CH280944A - Gas turbine plant. - Google Patents

Gas turbine plant.

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CH280944A
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CH
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rotor
shaft
thrust
turbine
compressor
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German (de)
Inventor
Limited Rolls-Royce
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Rolls Royce
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/026Shaft to shaft connections

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Gear Transmission (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

  

      Gasturbinenanlage.       Die Erfindung betrifft eine     Gasturbinen-          anlage    mit einem     Strömungsmaschinenrotor,     der während des Betriebes der Anlage einem  durch das Strömungsmedium bedingten       Axialschub    ausgesetzt ist, einer zur Rotor  welle koaxial angeordneten Triebwelle und  mit einer zwischen     Rotorwelle    und Triebwelle  angeordneten Kupplung.  



  Bei gewissen     Axialturbinen    tritt. im Be  trieb am Rotor ausser dem Drehmoment, auch  ein     Axialschub    auf, welcher annähernd pro  portional zum Drehmoment ist. In ähnlicher  Weise tritt beim Betrieb eines     Axialkompres-          sors    ein     Axialschub    auf, welcher ebenfalls  annähernd proportional. zum Drehmoment.  sein kann. Im. Falle von einseitig     beschau-          felten        Radialströmungsmaschinen    kann ein  ähnlicher Schub entstehen infolge von unaus  geglichenen Druckbelastungen auf beiden  Seiten des Rotors.

   Beispielsweise im Falle  einer     Radialturbine    oder eines einseitig sau  genden     Zentrifugalkompressors    kann der       Fluidumsdruck    auf der     Rotorseite,    welche  Laufschaufeln trägt, verschieden sein vom  Druck auf derjenigen Seite, welche dem sta  tischen     Auslass-,    Einlass- oder dem Atmo  sphärendruck ausgesetzt ist.  



  Die erfindungsgemässe     Gasturbinenanlage     besitzt nun eine Kupplung mit einem Aussen  zahnkranz mit schraubenlinienförmigen Zäh  nen, der auf der einen der beiden genannten  Wellen befestigt ist, sowie mit einem mit dem  Aussenzahnkranz zusammenwirkenden Innen-         zahnkranz    mit     schraubenlinienförmigen    Zäh  nen, der auf der andern der beiden Wellen  befestigt ist., wobei der Drehsinn der     schrau-          benlinienförmigen    Zähne so gewählt ist, dass  der beim Übertragen des Drehmomentes durch  die Kupplung in.

   der letzteren erzeugte und  auf die     Rotorwelle    übertragene     Axialschub     dem durch das Strömungsmedium bedingten       Rotor-Axialschub    entgegenwirkt.  



  Die schraubenlinienförmigen Zähne gestat  ten .durch die relative Drehung zwischen den  beiden Wellen eine kleine axiale Verschie  bung zwischen zwei Rotoren. Eine solche  Verschiebung ist wünschenswert bei Kon  struktionen, bei welchen jeder der Rotoren  in bezug auf die benachbarten     Statorteile    der  Anlage eine bestimmte axiale Lage einnehmen  muss und wo die Teile während des Betriebes  z. B. durch die Wärmeausdehnung des     Stators     sich relativ zueinander axial verschieben  können.  



  Wenn beide Rotoren     Axialschübe    in der  selben Richtung erfahren, dann überträgt die  Kupplung wenigstens einen Teil des Rotor  schubes von der einen auf die andere Welle,  so dass wenigstens ein Teil des Schubes von  beiden Rotoren auf den     Stator    durch ein ein  ziges Drucklager übertragen werden kann.  



  Wenn in beiden Rotoren     Axialschübe    in  entgegengesetzten Richtungen wirken, dann  vermindern die Zahnkränze die     Rotorschübe     um mindestens einen Teil, so dass die Druck  lager, welche die verminderten Schübe auf      den     Stator    übertragen, kleiner sein können,  als wenn sie je den ganzen     Rotorschub    zu über  tragen hätten.  



  Zweckmässig ist der Steigungswinkel der  zusammenwirkenden Zahnkränze so gewählt,  dass wenn die Kupplung das Drehmoment  überträgt, die auf die     Rotorwelle    wirkenden       Axialschübe    annähernd ausgeglichen sind.  



  Wenn bei einer solchen Anordnung die  Rotoren     Axialschübe    in derselben Richtung  erfahren, überträgt die Kupplung den gan  zen Schub von einer Welle auf die andere,  so dass nur ein Drucklager nötig ist, um den  Gesamtschub, welchem beide Rotoren aus  gesetzt sind, auf den     Stator    zu übertragen.  



  Wenn die Rotoren     Axialschübe    in ent  gegengesetzter Richtung erfahren, muss das  Drucklager nur die Differenz der an beiden  Rotoren wirkenden Schübe übertragen. Prak  tisch sind zwei Drucklager vorgesehen, je  eines zur Sicherung der Lage jedes Rotors,  aber diese beiden Lager müssen nicht so gross  sein, als wenn jedes Lager den ganzen Schub,  welchem der zugehörige Rotor ausgesetzt,  übertragen müsste.  



  Beigelegte Zeichnung zeigt einige Aus  führungsbeispiele des Erfindungsgegenstan  des.  



