專利名稱：燃氣輪機的轉(zhuǎn)子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按照權(quán)利要求1前序部分所述的轉(zhuǎn)子。此外本發(fā)明還涉及一種具有這樣轉(zhuǎn)子的熱流體機械。
背景技術(shù)：
蒸汽和燃氣輪機以及回轉(zhuǎn)式壓氣機均屬于熱流體機械。它們通常具有一個被固定的機匣圍繞的可旋轉(zhuǎn)地支承的轉(zhuǎn)子。熱流體機械的固定的結(jié)構(gòu)組件還總稱為定子。在轉(zhuǎn)子與定子之間，布設(shè)沿流體機械軸向延伸的流動通道，用于流通可壓縮的流動介質(zhì)。在轉(zhuǎn)子上，通常固定伸入到流動通道內(nèi)的以及組合成葉片組或葉片排的工作葉片。在是發(fā)動機的情況下，例如是燃氣輪機時，工作葉片用于通過傳遞高溫和處于壓力狀態(tài)下的流動介質(zhì)的沖量來驅(qū)動轉(zhuǎn)子軸。因此流動介質(zhì)的熱能在其膨脹時轉(zhuǎn)化為機械能，機械能可被利用于例如驅(qū)動發(fā)電機。
反之，在是屬于作工機械的回轉(zhuǎn)式壓氣機的情況下，轉(zhuǎn)子軸例如由電動機或內(nèi)燃機或通過其他方式驅(qū)動。設(shè)在轉(zhuǎn)子上的工作葉片在這里用于壓縮處于流動通道中的流動介質(zhì)，在此過程中流動介質(zhì)同時加熱。因此機械能轉(zhuǎn)化為流動介質(zhì)的熱能。
燃氣輪機的轉(zhuǎn)子通常遭受高的機械載荷和熱負荷。在燃氣輪機運行期間尤其由于工質(zhì)的高溫和作用在轉(zhuǎn)子上的力，使構(gòu)成轉(zhuǎn)子的那些轉(zhuǎn)子組成部分產(chǎn)生大的應(yīng)力。為了盡管如此一方面能保證工作可靠性，以及另一方面將轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)成本保持在可以接受的范圍內(nèi)，過去曾建議多種結(jié)構(gòu)設(shè)計的可能性。
轉(zhuǎn)子的一種建議的實施形式，例如是可通過單個構(gòu)件實現(xiàn)其制造。但是這種制造方法的生產(chǎn)過程比較復(fù)雜。尤其不可能與訂貨無關(guān)地預(yù)制以及各單個部分也不可能同時加工，所以需要長的連續(xù)生產(chǎn)時間。此外，必須
容忍相鄰工作葉片環(huán)之間較大的軸向距離，為的是能用相應(yīng)的刀具加工為固定葉片所必要的輪廓形狀。然而，這種工作葉片環(huán)之間因加工引起的比較大的距離，惡化了轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性。
此外還已知，由一個個轉(zhuǎn)子件組合而成的燃氣輪機轉(zhuǎn)子，其中，各個轉(zhuǎn)子件借助錨桿組合在一起。為此每個轉(zhuǎn)子件具有一個軸向延伸的孔，拉緊的錨桿可延伸穿過它們。通過在端側(cè)旋緊在錨桿上的螺母可以將錨桿拉緊，由此可以使在端面彼此貼靠的轉(zhuǎn)子件互相夾緊。因此轉(zhuǎn)子件被錨桿互相壓緊，以及通過所謂的端面齒傳遞作用在它們上的旋轉(zhuǎn)力，制在各自端側(cè)的端面齒在兩個相互貼靠的轉(zhuǎn)子件之間形成形狀封閉連接。
