Rotor mit zwischen zwei Rotorscheiben angeordnetem Rotorbau teil

Die Erfindung betrifft einen Rotor einer Gasturbine, welcher zumindest zwei miteinander verbundene Rotorscheiben aufweist, zwischen denen ein ringförmiges Rotorbauteil angeordnet ist.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ausführungen von Rotoren zur Verwendung bei Gasturbinen mit miteinander ver bundenen Rotorscheiben bekannt, wobei zwischen den Rotor scheiben ein ringförmiges Rotorbauteil zur Abschirmung des inneren Bereichs des Rotors gegenüber dem die Gasturbine durchströmenden Heißgas angeordnet ist. Hierbei weisen die beiden Rotorscheiben jeweils am Außenumfang verteilt eine Mehrzahl Laufschaufeln auf. Zwischen den beiden Reihen an Laufschaufeln befindet sich eine Reihe mit im Umfang verteilt angeordneten Leitschaufein, welche jeweils am ruhenden Gehäu se befestigt sind. Zwischen den Leitschaufein und den Lauf schaufeln ist hierbei aufgrund der Rotation des Rotors zwangsläufig ein Spalt vorhanden. Dieser ermöglichte grund sätzlich das Eintreten von Heißgas in den Bereich radial in nerhalb der Leitschaufein . Um das Heißgas vom inneren des Ro tors abzuhalten wird bei einigen Gasturbinen zwischen den beiden benachbarten Rotorscheiben ein ringförmiges Rotorbau teil angeordnet wird. Hierzu wird dieses Rotorbauteil beid seitig an der Rotorscheibe gelagert.

Das Rotorbauteil hat dem Grunde nach nur die Aufgabe, das Eindringen von Heißgas zu verhindern. Eine weitere Funktion ist in der Regel nicht vorhanden. Entsprechend wird in übli cher Weise die Lagerung des Rotorbauteils einfach gehalten wobei lediglich ein ringförmiger, sich axial erstreckende Ab satz in eine entsprechende ringförmige Nut eingreift. Eine ungewollte Rotation des Rotorbauteils relativ zu den Ro torscheiben wird in aller Regel dadurch verhindert, dass an zumindest einer Stelle eine Presspassung zwischen dem Rotor bauteil und einer der Rotorscheiben im Eingriff des ringför migen Absatzes in der ringförmigen Nut vorhanden ist.

Wenngleich die bekannten Ausführungen in aller Regel sich als tauglich erwiesen haben kann es jedoch zu Betriebszuständen kommen, bei denen die Presspassung nicht hinreichend eine re lative Drehung des Rotorbauteils verhindern kann. Sofern hierbei keinerlei Schäden auftreten, wird dieses bei dem ro tationsförmigen Rotorbauteil üblicherweise toleriert.

Mit der Forderung der Erhöhung der Lebensdauer des Rotors wird jedoch eine ungewollte Relativbewegung zwischen dem Ro torbauteil und den Rotorscheiben kritisch gesehen, als dass hierdurch das Ziel einer Steigerung der Lebensdauer nicht ge fährdet werden darf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Relativ bewegung zwischen dem Rotorbauteil und den Rotorscheiben zu mindest soweit auszuschließen, als dass diese nicht die Le bensdauer des Rotors begrenzt.

Die gestellte Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Aus führungsform nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Vorteil hafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der gattungsgemäße Rotor dient zunächst mal zur Verwendung bei einer Gasturbine. Unabhängig hiervon ist es jedoch ebenso möglich, die Ausführungsform des Rotors bei einer anderen Strömungsmaschine, beispielsweise bei einer Dampfturbine, zur Anwendung zu bringen.

Zumindest weist der Rotor eine erste Rotorscheibe und eine mit der ersten Rotorscheibe unmittelbar und fest verbundene zweite Rotorscheibe auf. Hierbei besitzen die Rotorscheiben am Außenumfang verteilt jeweils eine Mehrzahl von die jewei- lige Rotorscheibe jeweils axial durchdringende Schaufelhalte- nuten. Die Schaufelhaltenuten dienen hierbei zur Aufnahme von Laufschaufein .