       Fig.1    und 2 sind Schnitte durch     Kom-          pressoraggregate    von     Gasturbinenanlagen,    und       Fig.    3, 4 und 5 sind Schnitte durch Gas  turbinenanlagen.  



  Gemäss     Fig.1    weist ein zweistufiger Zen  trifugalkompressor einer     Gasturbinenanlage          i    zwei einseitig saugende     Zentrifugallaufräder     10, 11 auf, welche koaxial in Kompressor  gehäusen 12, 13 angeordnet und durch eine  Kupplung 14 zwischen den Wellen 15, 16  der Laufräder verbunden sind.  



  Die Schaufeln 17, 18 der zwei Laufräder  10, 11 liegen jede von- der Turbinenwelle 20  entfernt, welche beide     Rotorwellen    antreibt.  Das geförderte Fluidum jedes Laufrades  wirkt auf seine Scheibe derart, dass während  s des Betriebes jedes Laufrad einem     Axialschub     gegen seine     Einlassöffnung    ausgesetzt ist. Aus  mehreren Gründen ist es     wünschenswert,    dass  der ganze     Axialschub    auf die Turbinenwelle    übertragen wird. Zum Beispiel ist es un  zweckmässig, ein verhältnismässig gross dimen  sioniertes Drucklager dem Laufrad zuzuord  nen, das von der Turbinenwelle entfernt. liegt.

    Es kann auch wünschenswert sein, den gan  zen Schub zu benutzen, um einem entgegen  gerichteten Schub der Antriebsturbine ent  gegenzuwirken. Die Übertragung des ganzen  Schubes auf diese Weise auf die Turbinen  welle ist möglich durch das Anordnen der bei  den Laufräder auf derselben Welle; aber eine  solche Anordnung gestattet nicht, beide Kom  pressoren als Teilaggregate herzustellen und  auch nicht, jedes Laufrad axial separat zu  fixieren; ebenso ist es möglich, eine lösbare  Kupplung zur     Übertragung    der     Torsion    und  der Zugkräfte vorzusehen, aber die bekann  ten Kupplungen dieser Art sind meistens  kompliziert, und ausserdem erlauben diese  nicht eine separate axiale Fixierung jedes  Laufrades.  



  Beim Beispiel gemäss     Fig.1    ist als Kupp  lung eine innen mit     schraubenlinienförmigen     Zähnen versehene Hülse 21 vorgesehen, welche  auf der Welle 15 des Laufrades 10 angeord  net ist und mit einem     zugeordneten    Zahn  kranz 22 zusammenwirkt, welcher an dem  benachbarten Ende der Welle 16 des andern  Laufrades angeordnet ist; der Steigungswin  kel der Zähne ist so gewählt, dass der Schub,  welcher durch die Zahnkränze auf das Lauf  rad 10 ausgeübt wird, dem Schub entgegen  gesetzt ist, welcher von der Differenz der  Drücke auf den Flächen dieses Laufrades er  zeugt wird.

   So kann ein Drucklager 23 von  verhältnismässig kleiner Grösse verwendet  werden, um dieses Laufrad axial     festzulegen,     und annähernd wird der ganze Schub, wel  chem beide Laufräder ausgesetzt sind, durch  die Welle des andern Laufrades auf das  Schublager 24 übertragen.  



  Ein anderes Ausführungsbeispiel zeigt       Fig.2.    Zwei einseitig saugende Zentrifugal  laufräder 30, 31 einer     Gasturbinenanlage    sind  koaxial angeordnet und werden durch eine  gemeinsame, nicht gezeigte Antriebswelle an  getrieben. Die Schaufeln 33, 34 der Lauf  räder     sind    voneinander abgekehrt, so dass die      Schübe, welche an den Laufrädern auftreten,  einander entgegengesetzt sind. Die zwischen  den beiden Laufrädern angeordnete Kupp  lung weist schraubenlinienförmige Zähne 35  auf, und durch geeignete Wahl des Steigungs  winkeln und Drehsinnes der Schraubenform  der Zähne können die     Axialschübe    an den  Laufrädern derart sein, dass diese einander  annähernd kompensieren.

   So kann jedes Lauf  rad durch ein verhältnismässig schwaches  Lager 36 axial festgelegt werden, und der  Gebrauch von Lagern, welche grosse Schübe  aufnehmen, die bei starren Kupplungen nötig  wären, wird vermieden.  



       Fig.    3 zeigt eine     Gasturbinenanlage,    welche  einen     Zentrifugal-Kompressorrotor    40 auf  weist, auf welchen im Betrieb ein     Axialschub     wirkt, der zur Grösse des Antriebsdrehmomen  tes in Beziehung steht. Die Luft strömt  durch das vordere Ende 41 in den Kompres  sor ein, um dann rückwärts in eine     Brenn-          kammer    42 einzuströmen, von wo aus die  Verbrennungsprodukte durch eine Turbine 43  in einem Abgaskanal 44 am hintern Ende  strömen.

   Der Rotor 45 der Turbine 43 treibt  den     Kompressorrotor    40 über die Kupplung  der koaxialen Wellen 46, 47 des     Turbinen-          und        Kompressorrotors    an. Während des  Betriebes der Gasturbine wirkt auf den Rotor  45 ein     rückwärtsgerichteter        Axialschub,    das  heisst so, dass dieser Schub die Neigung hat,  den Turbinenrotor 45 vom     Kompressorrotor     40 zu trennen, während der     Axialschub    am       Kompressorrotor    40 in     entgegengerichteter     Richtung wirkt, das heisst vorwärts, gegen  den Einlass desselben.  