燃氣輪機的轉(zhuǎn)子在端側(cè)通過適用的軸承安裝在渦輪機的機匣內(nèi)。也可以取代螺母，在錨桿端側(cè)的外面旋上結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件，它們除了壓緊轉(zhuǎn)子件外還可以實現(xiàn)其他功能，例如將轉(zhuǎn)子支承在徑向和/或止推軸承中。
但是在燃氣輪機運行期間在轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生振動，其頻率主要取決于兩個止推軸承的間距，也就是說與轉(zhuǎn)子的自由振動長度有關(guān)，在這種結(jié)構(gòu)形式中主要取決于錨桿的自由振動長度。隨著燃氣輪機結(jié)構(gòu)長度的不斷增加，錨桿的自由振動長度也增大，從而導(dǎo)致其固有頻率向較低的水平轉(zhuǎn)移，靠近轉(zhuǎn)子部件的旋轉(zhuǎn)頻率。在燃氣輪機運行期間頻率的轉(zhuǎn)移可導(dǎo)致不允許的大振幅，其結(jié)果是可影響轉(zhuǎn)子的功能和造成渦輪機損壞。
值得期望的是，即使在渦輪機結(jié)構(gòu)長度增加時，錨桿固有頻率仍能保持足夠高而處于工作轉(zhuǎn)速之上。由此一方面保證渦輪機的運行可靠性，另一方面可以滿足提高功率的需求，與之相應(yīng)地，例如有必要增加燃氣輪機的結(jié)構(gòu)長度。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種本文開頭所述類型的轉(zhuǎn)子，它保證即使增加結(jié)構(gòu)長度燃氣輪機也能可靠地運行。此外，錨桿、尤其中央空心軸區(qū)域內(nèi)的振幅，應(yīng)保持盡可能小。
這里，布設(shè)在渦輪機側(cè)的區(qū)段與壓氣機側(cè)的區(qū)段之間的支承輪，成為支承錨桿的轉(zhuǎn)子組成部分。
本發(fā)明考慮問題的出發(fā)點在于，為了減小錨桿的振 應(yīng)將錨桿支承在一個轉(zhuǎn)子組成部分上，與此同時轉(zhuǎn)子組成部分因熱引起的不同膨脹仍應(yīng)保持能得到補償。尤其應(yīng)考慮由于提高了有關(guān)渦輪機功率的要求而使其長度增加，由此使錨桿的固有頻率接近燃氣輪機工作轉(zhuǎn)速的情況。通過錨桿由 支承輪支承，達到減小錨桿振動的目的。在這里支承輪意味著是另一個支 承的轉(zhuǎn)子組成部分，在這種情況下支承輪優(yōu)選地，沿轉(zhuǎn)子的軸向看，在一 個當渦輪機運行期間產(chǎn)生的振動幅度達到其最大值的區(qū)域內(nèi)與錨桿連接。
為了使錨桿的固有頻率保持足夠高在旋轉(zhuǎn)頻率之上，要求轉(zhuǎn)子組成部 分有盡可能高的剛度。為此將支承輪設(shè)置在轉(zhuǎn)子的渦輪機側(cè)區(qū)段與轉(zhuǎn)子的 壓氣機側(cè)區(qū)段之間，亦即設(shè)在可能出現(xiàn)錨桿振動時錨桿最大偏移的地方。 在燃氣輪機中這一 區(qū)域例如處于壓氣機部分與渦輪機部分之間。由此可以 將錨桿支承在就振動技術(shù)而言特別有效的位置上。