Weiterhin weist die erste Rotorscheibe radial unterhalb der Schaufelhaltenuten einen umlaufenden, sich axial zur zweiten Rotorscheibe hin erstreckenden ersten Ringvorsprung auf. Ana log weist die zweite Rotorscheibe radial unterhalb der Schau- felhaltenuten einen umlaufenden, sich axial zur ersten Rotor scheibe hin erstreckenden zweiten Ringvorsprung auf.

Zwischen den beiden Rotorscheiben im Bereich der Schaufelhal- tenuten und/oder radial unterhalb der Schaufelhaltenuten ist ein ringförmiges Rotorbauteil angeordnet. Dieses umschließt den sich abschnittsweise innerhalb des Rotorbauteils befin denden Rotor, bzw. Abschnitte der beiden Rotorscheiben. Zur Zentrierung des Rotorbauteils relativ zu den Rotorscheiben sowie zugleich zur Befestigung weist das Rotorbauteil an sei nen beiden axialen Enden jeweils einen umlaufenden Stützab schnitt auf. Hierbei befinden sich der erste Stützabschnitt auf der zur Rotorachse weisenden Seite unterhalb des ersten Ringvorsprungs und der zweite Stützabschnitt radial unterhalb des zweiten Ringvorsprungs. Dabei kann vorgesehen sein, dass der jeweilige Stützabschnitt mit einer Presspassung am Ring vorsprung anliegt oder einen geringfügigen Spalt - bei Ge währleistung der Zentrierung - zum Ringvorsprung lässt.

Zur Gewährleistung der Lebensdauer in der Verbindung zwischen dem Rotorbauteil und den Rotorscheiben wird erfindungsgemäß radial außerhalb des Ringvorsprunges eine Kopplung zwischen dem Rotorbauteil der ersten Rotorscheibe hergestellt, welche eine relative Verschiebung in Umfangsrichtung verhindert.

Hierzu weist in einer ersten Ausführung die erste Rotorschei be zumindest zwei am Umfang verteilt angeordnete erste Aus nehmungen auf. Demgegenüber besitzt das Rotorbauteil komple mentäre zweite Eingriffsabsätze, welche jeweils in eine ent sprechende erste Ausnehmung eingreifen. In einer zweiten Ausführung besitzt die erste Rotorscheibe zumindest zwei am Umfang verteilt angeordnete erste Ein griffsabsätze auf. Hierzu weist das Rotorbauteil komplementä re zweite Ausnehmungen, sodass die ersten Eingriffsabschnitts in den zweiten Ausnehmungen eingreifen.

Durch die erfindungsgemäße Ausführungsform wird eine zuver lässige Kopplung zwischen dem Rotorbauteil und den Rotor scheiben bewirkt, so dass eine Relativbewegung auch bei Ver lust einer Presspassung verhindert wird. Insofern kann keine Reibung zwischen den Bauteilen auftreten und die Lebensdauer negativ beeinflussen.

Zur vorteilhaften Verbindung des Rotorbauteils mit den Rotor scheiben weist das Rotorbauteil an einem axialen Ende eine sich axial öffnende, den ersten Ringvorsprung umschließende erste Ringnut und gegenüberliegend am anderen axialen Ende sich axial öffnende, den zweiten Ringvorsprung umschließende zweite Ringnut auf. Hierbei werden die sich auf der zur Ro torachse weisenden Seite befindenden Flanken der jeweiligen Ringnut von den Stützabschnitten gebildet.

Die Zentrierung des Rotorbauteils relativ zu den Rotorschei ben unter den verschiedenen Betriebszuständen kann verbessert werden, wenn weiterhin eine radial äußere Flanke der ersten Ringnut am ersten Ringvorsprung anliegt bzw. eine radial äu ßere Flanke der zweiten Ringnut am zweiten Ringvorsprung an liegt .