  Bisher wurde bei Maschinen ähnlich der  beschriebenen eine Wellenkupplung zwischen  dem Turbinen- und dem     Kompressorteil    vor  gesehen, welche fähig ist, die resultierenden  Zugkräfte in der Welle aufzunehmen und  auch das Drehmoment von der Turbine auf  den Kompressor zu übertragen. Diese Kupp  lungen sind komplizierter in Form und Her  stellung als diejenige der beschriebenen Aus  bildung, und ausserdem gestatten sie nicht  die axiale Festlegung des Turbinenrotors ge  trennt vom     Kompressorrotor.       Beim vorliegenden Beispiel ist eine ein  fache Kupplung vorgesehen, welche eine unab  hängige axiale Festlegung des Turbinenrotors  und des     Kompressorrotors    mittels Schub  lagern gewährleistet, welche Lager nur rela  tiv kleine Kräfte aufnehmen müssen.

   Zu die  sem Zwecke besitzt die     Turbinenrotorwelle     46 einen Aussenzahnkranz     mit        schrauben-          linienförmigen    Zähnen 49, der mit einem       Innenzahnkranz    48     auf    der Kompressor  rotorwelle 47 zusammenwirkt. Der Steigungs  winkel und der Drehsinn der Schraubenform  sind derart gewählt, dass bei der Übertragung  des Drehmomentes von der Turbinenwelle 46  auf die     Kompressorwelle    47 durch diese Zahn  kränze ein     Axialschub    auf die Turbinenwelle  46 ausgeübt wird, welcher dem auf den Tur  binenrotor 45 während des Betriebes wirken  den Schub entgegenwirkt.  



  So kann der Turbinenrotor durch ein bei  der     Rotorscheibe    angeordnetes Drucklager 50  in seiner axialen Lage gehalten werden, das  nur verhältnismässig kleine Schübe aufnehmen  muss. Ein Vorteil dieser Anordnung ist die  Möglichkeit der Aufrechterhaltung eines  axialen Spiels zwischen dem Rotor und dem       Stator,    unabhängig von der Ausdehnung des  zwischen dem Kompressor und der Turbine  angebrachten Gehäuses.  



  Ferner ist zu bemerken, dass wenn die  Grösse des auf den Kompressor wirkenden  Schubes (vorwärtsgerichtet) ungefähr gleich  dem auf die Turbine wirkenden Schub (rück  wärtsgerichtet) ist, der     Kompressorschub    an  nähernd durch den     Axialschub    in der     Kom-          pressorwelle    47 ausgeglichen wird und das       Kompressorlager    51 nur verhältnismässig  kleine Schübe aufnehmen muss.  



  Die beschriebenen Kupplungen können  auch zur Verbindung der     Turbinenrotorwelle     bzw. der     Kompressorrotorwelle    mit einer  Welle zur Abgabe äusserer Leistung, deren  Belastung einen     Axialschub    erzeugt, verwen  det werden. Wenn die Anlage z. B. dem  Antrieb eines Propellers dient, können die  Turbinen- und die     Kompressorrotorwelle     miteinander und mit einer Welle     verbunden     sein, auf welche der vom Propeller bewirkte           Axialschub    durch Kupplungsorgane der be  schriebenen Art übertragen wird.  



  Wenn in einem solchen Fall der ganze,  nicht ausgeglichene Schub der Turbinen- und  der     Kompressorrotoren    dem durch den Pro  peller erzeugten Schub     entgegengerichtet    ist,  können in der ganzen Anlage Drucklager von  geringer Tragfähigkeit vorgesehen sein. Wenn  der ganze nicht ausgeglichene Schub der  Turbinen- und der     Kompressorrotoren    mit  dem durch den Propeller erzeugten Schub  gleichgerichtet ist, ist. es noch vorteilhaft,  die verschiedenen Wellen mittels der erwähn  ten Kupplung zu verbinden, weil es dann  möglich ist, den resultierenden Schub aller  Wellen auf die Tragkonstruktion an irgend  einer gewünschten Stelle, wo ein geeignetes  Schublager untergebracht werden kann, zu  übertragen.  



       Fig.4    zeigt eine andere Konstruktion  einer     Gasturbinenanlage.    Ein     Hoehdruck-          Turbinenrotor    120 treibt einen     Hochdruck-          Axialkompressorrotor    121 an und ein Nieder  druck-Turbinenrotor 122 treibt einen Nieder  druck-Axialkompressorrotör 123 an. Das  Arbeitsfluidum der Maschine strömt nachein  ander durch den     Niederdruckkompressor,    den  Hochdruckkompressor, die Brenneinrichtung  1.24, die Hochdruckturbine, die     Niederdruek-          turbine    und den Abgaskanal 125.  



  Der Turbinenrotor 122 besitzt eine Welle  126, welche innerhalb einer Welle 127 des  Turbinenrotors 120 angebracht ist. Der     Kom-          pressorrotor    123 besitzt in ähnlicher Weise  eine Welle 128, welche innerhalb einer Welle  129 des     Kompressorrotors    121 gelagert ist.  