錨桿的支承優(yōu)選地通過支承輪與錨桿傳力地和/或形狀封閉地連接實 現(xiàn)。例如，支承輪可以熱壓配合在錨桿上。這種連接方式特別適用，因為 由此可以用簡單的方式實現(xiàn)支承輪與錨桿之間特別剛性地連接。在燃氣輪 機運行時，轉(zhuǎn)子組成部分，尤其在支承輪與錨桿之間產(chǎn)生因熱引起的不同 膨脹，可通過優(yōu)選地至少其中一個轉(zhuǎn)子組成部分設(shè)有一種型面，以有利的 方式得到補償。
例如通過支承輪輪轂的型面設(shè)計，可以彈性地調(diào)整錨桿與支承輪之間 的連接，基本上補償了因為轉(zhuǎn)子組成部分加熱不同造成的體積差。優(yōu)選地， 支承輪的輪轂為此采用一種沿轉(zhuǎn)子縱向看球狀的型面。通過以此方式構(gòu)成 的輪轂連接側(cè)的彈性造型，可以防止在轉(zhuǎn)子組成部分內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力和裂紋。
支承輪輪轂的球狀型面也可以用另 一句話來表述支承輪的錨桿孔與錨桿 圓柱形外表面相對的表面，沿軸向看是曲拱形的，在這里曲拱朝所述外表 面的方向定向。
按照另 一項恰當?shù)臄U展設(shè)計，支承輪與兩個相鄰設(shè)置的轉(zhuǎn)子件借助端 面齒連接。通過采用這種軸向有效的連接，作用在轉(zhuǎn)子上的扭矩可以通過 支承輪傳遞并進一步傳輸。此外，借助端面齒保證徑向?qū)б詹煌?熱變形和離心力變形。因此尤其可以減小燃氣輪機運行期間基于支承輪因 熱引起不均勻膨脹而產(chǎn)生的振動。
按照特別有利的擴展設(shè)計，支承輪設(shè)有一些冷卻孔，它們優(yōu)選地繞輪 轂均勻地布設(shè)。因此有利地，基于加工在支承輪中用于冷卻的凹槽構(gòu)成一 種筋條結(jié)構(gòu)，它允許冷卻劑沿轉(zhuǎn)子軸向流過。此外， 一方面通過加工的 增大支承輪的表面，而且借助如此形成的冷卻空氣孔，可以在轉(zhuǎn)子內(nèi)部實現(xiàn)冷卻空氣的順利輸送。
為了保證沿轉(zhuǎn)子軸向在錨桿與轉(zhuǎn)子組成部分之間流過冷卻劑，尤其冷
卻空氣，在支承輪中用作冷卻孔的凹槽，有利地在輪轂附近開始加工。由 此可以實現(xiàn)對支承輪的冷卻，以及對于沿冷卻劑流動方向看順序排列的轉(zhuǎn) 子組成部分實施冷卻空氣的供給。為了恰當?shù)貙?dǎo)引冷卻劑，錨桿可以被一 些同心設(shè)置的冷卻套管圍繞，它們將在錨桿與圍繞錨桿的轉(zhuǎn)子組成部分之 間形成的通道，再分成一些徑向相鄰的冷卻分通道。由此達到，對轉(zhuǎn)子組 成部分的冷卻尤其可以根據(jù)各自渦輪機級的冷卻需求實現(xiàn)。也就是說，借 助如此形成的冷卻空氣孔，可以沒有任何困難地在轉(zhuǎn)子內(nèi)部傳輸冷卻空氣。 在這里，為了安裝支承輪，冷卻空氣套管沿軸向分成兩段，它們面朝支承 輪方向的端部，可以插入加工在支承輪上為它們所設(shè)的安裝槽中。
因此冷卻空氣套管一方面實現(xiàn)更佳的散熱，以及另一方面可以減小這 些轉(zhuǎn)子組成部分的熱容量。
在前言所述的轉(zhuǎn)子中，通常在轉(zhuǎn)子壓氣機側(cè)的區(qū)段與轉(zhuǎn)子渦輪機側(cè)的 區(qū)段之間，設(shè)有一個所謂的中央空心軸，在插入按照本發(fā)明的支承輪的情 況下，它沿軸向再分為至少兩個管段。優(yōu)選地，這些管段的長度基本相同。