Die ersten Ausnehmungen in der ersten Rotorscheibe und/oder die zweiten Ausnehmungen im Rotorbauteil können unterschied lich realisiert werden. In einer einfachen Ausführungsform weist hierzu die erste Rotorscheibe bzw. das Rotorbauteil ei nen umlaufenden Ringabsatz auf. Entsprechend unterbricht hierbei die Ausnehmung den umlaufenden Ringabsatz. In einer alternativen Ausführungsform wird die Ausnehmung beidseitig von sich abschnittsweise in Umfangsrichtung er streckenden Vorsprüngen begrenzt.

Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn beidseitig einer jeweiligen Ausnehmung ein Eingriffsabsatz angeordnet ist. In sofern greifen somit wechselseitig in Umfangsrichtung benach bart ein erster Eingriffsabsatz der ersten Rotorscheibe in eine zweite Ausnehmung des Rotorbauteils und ein zweiter Ein griffsabsatz des Rotorbauteils in eine erste Ausnehmung der ersten Rotorscheibe ein.

Zur vorteilhaften Anordnung der ersten Eingriffsabschnitte bei der ersten Rotorscheibe werden diese jeweils mittig zwi schen zwei Schaufelhaltenuten positioniert. Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn die ersten Ausnehmungen jeweils in Ver längerung der Schaufelhaltenuten angeordnet sind.

Unabhängig von der radialen Positionierung der ersten Ein griffsabschnitte weisen diese vorteilhaft in Umfangsrichtung eine Länge geringer als der kleinste Abstand zwischen zwei Schaufelhaltenuten auf.

In einer alternativen Ausführung wird die Verbindung unmit telbar oberhalb des Ringvorsprungs angeordnet. Hierzu weist die erste Rotorscheibe auf der radial nach außen weisenden Seite des Ringvorsprungs die ersten Eingriffsabsätze auf. Komplementär hierzu sind die zweiten Ausnehmungen im Rotor bauteil erforderlich. Vorteilhaft besitzt in dieser Ausfüh rungsform das Rotorbauteil eine erste Ringnut, in welcher der erste Ringvorsprung eingreift. Folglich ist die Ausnehmung an der radial außen liegenden Flanke der Ringnut anzuordnen. Da bei ist der erste Eingriffsabsatz und somit die zweite Aus nehmung vorzugsweise beabstandet vom axial freien Ende des Ringvorsprungs anzuordnen. Somit wird eine zusätzliche Belas tung durch die zweite Ausnehmung im Bereich des Nutgrunds der ersten Ringnut vermieden. Die Eingriffsabsätze können auf unterschiedliche Weise reali siert werden. Eine zuverlässige Verbindung mit den Eingriffs absätzen wird geschaffen, wenn diese einstückig mit der ers ten Rotorscheibe bzw. einstückig mit dem Rotorbauteil gebil det sind.

In einer alternativen Ausführung kommt es jedoch auch in Be tracht, die Eingriffsabsätze unlösbar, bzw. durch Schweißen oder Löten, oder lösbar zu montieren. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Lage des montierten Eingriffsabsat zes in jedem Fall sichergestellt ist. Weiterhin kann hiermit ggf. eine Schwächung des Bauteils (erste Rotorscheibe bzw. Rotorbauteil) mit dem Eingriffsabsatz einhergehen. Auch ist zu bedenken, dass mit einem montierten Eingriffsabsatz dieses eine andere Belastung unter Fliehkraft verursacht als ein einstückig gebildeter Eingriffsabsatz.

Eine vorteilhafte Abschirmung gegen das Heißgas wird dadurch verbessert, wenn das Rotorbauteil weiterhin zumindest einen umlaufenden, sich radial erstreckenden Scheibenabschnitt auf weist. Dieser wird hierbei an einem axialen Ende angeordnet und kann abschnittsweise die Rotorscheibe und die Schaufel- haltenuten abdecken.

