungen 14 münden. Die Ausblaseöffnungen 14 sind auf die Rotorwelle
18 ausgerichtet.The
Die Luftführungskanäle 13 sind in nicht näher dargestellter Art und Weise mit einer
Kühlluftversorgung verbunden, die Kühlluft zuführt. Der Druck ist hierbei so
gewählt, dass Kühlluftstrahlen K mit hoher Geschwindigkeit aus den Ausblaseöffnungen
14 austreten und auf die unmittelbar benachbarte Rotorwelle 18 auftreffen.
Die hierdurch erzielte Kühlwirkung ist enorm, da der Wärmeübergangskoeffizient
- und damit die übertragbare Kühlenergie - sehr hoch ist.The
Wie sich beispielsweise aus Fig. 2 ergibt, müssen die Kühlluftkanäle 13 nicht
zwangsläufig einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. So kann beispielsweise
die Querschnittsform optimal an die Profil-Querschnittsform der Leitschaufel 12
angepasst sein, so dass sich ein hoher und optimal verteilter Luftdurchsatz realisieren
läßt. Weitere Vorteile ergeben sich andererseits dadurch, dass die Leitschaufel
12 bzw. deren umströmte Oberfläche, von innen gekühlt wird. Damit reduziert
sich auch die thermische Beanspruchung der Leitschaufel 12 mit den damit
verbundenen Vorteilen einer verlängerten Lebensdauer bzw. der Möglichkeit,
bereits im Zeitpunkt der Auslegung eine höhere Prozesstemperatur zuzulassen.As can be seen, for example, from FIG. 2, the cooling
Die Fig. 3 bis 5 zeigen verschiedene Anwendungsvarianten in der konkreten Umsetzung der erfindungsgemäßen Kühlkonzeption.3 to 5 show different application variants in the concrete implementation the cooling concept according to the invention.
Eine Rotorwelle 38 weist in dem zu kühlenden Axialabschnitt eine umlaufende Nut
39 auf, in die eine Kühlschaufel 32 mit ihrer Schaufelspitze 35 radial hineinragt.
Wiederum sind Ausblaseöffnungen 34 vorgesehen, durch die Kühlluftstrahlen K
austreten.A
Diese Konfiguration hat u. a. den Vorteil, dass die austretende Kühlluft K nicht unmittelbar von der Hauptströmung H erfasst und mitgerissen wird. Dadurch ist die lokale Kühlwirkung stärker ausgeprägt als beispielsweise bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration.This configuration may have a. the advantage that the emerging cooling air K is not immediate is caught by the main flow H and carried away. This is the local cooling effect is more pronounced than, for example, that described above Configuration.
Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsvariante besitzt Kühlschaufeln 42, die mit einem
Deckband 46 im Bereich der Schaufelspitzen 45 miteinander verbunden sind.
Wiederum sind Ausblaseöffnungen 44 im Bereich der Schaufelspitzen 45 angeordnet,
durch die Kühlluftstrahlen K austreten. Diese treffen unmittelbar gegenüberliegend
auf eine Rotorwelle 48 auf und kühlen diese lokal. Zwischen dem
Deckband 46 und dem Rotor 48 ist ein in Umfangsrichtung durchgehender Ringspalt
49 vorhanden, so dass auch in diesem Fall ein gewisser Rückhalteeffekt für
die austretenden Kühlluftstrahlen K gegeben ist.The embodiment shown in FIG. 4 has cooling
Bei der Ausführungsvariante gemäß Fig. 5 sind Kühlschaufeln 52 vorhanden, welche
Schaufelspitzen 55 aufweisen, die sich radial in Richtung auf eine Rotorwelle
58 hin trichterförmig erweitern. Im Bereich der Schaufelspitzen 55 sind wiederum
Ausblaseöffnungen 54 vorgesehen, durch die Kühlluftstrahlen K ausgestoßen
werden. Die Trichterform der Schaufelspitzen 55 ermöglicht die Beaufschlagung
der Rotorwelle 58 längs eines größeren Umfangsabschnittes als dies bei radial
geradlinig endenden Schaufeln möglich wäre. 5, there are cooling
Allen vorstehenden Ausführungsvarianten ist gemeinsam, dass durch die austretenden
Kühlluftstrahlen K eine Umströmung der Schaufelspitzen 15, 35, 45, 55
durch Teilströme der Hauptströmung H weitgehend oder sogar vollständig verhindert
wird. Die Pumpgrenze solchermaßen gekühlter Verdichterstufen sind somit
merklich höher als bei vergleichbaren Verdichtern ohne Kühleinrichtung aus dem
Stand der Technik.All of the above design variants have in common that the exiting
Cooling air jets K flow around the
Bei den Ausführungsvarianten gemäß Fig. 6 bis 8 ist eine weitere Anhebung der Pumpgrenze und eine weitere Steigerung des Verdichterwirkungsgrades dadurch möglich, dass der Radialspalt des Leitrades während des Betriebes eingestellt, d. h. verkleinert werden kann.In the embodiment variants according to FIGS. 6 to 8, a further increase in the Pumping limit and a further increase in compressor efficiency possible that the radial gap of the stator is adjusted during operation, d. H. can be reduced.