  Während des Betriebes ist jeder     Kom-          pressorrotor    einem     Axialschub    ausgesetzt,  welcher diesen     Kompressorrotor    von dem       dazugeordneten    Turbinenrotor zu trennen  sucht. Jeder Turbinenrotor ist ebenfalls  einem     Axialschnitt    ausgesetzt, welcher diesen       Turbinenrotor    von dem     dazugeordneten        Kom-          pressormotor    zu trennen sucht.  



  Die Welle jedes     Kompressorrotors    ist mit  der Welle des zugeordneten Turbinenrotors  mittels     schraubenlinienförmiger    Zähne ver  bunden. Die Welle 129 weist äussere schrau-         benlinienförmige    Zähne auf, welche in     schrau-          benlinienförmige,    an einem Ende der Welle  127 angebrachte Innenzähne 131 eingreifen.  Die Welle 128 weist schraubenförmige Innen  zähne auf, welche in äussere,     schrauben-          linienförmige,    an einem Ende der Welle 126  angebrachte Zähne 133 eingreifen.

      Der Drehsinn der Schraubenform der  Zähne ist so gewählt, dass der     Axialschub,     welcher in den Wellen durch die     übertra-          gung    des antreibenden Drehmomentes von den  Turbinenrotoren auf die     Kompressorrotoren     erzeugt wird, entgegengesetzt ist zu den Axial  schüben, welche auf die Wellen durch die  darauf angebrachten Rotoren übertragen wer  den, mit dem Ergebnis, dass das die axiale  Lage des     Niederdruek-Kompressorrotors    be  stimmende Drucklager 140, das Drucklager  1.41 für den     Hochdruck-Kompressorrotor    121,

    das Drucklager 142 für den     Hochdruck-Tur-          binenrotor    120 und das Drucklager 143 für  den     Niederdruck-Turbinenrotor    122 kleinere  Schübe aufnehmen müssen, als wenn diese  den ganzen Schub aufnehmen müssen, wel  cher an jedem Rotor während des Betriebes  auftritt und auf die Tragkonstruktion über  tragen wird.  



  Ähnliche Anordnungen können auch für       Marine-Gasturbinenanlagen        benutzt    werden,  bei welchen der von der     Sehiffsschraube    er  zeugte Schub vorwärts in der Bewegungs  richtung des Schiffes gerichtet ist und der am  Turbinenrotor     auftretende    Schub rückwärts  gerichtet ist.  



       Fig.    5 zeigt eine andere     Konstruktion     einer     Gasturbinenanlage.    Eine Turbine 150  treibt zwei     Zentrifugalkompressoren    151, 152  an, welche koaxial zur Turbine angeordnet  sind, und die Turbine 150 treibt zusätzlich  über ein Reduktionsgetriebe 153 eine Luft  schraube an. Die Luft     strömt    in den ersten  Kompressor 151 ein, in welchem sie kom  primiert wird und von diesem in den Ein  lass des     zweiten        Kompressors    152 gefördert.  wird. Nach dem zweiten Kompressor 152  strömt sie nach ihrer Erwärmung zu der  Turbine 150.

        Es ist erwünscht, dass die beiden Kom  pressoren 151, 152 und die Turbine 150 un  abhängig voneinander angeordnet sind. Zu  diesem Zweck besitzt die Turbinenwelle 155,  welche durch ein Drucklager 154 axial ge  halten ist, eine Hülse 156, welche mit ge  raden Zähnen 157 zusammenwirkt und am  von der Turbinenwelle entfernten Ende innere  schraubenlinienförmige Zähne 158 aufweist.  Die Hülse<B>1.56</B> ist mit der Turbinenwelle im  Eingriff gehalten durch eine Mutter 159.  Eine Welle 160 des Hochdruckkompressors  weist am der Turbine     zuliegenden    Ende  äussere schraubenförmige Zähne 161 auf,  welche mit den innern Zähnen 158 zusam  menwirken, welche auf der Hülse 156 ange  bracht sind.

   Der Drehsinn und der Steigungs  winkel der Schraubenform der Zähne sind  derart gewählt, dass der Schub, welcher durch  die Übertragung des Drehmomentes durch die  Zähne 158, 161 erzeugt. wird und auf die  Turbinenwelle durch die     Mutter    159 über  tragen wird, mindestens teilweise durch den  Schub der Turbine aufgehoben wird, und  dass der Schub, welcher auf die Welle 160  des     Hochdruckkompressors    übertragen wird,  dein Schub, welcher am Rotor des     Kompres-          sors    152 auftritt, entgegengesetzt gerichtet  ist. Die Welle des Hochdruckkompressors  wird durch ein Drucklager 162 axial gehal  ten.

   Das von der Turbine entfernte Ende  der Welle 160 des Hochdruckkompressors  weist äussere schraubenlinienförmige Zähne  165 auf, welche mit innern schraubenlinien  förmigen Zähnen 166 zusammenwirken,  welche an dem rückwärts gelegenen Ende der  Welle 167 des     Niederdruckkompressors    ange  bracht sind. Der Drehsinn der Schrauben  form der Zähne ist derart gewählt, dass ein       rückwärtsgeriehteter    Schub in der Welle 167  des     Niederdruckkompressors    erzeugt wird in  folge der Übertragung des Drehmomentes  durch die Schraubenzähne 165, 166, welcher  Schub entgegengesetzt dem am Kompressor  rotor l57. entstehenden Schub gerichtet ist.