Eine vorteilhafte Stabilisierung des Rotorbauteils, insbeson dere der Scheibenabschnitts sowie eine vorteilhafte Sicherung der Verbindung zwischen dem Rotorbauteil und den Rotorschei ben wird erreicht, wenn der Scheibenabschnitt einen ersten Bereich mit einer ersten Materialstärke in axialer Richtung und radial außerhalb des ersten Bereichs einen zweiten Be reich mit einer erhöhten und hierbei zumindest 2-fachen Mate rialstärke aufweist.

Vorteilhafte wird hierzu zur Bildung des zweiten Bereichs auf der von der unmittelbar benachbarten wegweisenden Seite eine Aufdickung angeordnet. Dieses führt bei den auftretenden Fliehkräften aufgrund der ungleichmäßigen Masseverteilung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich zu einem geringfügigen Biegemoment des freien Endes des Scheibenab schnitts zur unmittelbar benachbarten Rotorscheibe weisend.

Die Anordnung der zweiten Ausnehmungen und/oder der zweiten Eingriffsabätze an dem Rotorbauteil erfolgt hierbei in beson ders vorteilhafter Weise im zweiten Bereich des Scheibenab schnitts .

In den nachfolgenden Figuren werden zwei Ausführungsbeispiele für einen erfindungsgemäßen Rotor abschnittsweise im Bereich des Rotorbauteils skizziert. Es zeigen:

Fig. 1 abschnittsweise den Rotor im Längsschnitt im Be

reich des Rotorbauteils in einer ersten Ausfüh rungsform;

Fig. 2 die erste Rotorscheibe zur Ausführung aus Fig. 1;

Fig. 3 das Rotorbauteil zur Ausführung aus Fig. 1;

Fig. 4 abschnittsweise den Rotor im Längsschnitt im Be

reich des Rotorbauteils in einer zweiten Ausfüh rungsform;

Fig. 5 das Rotorbauteil zur Ausführung aus Fig. 4;

Fig. 6 die erste Rotorscheibe zur Ausführung aus Fig. 4;

In der Fig. 1 wird ein Rotor in einer ersten beispielhaften Ausführungsform im Längsschnitt lediglich im Bereich des Ro torbauteils 11 skizziert. Die weitere Ausführung des Rotors kann anhand üblicher Ausführungsformen gewählt werden. Zumin dest weist der Rotor eine erste Rotorscheibe 01 und eine zweite Rotorscheibe 06 auf. An diesen 01, 06 ist jeweils ein umlaufender, sich axial erstreckender Ringvorsprung 03, 08 angeordnet . Zwischen den Rotorscheiben 01, 06 befindet sich das Rotorbau teil 11, welches 11 zur Anbringung an den Rotorscheiben 01,

06 jeweils eine umlaufende Ringnut 12, 17 aufweist, wobei der erste Ringvorsprung 03 in die erste Ringnut 12 und der zweite Ringvorsprung 08 in die zweite Ringnut 17 eingreift. Radial unterhalb des jeweiligen Ringvorsprung 03, 08 befindet sich ein vom Rotorbauteil 11 gebildeter Stützabschnitt 13, 18. Diese 13, 18 stützen sich zumindest bei Fliehkraft am jewei ligen Ringvorsprung 03, 08 ab.

Weiterhin zu erkennen ist, dass das Rotorbauteil 11 einen um laufenden sich radial erstreckenden Scheibenabschnitt 20 auf weist.

Die Kopplung zwischen dem Rotorbauteil 11 und der ersten Ro torscheibe 01 befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel im radial äußeren Bereich.