Gemäß der in den Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsvariante weisen Kühlschaufeln
62 einen Schaufelfuß 67 nach Art eines kolbenförmigen Radialabschnittes
auf, der in einem korrespondierend gestalteten zylinderförmigen Gehäuseabschnitt
78 verschiebbar gelagert ist. Es entsteht ein Arbeitsraum 77, in
den ein Versorgungskanal 76 mündet. Durch den Versorgungskanal 76 wird aus
der hier nicht näher dargestellten Kühlluftversorgung Kühlluft dem Arbeitsraum 77
zugeführt.According to the embodiment variant shown in FIGS. 6 and 7, cooling blades have
62 a
Der Schaufelfuß 67 ist mit Dichtungsringen 73 versehen, so dass auf diese Weise
der Arbeitsraum 77 gegenüber dem zylindrischen Gehäuseabschnitt 78 abgedichtet
ist. Sobald der Arbeitsraum 77 mit Kühlluft beaufschlagt wird, erfolgt eine Verschiebung
der Kühlschaufel 62 auf die Rotorwelle 68 hin. Weiterhin tritt Kühlluft
aus dem Arbeitsraum 77 in Luftführungskanäle 63 ein und verläßt diese durch
Ausblaseöffnungen 64. Die Verschiebebewegung der Kühlschaufel 62 erfolgt gegen
die Wirkung von Rückstellfedern 74, die zwischen dem Schaufelfuß 67 und
dem Gehäuseabschnitt 78 im Bereich des Arbeitsraums 77 wirken. Die Rückstellfedern
74 haben einerseits die Wirkung, dass sie die Kühlschaufel 62 bei abgeschalteter
Kühlluftversorgung zurückziehen und auf diese Weise ein Spalt 70 zwischen
den Schaufelspitzen 65 und der Rotorwelle 68 eingestellt wird, der so breit
bemessen ist, dass ein Einlaufen der Schaufelspitze 65 in die Rotorwelle 68 sicher
verhindert wird. Andererseits wird bei eingeschalteter Kühlluftversorgung der
Spalt 70 soweit verkleinert, so dass durch die ausgestoßenen Kühlluftströme K ein
Luftkissen im Spalt 70 ausgebildet wird, welches nicht nur die Rotorwelle 68 kühlt,
sondern auch eine Umströmung der Kühlschaufel 62 im Bereich des Spalts 70 zuverlässig
verhindert. Der Verdichterwirkungsgrad und die Pumpgrenze lassen sich
hierdurch optimal steigern.The
Die Breite des Spalts 70 kann bei entsprechender Ansteuerung der Kühlluftversorgung
variabel einstellbar gestaltet werden. Eine besonders einfache konstruktive
Lösung kann aber auch dadurch erreicht werden, dass ein hier nicht näher
dargestellter Anschlag vorgesehen ist, der den Verschiebeweg der Kühlschaufel
62 begrenzt und damit die minimale Breite des Spalts 70 vorgibt.The width of the
Die in den Fig. 6 und 7 dargestellte Variante zeichnet sich weiterhin dadurch aus,
dass jede der Kühlschaufeln 62 eines Leitschaufelkranzes einzeln verschieblich
gelagert ist. Diese Konfiguration beinhaltet einen zusätzlichen Sicherheitsaspekt
dahingehend, dass im Falle einer lokalen Störung bei einer einzelnen Kühlschaufel
62 - beispielsweise bei Verstopfung des Luftführungskanals 63 - die betroffene
Kühlschaufel 62 in ihre Ausgangslage zurückkehrt. Eine in Folge der ausbleibenden
internen Kühlung der Kühlschaufel 62 bewirkte thermische Expansion in radialer
