具有设置在两个转子盘之间的转子构件的转子的制作方法

1.本发明涉及一种燃气轮机的转子，所述转子具有至少两个相互连接的转子盘，在所述转子盘之间设置有环形转子构件。


背景技术：

2.在现有技术中已知用于在燃气轮机中使用的具有相互连接的转子盘的转子的不同的实施方案，其中在转子盘之间设置有环形转子构件，以用于将转子的内部区域相对于穿流过燃气轮机的热气进行遮蔽。在这种情况下，两个转子盘以分别分布在外环周上的方式具有多个转子叶片。在两排转子叶片之间存在一排沿环周分布地设置的导向叶片，所述导向叶片分别固定在静止的壳体上。在这种情况下，由于转子的旋转，在导向叶片与转子叶片之间必然存在间隙。所述间隙原则上能够使得热气径向地进入导向叶片内部的区域中。为了使热气远离转子内部，在一些燃气轮机中，在两个相邻的转子盘之间设置有环形转子构件。为此，该转子构件支承在转子盘的两侧上。
3.转子构件仅基于以下目的，即能够防止热气进入。另一功能通常不存在。相应地，转子构件的支承通常保持得简单，其中仅一个环形的、轴向延伸的凸肩接合到相应的环形槽中。
4.为了确保转子构件在两个转子盘之间的位置，通常提出：转子构件借助压配合支承在相应的转子盘的两侧上。在此，转子构件通常在压配合的部位处相对于转子盘设置在朝向转子轴线的侧上。这尤其由于转子构件在发生离心力时比与此相比实心地构成的转子盘承受更大的变形。
5.尽管在现有技术中的常见的实施形式已证明为成功的，因此能够根据压配合的设计以及在燃气轮机加热或燃气轮机冷却时的可能的弹性变形，在转子盘以及转子构件处会发生不同的热膨胀。在某些情况下，这会引起：在压配合中的压应力损失。与此相反，所提供的压配合与在由于转子的旋转产生的离心力下引起的变形的组合会引起不允许的高的压应力。


技术实现要素：

6.因此，本发明的目的是，即使在燃气轮机被加热和冷却时也确保转子构件的位置，而不会超过在转子构件或转子盘上的允许的应力。
7.所提出的目的通过按照权利要求1的教导的转子的根据本发明的实施形式来实现。有利的实施形式是从属权利要求的主题。在权利要求10中给出一种安装转子的方法。
8.这种类型的转子最初在燃气轮机中使用。然而，与此无关地同样可行的是，在另一流体机械中，例如在蒸汽轮机中使用转子的实施形式。
9.转子至少具有第一转子盘和与第一转子盘直接且牢固地连接的第二转子盘。在这种情况下，转子盘以分布在外环周上的方式分别具有多个叶片保持槽，所述叶片保持槽分别轴向贯穿相应的转子盘。在这种情况下，叶片保持槽用于容纳转子叶片。
10.此外，第一转子盘在叶片保持槽的径向下方具有环绕的第一固定凸起，所述第一固定凸起沿轴向朝向第二转子盘延伸。类似地，第二转子盘在叶片保持槽的径向下方具有环绕的第二固定凸起，所述第二固定凸起沿轴向朝向第一转子盘延伸。
11.在叶片保持槽的区域中和/或在叶片保持槽的径向下方的两个转子盘之间设置有环形转子构件。所述环形转子构件包围部段地位于转子构件内部的转子或两个转子盘的部段。为了使转子构件相对于转子盘定心以及同时为了固定，转子构件在轴向端部处具有环绕的、轴向敞开的第一环形槽以及轴向相对置地具有环绕的、轴向敞开的第二环形槽。在此，第一转子盘的第一固定凸起接合到第一环形槽中，而第二转子盘的第二固定凸起接合到第二环形槽中。
12.根据本发明，现在确保了转子构件的限定的位置，而不会出现不允许的高的应力，其方式为：在转子的转子基本上具有室温的静止状态下，在第一固定凸起的外环周上提供挤压。相应地，所述第一环形槽的第一槽外侧面在挤压下贴靠在所述第一固定凸起的第一凸起外侧面上。与此相反要求：当在室温下静止时，在第一环形槽的第一槽内侧面和第一固定凸起(04)的第一凸起内侧面之间径向相对置地存在间隙。