Hierzu skizziert die Fig. 2 die erste Rotorscheibe 01 in per spektivischer Ansicht. Zu erkennen ist der umlaufende Ring vorsprung 03 sowie radial außerhalb die die erste Rotorschei be 01 axial durchdringenden Schaufelhaltenuten 02. Zwischen jeweils 2 Schaufelhaltenuten 02 befindet sich ein erster Ein- griffsabsatz 05. Zwischen jeweils zwei Eingriffsabschnitte 05 befindet sich eine entsprechende erste Ausnehmung.

Die Fig. 3 zeigt das hierzu komplementäre Rotorbauteil 11. Zu erkennen sind wiederum die umlaufenden Ringnuten 12, 17 mit denen sich auf der zur Rotorachse weisenden Seite angeordne ten Stützabschnitte 13, 18. Der sich am einem axialen Ende unmittelbar benachbart zur ersten Rotorscheibe 01 radial er streckende Scheibenabschnitt 20 wird unterteilt in einen ra dial inneren ersten Bereich und einen radial äußeren zweiten Bereich, wobei der zweite Bereich eine Aufdeckung 19 aufweist und hierdurch die zumindest doppelte Materialstärke des ers ten Bereichs erreicht. Um bei auftretenden Fliehkräften eine sichere Kopplung zwischen dem Rotorbauteil 11 und der ersten Rotorscheibe 01 zu gewährleisten, werden in diesem Ausfüh- rungsbeispiel die am Rotorbauteil 11 angeordneten zweiten Eingriffsabätze 15 sowie die dazwischenliegenden zweiten Aus nehmungen 14 gegenüberliegend zur Aufdeckung 19 im radial äu ßeren Bereich angeordnet.

Analog der Fig. 1 zeigt die Fig. 4 einen Rotor in einer zwei ten beispielhaften Ausführungsform. Hierbei weist der Rotor eine erste Rotorscheibe 21 und eine zweite Rotorscheibe 26 auf. An diesen 21, 26 ist jeweils ein umlaufender, sich axial erstreckender Ringvorsprung 23, 28 angeordnet.

Zwischen den Rotorscheiben 21, 26 befindet sich das Rotorbau teil 31, welches 31 zur Anbringung an den Rotorscheiben 21,

26 jeweils eine umlaufende Ringnut 32, 37 aufweist.

Weiterhin zu erkennen ist, dass das Rotorbauteil 31 einen um laufenden sich radial erstreckenden Scheibenabschnitt 40 auf weist.

Die Kopplung zwischen dem Rotorbauteil 31 und der ersten Ro torscheibe 21 befindet sich unmittelbar radial außerhalb des ersten Ringvorsprungs 23.

Die Fig. 5 zeigt das Rotorbauteil 31 in perspektivischer An sicht. Zu erkennen ist wiederum die umlaufende erste Ringnut 32 mit dem sich auf der zur Rotorachse weisenden Seite ange ordneten Stützabschnitte. Der sich am einem axialen Ende un mittelbar benachbart zur zweiten Rotorscheibe 26 radial er streckende Scheibenabschnitt 40 ist analog wie zuvor ausge führt .

Im Gegensatz zur vorherigen Ausführung ist in diesem Fall vorgesehen, dass das Rotorbauteil an der radial außen liegen den Flanke der ersten Ringnut 32 auf der zur Rotorachse wei senden Seite einen umlaufenden Ringabsatz 35 aufweist. Dieser 35 wird mehrfach unterbrochen durch jeweils im Umfang ver teilt angeordnete zweite Ausnehmungen 34. Die Fig. 6 zeigt hierzu die erste Rotorscheibe 21 in perspek tivischer Ansicht. Zu erkennen ist der umlaufende Ringvor sprung 23 sowie die Schaufelhaltenuten 02. Zur Realisierung der Kopplung weist die erste Rotorscheibe 21 auf der radial außen liegenden Seite am ersten Ringvorsprung 23 die zu den zweiten Ausnehmungen 34 komplementäre erste Eingriffsabsätze 25.