Richtung führt nicht zu einem Einlaufen der Schaufelspitze 65 in die Rotorwelle
68.The variant shown in FIGS. 6 and 7 is further characterized by
that each of the
Die in Fig. 8 dargestellte Variante zeigt eine Tandemanordnung zweier Kühlschaufeln
82 an einem gemeinsamen Schaufelträger 87. Im Bereich von Schaufelspitzen
85 ist ein Deckband 86 vorgesehen. Wiederum werden Kühlluftstrahlen
K aus den Kühlschaufeln 82 über Ausblaseöffnungen 84 ausgestoßen und prallen
auf eine Rotorwelle 88.The variant shown in FIG. 8 shows a tandem arrangement of two cooling
Im Unterschied zum vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind hier beide
Kühlschaufeln 82 gemeinsam radial verschiebbar ausgestaltet. Eine Rückstellfeder
94 wirkt unmittelbar auf den Schaufelträger 87 ein. Hierbei dient ein Gehäuseabschnitt
98 als rückwärtiger Anschlag für den Schaufelträger 87. Die Kühlluft K
wird jeder der beiden Kühlschaufeln 82 separat zugeführt, wobei als Längenausgleich
jeweils ein Balg 95 zwischen einem Versorgungskanal 96 und dem Schaufelträger
87 angeordnet ist. In contrast to the exemplary embodiment described above, both are here
Cooling
- 1111
- LaufschaufelBlade
- 1212th
- Kühlschaufel, LeitschaufelCooling vane, guide vane
- 1313
- LuftführungskanalAir duct
- 1414
- AusblaseöffnungBlow-out opening
- 1515
- SchaufelspitzeBlade tip
- 1717th
- GehäuseabschnittHousing section
- 1818th
- RotorwelleRotor shaft
- 3232
- KühlschaufelCooling blade
- 3434
- AusblaseöffnungBlow-out opening
- 3535
- SchaufelspitzeBlade tip
- 3838
- RotorwelleRotor shaft
- 3939
- NutGroove
- 4242
- KühlschaufelCooling blade
- 4444
- AusblaseöffnungBlow-out opening
- 4545
- SchaufelspitzeBlade tip
- 4646
- DeckbandShroud
- 4848
- RotorwelleRotor shaft
- 4949
- RingspaltAnnular gap
- 5252
- KühlschaufelCooling blade
- 5454
- AusblaseöffnungBlow-out opening
- 5555
- SchaufelspitzeBlade tip
- 5858
- RotorwelleRotor shaft
- 6262
- KühlschaufelCooling blade
- 6363
- LuftführungskanalAir duct
- 6464
- AusblaseöffnungBlow-out opening
- 6565
- SchaufelspitzeBlade tip
- 6767
- SchaufelfußBlade root
- 6868
- RotorwelleRotor shaft
- 7070
- Spaltgap
- 7373
- DichtungsringSealing ring
- 7474
- RückstellfederReturn spring
- 7676
- VersorgungskanalSupply channel
- 7777
- Arbeitsraumworking space
- 7878
- Gehäuseabschnitt Housing section
- 8282
- KühlschaufelCooling blade
- 8484
- AusblaseöffnungBlow-out opening
- 8585
- SchaufelspitzeBlade tip
- 8686
- DeckbandShroud
- 8787
- SchaufelträgerShovel carrier
- 8888
- RotorwelleRotor shaft
- 9494
- RückstellfederReturn spring
- 9595
- Balgbellows
- 9696
- VersorgungskanalSupply channel
- 9898
- GehäuseabschnittHousing section
- HH
- HauptströmungMainstream
- KK
- KühlluftCooling air
- DD
- DrehrichtungDirection of rotation
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PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
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