13.通过根据本发明的在转子处于转子整体上具有室温的静止状态时的压配合的布置，在第一转子盘上的关于固定凸起的径向外侧上，避免了在发生离心力时不允许的压应力增加。
14.在此特别有利的是，当转子在室温下静止时，转子构件与第二转子盘的连接基本上是无应力的。为此需要的是，在第二环形槽的第二槽外侧面和第二固定凸起的第二凸起外侧面之间存在间隙，并且在第二环形槽的第二槽内侧面和第二固定凸起的第二凸起内侧面之间存在间隙。
15.关于转子构件在转子盘之间的固定与在考虑在燃气轮机启动时转子的旋转与转子构件以及转子盘的相伴随的膨胀的情况下出现的压应力的有利的协调，特别有利的是，在转子的第一转速下的第一过渡状态中，从第一转子盘到第二转子盘的固定状态发生变化。在这种情况下，第一转速低于转子根据规定运行的额定转速。在该第一过渡状态中，第一槽外侧面在第一凸起外侧面上的贴靠不减少，其中第二槽内侧面此外也贴靠在第二凸起内侧面上。与此相反，在第一槽内侧面和第一凸起内侧面之间的间隙以及在第二槽外侧面(35)和第二凸起外侧面之间的间隙保持不减少。
16.在这种情况下，第一转速有利地大于0.2倍的额定转速。与此相反，设计应提出，第一转速小于0.6倍的额定转速。为了设计过渡状态能够假设，转子盘和转子构件具有大致相同的温度，所述温度大约相应于或高于室温，然而与工作温度有明显差异。
17.通过相应地确定相对置的固定凸起以及环形槽的直径能够有利地确保在燃气轮机启动时转子构件相对于转子盘的位置。随着转子构件相对于转子盘的转速增加和相对更大的膨胀，在第一凸起外侧面和第一槽外侧面之间的挤压力减小，其中在第二槽内侧面和第二凸起内侧面之间产生接触。就此而言，在第一过渡状态中从将转子构件固定在第一转子盘上变化到将转子构件固定在第二转子盘上。
18.此外有利的是，在第二过渡状态下在转子的第二转速下，转子构件的固定由第二转子盘承担。在这种情况下，第二转速高于第一转速，然而低于燃气轮机的额定转速。相应地，在第二槽内侧面与第二凸起内侧面之间存在挤压。与此相反，在另外的接触面之间，意
即在第一槽外侧面和第一凸起外侧面之间以及在第一槽内侧面和第一凸起内侧面之间以及在第二槽外侧面和第二凸起外侧面之间存在间隙。
19.为了设计第二过渡状态，能够有利地假设第二转速，所述第二转速至少相应于0.8倍的额定转速。
20.在第二过渡状态中，构件具有第二过渡温度。在燃气轮机启动时并且所有构件都被加热时，转子构件尤其低的质量通常比更实心的转子盘明显更快地变热。相应地，第二过渡温度的特征在于，转子构件近似达到工作温度，而转子盘具有明显比工作温度更低的温度，例如低约30％的温度。
21.如果在根据规定的额定转速下转子构件在两侧被支撑，则特别有利于将转子构件牢固地支承在两个转子盘之间以及将转子构件支撑在转子盘上。为此要求，第一槽内侧面在挤压下贴靠在第一凸起内侧面上，而第二槽内侧面在挤压下贴靠在第二凸起内侧面上。与此相反，在径向外侧上存在间隙，意即在第一槽外侧面和第一凸起外侧面之间的间隙以及在第二槽外侧面和第二凸起外侧面之间的间隙。因此，在两侧上都确保了转子构件的安全位置和离心力的负荷吸收。
22.如果以与第一固定凸起的直径适宜的比例确定第一环形槽的直径，则能够实现将转子构件有利地安装在转子中。在这种情况下特别有利的是，为了安装，将转子构件加热到至少100℃和至多200℃的安装温度上，而与此相反转子盘具有室温。在考虑转子构件由于温度升高引起的相应的膨胀的情况下，能够确定第一环形槽相对于第一固定凸起的所需的尺寸。在这种情况下有利的是，在安装温度下，在第一槽外侧面和第一凸起外侧面之间的挤压力相应于在室温下在两个构件之间的挤压力的最大10％。在这种情况下特别有利的是，在相应地设计固定凸起和环形槽的直径的情况下借助于安装温度基本上消除在室温下存在的交叠。