    Die axiale Lage der Welle des     Niederdruck-          koinpressors    ist mittels eines Drucklagers 163  gesichert.    Das vorwärtsgerichtete Ende der Welle  167 des     Niederdruckkompressors    weist einen!  weiteren Satz von innern     schraubenlinien-          förmigen    Zähnen 168 auf, welche mit einem  Satz von äussern, auf einer     Antriebszwischen-          welle    170 angebrachten Zähnen 169 zusam  menwirken. Diese     Antriebszwischenwelle    ist  mittels eines auf einer Zwischenwand 172 an  geordneten Drucklagers 171 gelagert.

   Die  Zwischenwand 172 trägt ein hinteres Lager  173, in welchem die     Vorgelegewelle    174 des  Reduktionsgetriebes gelagert ist. In einem,  Kugellager 176, welches von einer zweiten  Zwischenwand 177 getragen wird, ist das an  dere Ende der Welle 174 gelagert.  



  Zwei     Ritzel    178, 179 eines Reduktions  getriebes sind auf der Welle 174 angeord  net, und der Antrieb wird von der Zwischen  welle 170 zu dem hintern     Ritzel    178, welches  schraubenlinienförmige Zähne aufweist, über  tragen. Der Drehsinn der     Schraubenform     der Zähne ist derart gewählt, dass ein vor  wärtsgerichteter Schub in der Welle 170 und  ein     rückwärtsgerichteter    Schub im hintern       Ritzel    178 erzeugt wird. Das     Ritzel    179  kämmt mit einem innen verzahnten Zahnrad  181, welches auf der Welle 182 der Luft  schraube angeordnet ist, welche Welle 182 in  einem am     Reduktionsgetriebekasten    ange  brachten Drucklager 183 gelagert ist.

   Das  zweite     Ritzel    179 und ausserdem das ringför  mige Zahnrad 181 weisen     schraubenlinien-          förmige    Zähne auf, wobei der Drehsinn der  Zähne derart gewählt ist, dass ein vorwärts  gerichteter Schub in der Welle 174 erzeugt  wird, welcher dem     rückwärtsgerichteten     Schub in der Welle 174, der vom ersten     Rit-          zel    178 erzeugt wird, entgegenwirkt, so dass  das Schublager 173 nur kleine Schübe auf  nehmen muss.

   Der     rückwärtsgerichtete    Schub,  welcher im ringförmigen Zahnrad 181 erzeugt  wird, ist dem in der Welle 182 der Luft  schraube durch diese erzeugten Schub     ent-          gegengerichtet,    so dass das an der Luft  schraubenwelle angebrachte Lager 183 nur  kleine Schübe aufnehmen muss.  



  Es ist ersichtlich, dass bei geeigneter Wahl  des Steigungswinkels der Zähne die durch die      Zahnkränze in den betreffenden Wellen er  zeugten Reaktionen derart sind, dass die  Schübe in den betreffenden Wellen annähernd  ausgeglichen sind, so dass die     Drucldager     nur kleine Schübe aufzunehmen haben.



      Gas turbine plant. The invention relates to a gas turbine plant with a turbo engine rotor which is exposed to an axial thrust caused by the flow medium during operation of the plant, a drive shaft arranged coaxially to the rotor shaft and with a coupling arranged between the rotor shaft and the drive shaft.



  In certain axial turbines occurs. In addition to the torque, there is also an axial thrust on the rotor during operation, which is approximately proportional to the torque. In a similar way, an axial thrust occurs when an axial compressor is in operation, which is also approximately proportional. to torque. can be. In the case of radial flow machines with single-sided blading, a similar thrust can arise as a result of unbalanced pressure loads on both sides of the rotor.

   For example, in the case of a radial turbine or a centrifugal compressor with suction on one side, the fluid pressure on the rotor side which carries the rotor blades can be different from the pressure on the side which is exposed to the static outlet, inlet or atmospheric pressure.



  The gas turbine system according to the invention now has a coupling with an external gear rim with helical teeth, which is attached to one of the two shafts mentioned, as well as with an internal gear rim with helical teeth which cooperates with the external gear rim and which is attached to the other of the two shafts is., the direction of rotation of the helical teeth is selected so that the torque transmitted through the clutch in.

   the latter generated and transmitted to the rotor shaft axial thrust counteracts the rotor axial thrust caused by the flow medium.



  The helical teeth permit a small axial displacement between two rotors due to the relative rotation between the two shafts. Such a shift is desirable in Kon structures in which each of the rotors must occupy a certain axial position with respect to the adjacent stator parts of the system and where the parts during operation such. B. can move axially relative to each other due to the thermal expansion of the stator.



  If both rotors experience axial thrusts in the same direction, then the coupling transfers at least part of the rotor thrust from one shaft to the other, so that at least part of the thrust from both rotors can be transferred to the stator through a single thrust bearing.