通過本發(fā)明獲得的優(yōu)點尤其在于，通過與錨桿連接的支承輪，即使隨 著燃氣輪機結(jié)構(gòu)長度的增加，仍可以實現(xiàn)燃氣輪機特別可靠地運行。尤其 通過恰當支承錨桿，可以將其振幅保持得特別小。此外，借助本系統(tǒng)僅用 比較低的成本可以實現(xiàn)有目的地提高錨桿的固有頻率。此外，可以特別好 地補償在錨桿與設(shè)計為支承輪的轉(zhuǎn)子件之間因熱引起的相對運動。但與此 同時還借助沿轉(zhuǎn)子軸向延伸的冷卻空氣通道，即使流過可能被套管分開導(dǎo) 引的具有不同壓力和溫度的冷卻空氣，仍能保證由于轉(zhuǎn)子組成部分高的熱 負荷所必需的冷卻。


下面借助附圖詳細說明本發(fā)明的一種實施例。其中:
圖1表示通過按照本發(fā)明的渦輪機轉(zhuǎn)子的縱剖視圖;
圖2表示渦輪機轉(zhuǎn)子的局部剖視圖3表示支承輪的示意圖4表示支承輪的局部縱剖視圖；以及圖5表示圖4中的一個局部詳圖。
在所有的圖中相同的部分采用相同的附圖標記。
具體實施例方式
在圖1的縱剖視圖中表示燃氣輪機的轉(zhuǎn)子2，其包括一些通過錨桿固緊 的并組合為一個單元的單個轉(zhuǎn)子件6。
轉(zhuǎn)子2具有一個壓氣機側(cè)的區(qū)段1和一個渦輪機側(cè)的區(qū)段3,它們分別 包括一些轉(zhuǎn)子件6。各自設(shè)計為轉(zhuǎn)子盤的轉(zhuǎn)子件6，在連接側(cè)，亦即端側(cè)， 按照切端面齒的方式制有對稱于轉(zhuǎn)子2中心線M延伸的槽，由此形成的輪 廓形狀，對應(yīng)于各自相鄰的轉(zhuǎn)子件6的輪廓形狀，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子件6相對 于中心線M的同心定向。
每個轉(zhuǎn)子件6為了隔開距離地穿過錨桿4，設(shè)有軸向延伸的孔10。此 外，在壓氣機側(cè)的轉(zhuǎn)子件6與渦輪機側(cè)的轉(zhuǎn)子件6之間設(shè)有中央空心軸11。 錨桿4在端側(cè)分別與轉(zhuǎn)子件7、 9螺紋連接，由此組合并壓緊所有布設(shè)在它 們之間的轉(zhuǎn)子件6。在轉(zhuǎn)子件6之間存在的凹槽8用于導(dǎo)引冷卻錨桿4的冷 卻劑，為此將冷卻空氣通過在錨桿4與轉(zhuǎn)子件6之間形成的冷卻通道輸入。
為了能以恰當?shù)姆绞酵ㄟ^圍繞錨桿4的轉(zhuǎn)子組成部分、亦即轉(zhuǎn)子件6 來支承錨桿4，在兩個轉(zhuǎn)子件6之間，優(yōu)選地在轉(zhuǎn)子2壓氣機側(cè)區(qū)段1與轉(zhuǎn) 子2渦輪機側(cè)區(qū)段3之間，插入另一個設(shè)計為支承輪14的轉(zhuǎn)子件6。為此 迄今整體式的中央空心軸11再分為兩個管段lla、 llb，支承輪14優(yōu)選地 夾緊在它們之間。在這里，支承輪14為另一個轉(zhuǎn)子組成部分。轉(zhuǎn)子件6和 支承輪14借助錨桿4互相壓緊，在這里支承輪14與其他轉(zhuǎn)子件6不同， 附加地傳力地和/或形狀封閉地與錨桿4連接。
詳細地說，在布設(shè)在離渦輪機側(cè)的區(qū)段3最近的那個壓氣才幾側(cè)轉(zhuǎn)子件 6a與布設(shè)在離壓氣機側(cè)的區(qū)段1最近的那個渦輪機側(cè)轉(zhuǎn)子件6b之間，設(shè)置 中央空心軸ll,它包括至少兩個管段lla、 llb，支承輪14夾緊在它們之間。