23.如果在安装温度下在第一槽外侧面和第一凸起外侧面之间产生间隙，则与此相反要注意的是，然而在径向内侧上不产生明显的交叠。相应地，在第一槽内侧面和第一凸起内侧面之间的挤压力在这种情况下能够是在室温下在第一槽外侧面和第一凸起外侧面之间存在的挤压力的最大10％。在任何情况下有利的是，即使在安装温度下在第一槽内侧面和第一凸起内侧面之间也保持间隙。
24.在转子构件的一种有利的设计方案中，所述转子构件具有盖部段，借助于所述盖部段能够至少部段地覆盖叶片保持槽或转子叶片的固定在叶片保持槽中的叶根。为此，盖部段需要沿环周方向和径向延伸。在此，盖部段设置在第一环形区段槽的径向外侧上。在此还提出，盖部段在位于叶片保持槽之间的区域中借助支撑面轴向贴靠在第一转子盘的端面上。
25.以特别有利的方式能够提出，转子构件在两侧上轴向相对置地分别具有盖部段。
26.至少还有利的是，在盖部段弹性变形时支撑面在挤压下贴靠在端面上。因此能够确保：在流体机械在工作温度下从静止直至额定转速运行时，在任何情况下，支撑面都贴靠在端面上。
27.为了在避免增加安装力的同时在支撑面和端面之间实现有利的挤压，能够有利地提出，将转子构件加热到位于100℃和200℃之间的安装温度上，这伴随着转子构件以及尤其是盖部段的变形，使得在转子构件在环形槽的区域中相对于固定凸起的根据规定的位置
中，在支撑面和端面之间的挤压力相应于在室温下的挤压力的最大10％。尤其是盖部段在支撑面的区域中沿轴向方向变形的该状态一方面通过转子构件的具有设置在轴向端部上的盖部段的构型得以实现。此外，在位于两个环形槽之间的中心区域中具有较低的材料厚度的构型关于期望的变形方面起到有利的作用。另一方面，能够通过有针对性的温度升高优选在第一环形槽的区域中实现期望的效应。
28.在考虑转子构件的可行的安装温度的情况下，确定转子构件的相应的构型，尤其是确定第一环形槽和第二环形槽的直径以及在支撑面和端面之间的交叠，一方面无需过大的力耗费就能够实现安装，以及在运行时确定转子构件在转子盘之间的牢固的位置。
29.此外有利的是，在将转子构件安装在第一转子盘上时，保持在第一固定凸起的第一凸起端面和第一环形槽的第一槽底之间的自由的第一膨胀距离。第一膨胀距离在此为至少0.5mm。与此相反不利的是，第一膨胀距离大于5mm。特别有利的尤其是至少1mm和至多2.5mm的第一膨胀距离。
30.同样能够提出，在第二固定凸起的第二凸起端面与第二环形槽的第二槽底之间存在第二膨胀距离。在这种情况下，第二膨胀距离应相应于最大为0.2倍的第一膨胀距离。
31.转子构件关于其在两个相邻的转子盘之间的固定方面的新型构型引起一种用于安装转子的新型方法。
32.首先提供第一转子盘。在此有利的是，第一转子盘水平地支承，其转子轴线垂直地定向。
33.在此或随后必须将转子构件加热到至少100℃的安装温度上。在这种情况下，温度不应超过200℃。
34.现在起将转子构件安置在第一转子盘上。为此，将转子构件放置在第一转子盘上，使得第一环形槽位于第一固定凸起上方。因此，转子构件能够被压到第一转子盘上，直至支撑面贴靠在转子盘的端面上。
35.通过借助转子构件的弹性变形将转子构件进一步推到第一转子盘上，到达转子构件相对于转子盘的期望位置，其中所述期望位置通过在第一固定凸起的第一凸起端面和第一环形槽的第一槽底之间的预定义的第一膨胀距离来限定。
36.现在起，能够冷却转子构件，其中在此期间必须使转子构件相对于第一转子盘保持位置。
37.最后，能够将第二转子盘同时放置或压到第一转子盘以及转子构件上。在此，第二固定凸起接合到第二环形槽中。
附图说明
38.在以下附图中绘制根据本发明的转子的示例性实施形式。附图示出：
39.图1示意性地以剖视图示出在两个转子盘之间的转子构件；
40.图2示出在第一固定凸起和第一环形槽之间的压配合的细节；