  If axial thrusts act in opposite directions in both rotors, then the ring gears reduce the rotor thrusts by at least a part, so that the pressure bearings that transmit the reduced thrusts to the stator can be smaller than if they were ever to carry the entire rotor thrust would have.



  The helix angle of the cooperating gear rims is expediently chosen so that when the clutch transmits the torque, the axial thrusts acting on the rotor shaft are approximately balanced.



  If, in such an arrangement, the rotors experience axial thrusts in the same direction, the clutch transmits the entire thrust from one shaft to the other, so that only one thrust bearing is required to transfer the total thrust that both rotors are exposed to to the stator transfer.



  If the rotors experience axial thrusts in the opposite direction, the thrust bearing only has to transmit the difference between the thrusts acting on the two rotors. In practice, two thrust bearings are provided, one each to secure the position of each rotor, but these two bearings do not have to be as large as if each bearing would have to transmit the entire thrust to which the associated rotor is exposed.



  The accompanying drawing shows some exemplary embodiments of the subject matter of the invention.



       1 and 2 are sections through compressor units of gas turbine systems, and FIGS. 3, 4 and 5 are sections through gas turbine systems.



  According to Figure 1, a two-stage Zen trifugal compressor of a gas turbine system i has two single-sided suction centrifugal impellers 10, 11 which are coaxially arranged in compressor housings 12, 13 and connected by a coupling 14 between the shafts 15, 16 of the impellers.



  The blades 17, 18 of the two impellers 10, 11 are each located at a distance from the turbine shaft 20, which drives both rotor shafts. The conveyed fluid of each impeller acts on its disk in such a way that each impeller is exposed to an axial thrust against its inlet opening during operation. For several reasons it is desirable that all of the axial thrust be transferred to the turbine shaft. For example, it is inexpedient to assign a relatively large thrust bearing to the impeller that is removed from the turbine shaft. lies.

    It may also be desirable to use the entire thrust to counteract an opposing thrust of the drive turbine. The transfer of the entire thrust in this way to the turbine shaft is possible by arranging the at the impellers on the same shaft; but such an arrangement does not allow both Kom compressors to be produced as sub-assemblies and also not to fix each impeller axially separately; It is also possible to provide a detachable coupling for transmitting the torsion and the tensile forces, but the known couplings of this type are usually complicated, and moreover they do not allow a separate axial fixation of each impeller.



  In the example according to Figure 1, an internally provided with helical teeth sleeve 21 is provided as a hitch, which is angeord net on the shaft 15 of the impeller 10 and cooperates with an associated ring gear 22, which at the adjacent end of the shaft 16 of the other Impeller is arranged; the pitch angle of the teeth is chosen so that the thrust exerted by the sprockets on the running wheel 10 is opposed to the thrust which is generated by the difference in pressures on the surfaces of this running wheel.

   Thus, a thrust bearing 23 of relatively small size can be used to axially fix this impeller, and almost all of the thrust wel chem both impellers are exposed to is transmitted to the thrust bearing 24 through the shaft of the other impeller.



  Another embodiment is shown in FIG. Two single-sided centrifugal impellers 30, 31 of a gas turbine system are arranged coaxially and are driven by a common drive shaft, not shown. The blades 33, 34 of the running wheels are facing away from one another, so that the thrusts that occur on the running wheels are opposite to one another. The hitch arranged between the two wheels has helical teeth 35, and by suitable choice of the pitch angle and direction of rotation of the helical shape of the teeth, the axial thrusts on the wheels can be such that they approximately compensate each other.

   In this way, each running wheel can be axially fixed by a relatively weak bearing 36, and the use of bearings which accommodate large thrusts, which would be necessary with rigid couplings, is avoided.



       Fig. 3 shows a gas turbine system which has a centrifugal compressor rotor 40, on which an axial thrust acts during operation, which is related to the size of the Antriebsdrehmomen tes. The air flows through the front end 41 into the compressor in order to then flow backwards into a combustion chamber 42, from where the combustion products flow through a turbine 43 in an exhaust gas duct 44 at the rear end.

   The rotor 45 of the turbine 43 drives the compressor rotor 40 via the coupling of the coaxial shafts 46, 47 of the turbine and compressor rotors. During the operation of the gas turbine, a backward axial thrust acts on the rotor 45, that is to say in such a way that this thrust has the tendency to separate the turbine rotor 45 from the compressor rotor 40, while the axial thrust on the compressor rotor 40 acts in the opposite direction, i.e. forwards, against the inlet of the same.



  So far, a shaft coupling between the turbine and the compressor part has been seen in machines similar to that described, which is able to absorb the resulting tensile forces in the shaft and also to transmit the torque from the turbine to the compressor. These Kupp lungs are more complicated in shape and Her position than that of the education described from, and they also do not allow the axial definition of the turbine rotor ge separated from the compressor rotor. In the present example, a simple clutch is provided, which assures an independent axial definition of the turbine rotor and the compressor rotor by means of thrust, which bearings only have to absorb relatively small forces.

   For this purpose, the turbine rotor shaft 46 has an external gear rim with helical teeth 49, which cooperates with an internal gear rim 48 on the compressor rotor shaft 47. The pitch angle and the direction of rotation of the helical shape are selected so that when the torque is transmitted from the turbine shaft 46 to the compressor shaft 47 through these sprockets, an axial thrust is exerted on the turbine shaft 46, which acts on the turbine rotor 45 during operation counteracts the thrust.