錨桿4除了支承在中央空心軸11的區(qū)域之外，還可以借助適用的阻尼 件，如阻尼錐，將錨桿4附加地固定在壓氣機側(cè)的區(qū)段1或渦輪機側(cè)的區(qū) 段3內(nèi)，防止錨桿振動。因此阻尼件跨接通常存在的錨桿4與4苗桿孔10之 間的距離。
圖2詳細表示出轉(zhuǎn)子2的壓氣機側(cè)的區(qū)段的橫截面視圖。在圖2中總共表示出所述轉(zhuǎn)子2的壓氣機側(cè)區(qū)段1的三個設(shè)計為轉(zhuǎn)子盤的轉(zhuǎn)子件6。其 中離圖中未示出的渦輪機側(cè)的區(qū)段3最近的并面朝它的那個壓氣機側(cè)轉(zhuǎn)子 件用6a表示。中央空心軸11的兩個管段之一 lla，在端側(cè)貼靠在轉(zhuǎn)子件6a 上。此外，沿徑向更靠里表示出了兩個冷卻空氣套管13。這些冷卻空氣套 管13為了安裝支承輪14沿軸向分成兩段，使它們面朝支承輪14方向的端 部可以插入到開設(shè)在支承輪14上的為之所設(shè)的安裝槽內(nèi)。
圖3示出了制有冷卻孔12的支承輪14，其中，用作冷卻孔12的凹槽 12的深度，與支承輪14在此位置的材料厚度相當。在這里，凹槽12沿支 承輪14的橫截面均勻分布地開設(shè)，從而可以實現(xiàn)對支承輪14的均勻冷卻， 并因而避免產(chǎn)生應(yīng)力和不均勻的變形。此外，可以特別有效地實現(xiàn)向冷卻 劑的傳熱，因為基于通過加工在輪體15上的凹槽12增大了冷卻面積，可 以傳出更多的熱量。
在支承輪14的外輪圈兩個端側(cè)上制有端面齒18。然后將兩個軸向管段組成 的中央空心軸ll,支靠在具有對應(yīng)端面齒的支承4侖14的兩側(cè)。通過如此構(gòu) 成的形狀封閉連接，達到在結(jié)構(gòu)緊湊的同時除了傳遞大的扭矩外，還可以 實現(xiàn)插入輪轂16內(nèi)的錨桿的一種自定心作用。此外，保證徑向?qū)б晕?不同的熱變形和離心力變形，并因而保證燃氣輪機更可靠地運行。
由圖4和圖5可以看出，支承輪14的輪轂16在錨桿側(cè)具有一個球狀 型面。它可以用非常簡單的方式，通過加工一個在輪轂16中心的環(huán)形槽20， 以及通過修圓在端側(cè)圍繞錨桿的環(huán)形棱邊實現(xiàn)。輪轂16在錨桿側(cè)的這一型 面，可以補償燃氣輪機運行期間產(chǎn)生的錨桿4與支承輪14的不同變形。此 外，通過這種特殊的造型，實現(xiàn)從輪轂16中心到支承輪14端側(cè)的一種應(yīng) 力再分布。由此在端側(cè)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的高應(yīng)力不太嚴重，所以通過錨桿側(cè)的這 種彈性的造型，可以顯著提高燃氣輪機的運行可靠性。
權(quán)利要求
1.一種用于燃氣輪機的轉(zhuǎn)子(2)，其包括在壓氣機側(cè)的區(qū)段和在渦輪機側(cè)的區(qū)段，其中分別設(shè)置一定數(shù)量的單個轉(zhuǎn)子件(6)，這些轉(zhuǎn)子件(6)通過至少一個錨桿(4)互相壓緊和組合成一個轉(zhuǎn)子單元(2)，其中每個轉(zhuǎn)子件(6)對于所設(shè)的每個錨桿4具有一個沿轉(zhuǎn)子(2)軸向延伸的錨桿孔，所述至少一個錨桿(4)在與各轉(zhuǎn)子件(6)間隔距離的情況下穿過所述錨桿孔地延伸，其特征為在渦輪機側(cè)的轉(zhuǎn)子區(qū)段與壓氣機側(cè)的轉(zhuǎn)子區(qū)段之間布設(shè)至少另一個轉(zhuǎn)子件(6)，它作為支承輪(14)來支承所述錨桿(4)。