41.图3示出在第二固定凸起和第二环形槽之间的间隙的细节；
42.图4-7示出在燃气轮机启动时转子构件相对于转子盘的位移；
43.图8-11示出转子构件在第一转子盘上的安装。
具体实施方式
44.在图1中以剖视图示意性地示出转子构件21在转子盘01和11之间的安装。转子盘01、11在此以分布在外环周上的方式分别具有轴向贯穿相应的转子盘01、11的叶片保持槽02、12。叶片保持槽02、12确定用于容纳转子叶片。相应的转子盘01、11又分别具有围绕转子轴线10环绕的固定凸起04、14。如能够识别的，固定凸起04、14分别轴向延伸至相对置的转子盘。位于两个转子盘01、11之间的转子构件21覆盖位于转子盘01、11之间的中间空间。为了固定，转子构件21在轴向相对置的侧上分别具有环形槽24、34，相应的固定凸起04、24接合到所述环形槽24、34中。此外在转子构件21的轴向端部上还能够识别的是盖部段22，所述盖部段22沿环周方向以及沿径向延伸。所述盖部段22在此覆盖第一转子盘中的叶片保持槽02。
45.在图2中绘制在第一固定凸起04和第一环形槽24之间的压配合的细节。为了更好的可识别性，转子构件21轴向错开地示出。第一转子盘在第一固定凸起04上在径向外侧上具有第一凸起外侧面05。第一凸起内侧面06位于径向相对置的侧上。第一凸起端面07位于第一固定凸起04的自由端部上。与此类似，转子构件21在第一环形槽24上在径向外侧上具有第一槽外侧面25并且在径向内侧上具有第一槽内侧面26。第一槽底27与第一凸起端面07相对置地存在于环形槽24上。在常温时在转子的静止状态中，或在安装转子之后，在第一凸起外侧面05和第一槽外侧面25之间存在压配合。所述压配合由于在两个相应的构件01、21之间的几何交叠08产生。而在径向相对置的内侧上，在第一凸起内侧面和第一槽内侧面之间存在间隙28。
46.在图3中绘出在第二转子盘11和转子构件21之间的组装的细节，其中与图2类似地，转子构件21错开地示出。又能够识别的是基本上具有叶片保持槽12以及第二固定凸起14的第二转子盘11。所述转子盘14在径向外侧上具有第二凸起外侧面15以及径向相对置的第二凸起内侧面16，并且在端侧上具有第二凸起端面17。为此，在转子构件21上在第二环形槽34上在径向外侧上存在第二槽外侧面35以及相对置地存在第二槽内侧面36，并且与第二凸起端面17相对置地存在第二槽底27。在此能够识别的是在静止状态中的或者在安装之后在第二固定凸起14和第二环形槽34之间在径向外侧上以及在径向内侧上存在间隙09、29。
47.在以下的附图4至7中绘出在燃气轮机启动并且转速增加到额定转速ωn和温度升高到工作温度tn时安装在两个固定凸起04、14上的转子构件21的状态。
48.在图4中如上文所描述地绘出在安装之后或在静止状态中的状态。在第一转子盘01上，由于交叠08在径向外侧上存在压配合，而与此相反在径向内侧上存在间隙28。同样，在第二固定凸起14的两侧上存在自由间隙09、29。
49.图5现在示出在燃气轮机启动时的第一过渡状态。如果现在起转子置于运动中，则达到第一转速ω1，所述第一转速ω1仍明显低于额定转速ωn，其中能够轻微提高转子盘01、14以及转子构件的构件温度t01、11、21，然而仍远离工作温度tn。重要的是，在第一过渡状态下，现在起第二槽内侧面36贴靠在第二凸起内侧面16上。根据构件01、11、21的温度t01、11、21和在静止状态下的现有的间隙29，在不同的转速下进行贴靠，其中间隙29优选确定为在约0.3倍的额定转速ωn下引起贴靠的值。
50.随着转速的提升和构件温度的升高，在径向内侧上在第二固定凸起14和转子构件21之间的挤压力增加，其中与此相反在径向外侧上在第一固定凸起04和转子构件21之间的