  The turbine rotor can thus be held in its axial position by a thrust bearing 50 which is arranged at the rotor disk and which only has to absorb relatively small thrusts. An advantage of this arrangement is the possibility of maintaining an axial play between the rotor and the stator, regardless of the extent of the housing attached between the compressor and the turbine.



  It should also be noted that if the magnitude of the thrust acting on the compressor (forwards) is approximately equal to the thrust acting on the turbine (backwards), the compressor thrust is approximately compensated for by the axial thrust in the compressor shaft 47 and the compressor bearing 51 only has to accommodate relatively small thrusts.



  The couplings described can also be used to connect the turbine rotor shaft or the compressor rotor shaft to a shaft for the delivery of external power, the load of which generates an axial thrust. If the plant z. B. is used to drive a propeller, the turbine and the compressor rotor shaft can be connected to each other and to a shaft to which the axial thrust caused by the propeller is transmitted by coupling members of the type described.



  If, in such a case, the entire unbalanced thrust of the turbine and compressor rotors is opposed to the thrust generated by the propeller, thrust bearings of low load-bearing capacity can be provided in the entire system. When all of the unbalanced thrust from the turbine and compressor rotors is aligned with the thrust generated by the propeller, is. it is still advantageous to connect the various shafts by means of the Erwähn th coupling, because it is then possible to transfer the resulting thrust of all shafts to the supporting structure at any desired point where a suitable thrust bearing can be accommodated.



       Fig. 4 shows another construction of a gas turbine plant. A high pressure turbine rotor 120 drives a high pressure axial compressor rotor 121 and a low pressure turbine rotor 122 drives a low pressure axial compressor rotor 123. The working fluid of the machine flows one after the other through the low-pressure compressor, the high-pressure compressor, the combustion device 1.24, the high-pressure turbine, the low-pressure turbine and the exhaust gas duct 125.



  The turbine rotor 122 has a shaft 126 which is mounted within a shaft 127 of the turbine rotor 120. The compressor rotor 123 similarly has a shaft 128 which is mounted within a shaft 129 of the compressor rotor 121.



  During operation, each compressor rotor is exposed to an axial thrust which tries to separate this compressor rotor from the associated turbine rotor. Each turbine rotor is also exposed to an axial section which seeks to separate this turbine rotor from the associated compressor motor.



  The shaft of each compressor rotor is connected to the shaft of the associated turbine rotor by means of helical teeth. The shaft 129 has outer helical teeth which mesh with helical internal teeth 131 attached to one end of the shaft 127. The shaft 128 has helical inner teeth which engage in outer, helical teeth 133 attached to one end of the shaft 126.

      The direction of rotation of the helical shape of the teeth is chosen so that the axial thrust that is generated in the shafts by the transmission of the driving torque from the turbine rotors to the compressor rotors is opposite to the axial thrusts that are applied to the shafts by the Rotors are transferred, with the result that the axial position of the low-pressure compressor rotor be determined pressure bearing 140, the pressure bearing 1.41 for the high-pressure compressor rotor 121,

    the thrust bearing 142 for the high-pressure turbine rotor 120 and the thrust bearing 143 for the low-pressure turbine rotor 122 have to absorb smaller thrusts than if they had to absorb the entire thrust that occurs on each rotor during operation and transfer it to the supporting structure becomes.



  Similar arrangements can also be used for marine gas turbine systems, in which the thrust generated by the propeller is directed forward in the direction of movement of the ship and the thrust occurring on the turbine rotor is directed backwards.



       Fig. 5 shows another construction of a gas turbine plant. A turbine 150 drives two centrifugal compressors 151, 152, which are arranged coaxially to the turbine, and the turbine 150 also drives an air screw via a reduction gear 153. The air flows into the first compressor 151, in which it is compressed and promoted by this into the inlet of the second compressor 152. becomes. After the second compressor 152, it flows to the turbine 150 after it has been heated.

        It is desirable that the two compressors 151, 152 and the turbine 150 are arranged independently of one another. For this purpose, the turbine shaft 155, which is axially held by a thrust bearing 154, has a sleeve 156 which cooperates with straight teeth 157 and has inner helical teeth 158 at the end remote from the turbine shaft. The sleeve 1.56 is held in engagement with the turbine shaft by a nut 159. A shaft 160 of the high pressure compressor has outer helical teeth 161 at the end facing the turbine, which cooperate with the inner teeth 158 which the sleeve 156 are attached.

   The direction of rotation and the pitch angle of the helical shape of the teeth are selected in such a way that the thrust generated by the transmission of the torque through the teeth 158, 161. and is transmitted to the turbine shaft by the nut 159, is at least partially canceled by the thrust of the turbine, and that the thrust which is transmitted to the shaft 160 of the high pressure compressor is the thrust which occurs on the rotor of the compressor 152 , is directed in the opposite direction. The shaft of the high pressure compressor is axially supported by a thrust bearing 162.