2. 按照權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子(2)，其中，所述支承輪(14)傳力地 和/或形狀封閉地與所述錨桿(4)連接。
3. 按照權(quán)利要求1或2所述的轉(zhuǎn)子(2 )，其中，所述支承輪(14 )在 連接側(cè)i殳有優(yōu)選為^M犬的型面。
4. 按照權(quán)利要求l、 2或3所述的轉(zhuǎn)子(2)，其中，所述支承輪(14) 熱壓配合在所述錨桿(4)上。
5. 按照權(quán)利要求1至4之一所述的轉(zhuǎn)子(2 )，其中，所述支承輪(14 ) 借助端面齒(18)與兩個相鄰設(shè)置的轉(zhuǎn)子件(6)連接。
6. 按照權(quán)利要求1至5之一所述的轉(zhuǎn)子(2 )，其中，所述支承輪(14 ) 設(shè)有用于流通冷卻劑的孔(12 )。
7. 按照權(quán)利要求1至6之一所述的轉(zhuǎn)子(2)，其中，在壓氣機側(cè)布設(shè) 在離渦輪機側(cè)的區(qū)段最近的那個轉(zhuǎn)子件(6)與在渦輪機側(cè)布設(shè)在離壓氣機 側(cè)的區(qū)段最近的那個轉(zhuǎn)子件(6)之間，布設(shè)一根包括至少兩個管段的中央 空心軸(11)，所述支承輪(14)安裝在所述兩個管段之間。
8. 按照權(quán)利要求1至7之一所述的轉(zhuǎn)子(2),其中，所述渦輪機側(cè)的 轉(zhuǎn)子件(6)和/或壓氣機側(cè)的轉(zhuǎn)子件(6)分別由轉(zhuǎn)子盤構(gòu)成。
9. 一種具有按照權(quán)利要求1至8之一所述的轉(zhuǎn)子(2)的熱流體機械。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱流體機械、尤其是燃氣輪機的轉(zhuǎn)子(2)，其包括一定數(shù)量的通過錨桿(4)固緊并組合成一個單元的單個轉(zhuǎn)子件(6)，按照本發(fā)明即使燃氣輪機結(jié)構(gòu)長度增大，仍應(yīng)保證可靠和安全地運行。在這里，錨桿(4)的固有頻率與渦輪機轉(zhuǎn)速相比朝頻率更高的方向轉(zhuǎn)移。為此目的，錨桿(4)通過周圍的一些包括錨桿和轉(zhuǎn)子盤的轉(zhuǎn)子組成部分的聯(lián)合體支承。與兩件式的空心軸(11)相結(jié)合，支承輪表示另一個支承的轉(zhuǎn)子組成部分。
文檔編號F01D5/06GK101631932SQ200880008327
公開日2010年1月20日 申請日期2008年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月12日
發(fā)明者烏爾里克·埃赫豪特, 卡斯滕·科爾克, 吉多·阿豪斯, 哈拉爾德·尼姆普奇, 哈拉爾德·霍伊爾, 奧利弗·施耐德, 弗朗索瓦·本克勒, 彼得·施羅德, 彼得-安德烈亞斯·施耐德, 沃爾特·洛克, 維亞切斯勒夫·維特斯曼 申請人:西門子公司