挤压力减小。在图6中绘出的第二过渡状态中，现在起在径向外侧上在第一固定凸起04和转子构件21之间产生间隙。意即，在第一凸起外侧面05以及第一槽外侧面25之间存在自由空间。在该状态下，第二转速ω2位于在第一过渡状态下的第一转速ω1与额定转速ωn之间，其中第二转速ω2能够相应于约0.6倍的额定转速ωn。由于转子构件21相对于转子盘01、11的较小的质量，因此在燃气轮机启动时其升温更快。相应地，转子盘01、11的构件温度t01、11明显低于转子构件的构件温度t21，所述构件温度t21逐渐接近工作温度tn。
51.图7示出在达到额定转速ωn以及工作温度tn时的状态。自转速提升的第二过渡状态起，第一固定凸起04的第一凸起内侧面06贴靠在第一环形槽24的第一槽内侧面26上。
52.在以下附图8至11中示意性地示出转子构件21在第一转子盘01上的安装。在该处要注意的是，为了有利的安装，转子盘01竖直地定向，而不是如在此示出的水平地定向，并且与此相应地，转子构件21位于转子盘01上方。如上所述提出，在第一固定凸起04的第一凸起外侧面05和第一环形槽24的第一槽外侧面25之间存在交叠08，使得产生压配合。此外提出，盖部段22借助支撑面23在挤压下贴靠在转子盘01的端面03上。为了有利的安装，这要求加热转子构件21。
53.为此，图8示出转子盘01以及位于其上方的转子构件21的状态，其中转子构件21预先被加热到位于100℃和200℃之间的温度上。因此一方面实现：第一槽外侧面25的直径至少近似增大到第一凸起外侧面05的直径，借此能够实现将转子构件21推到第一固定凸起04上，而无需过大的力。
54.然而，通过转子构件21在加热时的特殊造型实现了另一效应。该效应是转子构件21的如下变形：盖部段22远离第一转子盘01变形。相应地，与在室温下的情况相反，在端面03以及支撑面23之间的间距增大。
55.为此，图9绘出在转子构件21直至在支撑面23贴靠在端面03上之前，转子构件21在转子盘01上的位置。在此，在第一凸起端面07和第一槽底27之间留有增大的膨胀距离33’。
56.然后将转子构件21进一步压到第一转子盘01的第一固定凸起04上，直至达到之前定义的膨胀距离33——参见图10。盖部段22继续变形，其中在支撑面23和端面03之间产生初始挤压。
57.在图11中现在示出自如在图10中所示出的期望位置起转子构件21再次冷却时的状态。在此要注意的是，将膨胀距离33保持恒定。盖部段22的因温度引起的变形现在起保持为因几何形状引起的变形，其中在支撑面23和端面03之间存在挤压。在此在图11中绘出具有在转子构件21和转子盘01之间的交叠13的理论状态。
58.附图标记列表：
59.01
ꢀꢀꢀ
第一转子盘
60.02
ꢀꢀꢀ
第一叶片保持槽
61.03
ꢀꢀꢀ
端面
62.04
ꢀꢀꢀ
第一固定凸起
63.05
ꢀꢀꢀ
第一凸起外侧面
64.06
ꢀꢀꢀ
第一凸起内侧面
65.07
ꢀꢀꢀ
第一凸起端面
66.08
ꢀꢀꢀ
交叠
67.09
ꢀꢀꢀ
间隙
68.10
ꢀꢀꢀ
转子轴线
69.11
ꢀꢀꢀ
第二转子盘
70.12
ꢀꢀꢀ
第二叶片保持槽
71.13
ꢀꢀꢀ
交叠
72.14
ꢀꢀꢀ
第二固定凸起
73.15
ꢀꢀꢀ
第二凸起外侧面
74.16
ꢀꢀꢀ
第二凸起内侧面
75.17
ꢀꢀꢀ
第二凸起端面
76.21
ꢀꢀꢀ
转子构件
77.22
ꢀꢀꢀ
盖部段
78.23
ꢀꢀꢀ
支撑面
79.24
ꢀꢀꢀ
第一环形槽
80.25
ꢀꢀꢀ
第一槽外侧面
81.26
ꢀꢀꢀ
第一槽内侧面
82.27
ꢀꢀꢀ
第一槽底
83.28
ꢀꢀꢀ
间隙
84.29
ꢀꢀꢀ
间隙
85.33
ꢀꢀꢀ
膨胀间距
86.34
ꢀꢀꢀ
第二环形槽
87.35
ꢀꢀꢀ
第二槽外侧面
88.36
ꢀꢀꢀ
第二槽内侧面
89.37
ꢀꢀꢀ
第二槽底