   The end of the shaft 160 of the high pressure compressor remote from the turbine has outer helical teeth 165 which cooperate with inner helical teeth 166 which are attached to the rearward end of the shaft 167 of the low pressure compressor. The direction of rotation of the helical shape of the teeth is chosen so that a backward thrust is generated in the shaft 167 of the low-pressure compressor as a result of the transmission of the torque through the screw teeth 165, 166, which thrust is opposite to the rotor l57 on the compressor. resulting thrust is directed.

    The axial position of the shaft of the low-pressure coinpressor is secured by means of a pressure bearing 163. The forward end of shaft 167 of the low pressure compressor has a! A further set of inner helical teeth 168 which interact with a set of outer teeth 169 mounted on an intermediate drive shaft 170. This intermediate drive shaft is mounted by means of a pressure bearing 171 arranged on an intermediate wall 172.

   The intermediate wall 172 carries a rear bearing 173 in which the countershaft 174 of the reduction gear is mounted. In one, ball bearing 176, which is carried by a second partition 177, the other end of the shaft 174 is mounted.



  Two pinions 178, 179 of a reduction gear are net angeord on the shaft 174, and the drive is carried by the intermediate shaft 170 to the rear pinion 178, which has helical teeth. The direction of rotation of the helical shape of the teeth is selected such that a forward thrust in the shaft 170 and a backward thrust in the rear pinion 178 is generated. The pinion 179 meshes with an internally toothed gear 181 which is arranged on the shaft 182 of the air screw, which shaft 182 is mounted in a thrust bearing 183 attached to the reduction gear box.

   The second pinion 179 and also the ringför shaped gear 181 have helical teeth, the direction of rotation of the teeth is selected such that a forward thrust is generated in the shaft 174, which is the backward thrust in the shaft 174, the first pinion 178 is generated counteracts, so that the thrust bearing 173 only has to take on small thrusts.

   The backward thrust which is generated in the annular gear 181 is opposite to the thrust generated in the shaft 182 of the air screw, so that the bearing 183 attached to the air screw shaft only has to absorb small thrusts.



  It can be seen that with a suitable choice of the pitch angle of the teeth, the reactions generated by the gear rims in the relevant shafts are such that the thrusts in the relevant shafts are approximately balanced, so that the thrust bearings only have to accommodate small thrusts.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH: Gasturbinenanlage mit einem Strömungs- maschinenrotor, der während des Betriebes der Anlage einem durch das Strömungs- mediiun bedingten Axialschub ausgesetzt ist, einer zur Rotorwelle koaxial angeordneten Triebwelle und mit einer zwischen Rotorwelle und Triebwelle angeordneten Kupplung, da durch gekennzeichnet, dass die Kupplung einen Aussenzahnkranz mit schraubenlinien- förmigen Zähnen besitzt, der auf der einen der beiden genannten Wellen befestigt ist, PATENT CLAIM: Gas turbine system with a flow machine rotor which is exposed to an axial thrust caused by the flow medium during operation of the system, a drive shaft arranged coaxially to the rotor shaft and with a coupling arranged between the rotor shaft and the drive shaft, characterized in that the coupling has a Has external gear rim with helical teeth, which is attached to one of the two shafts mentioned, sowie einen mit dem Aussenzahnkranz zu sammenwirkenden Innenzahnkranz mit schrau- benlinienförmigen Zähnen, der auf der an dern der beiden Wellen befestigt ist, wobei der Drehsinn der schraubenlinienförmigen Zähne so gewählt ist, dass der beim Übertra gen des Drehmomentes durch die Kupplung in der letzteren erzeugte und auf die Rotor welle übertragene Axialschub dem durch das Strömungsmedium bedingten Rotoraxialschub entgegenwirkt. UNTERANSPRÜCHE: as well as an internal gear with helical teeth that cooperates with the external gear and is attached to the other of the two shafts, the direction of rotation of the helical teeth being selected so that the torque generated by the clutch in the latter when the torque is transmitted and Axial thrust transmitted to the rotor shaft counteracts the rotor axial thrust caused by the flow medium. SUBCLAIMS: 1. Gasturbinenanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungs winkel der Zähne derart gewählt ist, dass, wenn die Kupplung das Drehmoment über trägt, die auf die Rotorwelle wirkenden Axial schübe annähernd ausgeglichen sind. 2. Gasturbinenanlage nach Unteranspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten Strö- mungsmaschinenrotor, der auf der Triebwelle befestigt ist und welcher beim Betrieb der Anlage einem durch das Strömungsmedium bedingten Axialschub ausgesetzt ist, der dem am ersten Rotor wirkenden Axialschub ent gegenwirkt. 1. Gas turbine system according to claim, characterized in that the pitch angle of the teeth is selected such that, when the clutch carries the torque, the axial thrusts acting on the rotor shaft are approximately balanced. 2. Gas turbine plant according to dependent claim 1, characterized by a second flow machine rotor which is attached to the drive shaft and which is exposed to an axial thrust caused by the flow medium during operation of the plant, which counteracts the axial thrust acting on the first rotor. 3. Gasturbinenanlage nach Unteransprueh 2, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Rotor ein Turbinenrotor und der andere Rotor ein Kompressorrotor ist. 3. Gas turbine system according to Unteransprueh 2, characterized in that one rotor is a turbine rotor and the other rotor is a compressor rotor.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE1300735B (en) * 1957-01-29 1969-08-07 Bristol Siddeley Engines Ltd Gas turbine engine

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