CH288842A - Gas turbine for high temperature working fluid. - Google Patents

Gas turbine for high temperature working fluid.

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CH288842A
CH288842A CH288842DA CH288842A CH 288842 A CH288842 A CH 288842A CH 288842D A CH288842D A CH 288842DA CH 288842 A CH288842 A CH 288842A
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CH
Switzerland
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shaft part
gas turbine
shaft
flange
point
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German (de)
Inventor
Aktiengesellschaft Gebr Sulzer
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Sulzer Ag
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Publication date
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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

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

  

      Gasturbine    für Arbeitsmittel hoher Temperatur.    Die Erfindung bezieht sich auf eine Gas  turbine für Arbeitsmittel hoher Temperatur  mit beidseitig gelagertem Rotor, bei welchem  die unmittelbar an den     Laufschaufelträger     anstossenden Wellenteile aus     austenitischem     Stahl hergestellt sind. Bei solchen Turbinen,  insbesondere wenn sie für grosse Leistungen  bemessen sind, können Schwierigkeiten in der  Ausbildung der Lagerstellen auftreten. :Dies  ist namentlich der Fall bei Gasturbinen,  welche mit hohen     axialen        Durchtritts-          gesehwindigkeiten    und gleichzeitig mit hohem  Eintrittsdruck des Arbeitsmittels arbeiten.

    In solchen Fällen kann die von der Turbinen  welle abgegebene Nutzleistung im Vergleich  zu den Abmessungen der Maschine beträcht  liche Werte     annehmen.    Einerseits müssen die  Rotoren bei Verwendung von Arbeitsmittel  hoher Temperatur aus hochhitzebeständigem       Werkstoff    hergestellt sein, insbesondere aus       austenitischen    Stählen; diese besitzen je  doch die nachteilige     Eigenschaft,    dass ihre  Streckgrenze bei tieferen Temperaturen, Wie  solche beispielsweise in den Lagerpartien auf  treten, wesentlich tiefer liegt als bei den  im Maschinenbau verwendeten hochwertiger.  Stählen.

   Unter diesen Umständen ergibt sich  die     Notweudigkeit,    den die Nutzleistung der  Turbine übertragenden Wellenteil unverhält  nismässig dick zu bemessen, weil er sonst den  im Betrieb auftretenden     Torsionsspannungen     nicht genügen würde. Damit, ergeben sich  für die diesem Wellenteil zugeordneten Lager  stellen sehr ungünstige Bedingungen, weil das    Lager an einer Stelle grossen     Wellendurch-          messers    angebracht werden muss, wo die Um  fangsgeschwindigkeit bei den üblichen Touren  zahlen unzulässig hohe Werte     annimmt.     



  Vorliegende Erfindung erlaubt die Ver  meidung dieser.     Schwierigkeiten.    Sie ist da  durch     gekennzeichnet,    dass ein die     Nutz-          Leistung    übertragender, an den Laufschaufel  träger anstossender erster Wellenteil grösseren       Durchmessers    an einer der Erhitzung durch       das    Arbeitsmittel in vermindertem Masse aus  gesetzten Stelle mit     einem    zweiten     Wellenteil     kleineren Durchmessers aus     ferritischeir     Stahl verbunden ist, und dass die Lagerstelle  an diesen Wellenteil verlegt ist.

   Zweckmässig       können    die beiden die Nutzleistung übertra  genden Wellenteile mittels einer Flansch  verbindung miteinander verschraubt sein, wo  bei der aus     ferritischem    Stahl hergestellte  Wellenteil mit einem hohl ausgebildeten; in  radialer Richtung nachgiebigen und gegen  den Flansch zunehmenden     Aussendurclunesser     aufweisenden Übergangsstück an den Flansch  anschliesst. Es empfiehlt sich, die Flansch  verbindung im Innern des Lagergehäuses für  den die Nutzleistung übertragenden Wellen  teil anzuordnen. Ferner kann die Verbin  dungsstelle des ersten und des zweiten Wellen  teils     vorteilhaft    an einer Stelle angeordnet  sein, welche keine über 200  C liegende Be  triebstemperatur aufweist.  



  Die Erfindung ist nachstehend an Hand       des    auf der Zeichnung veranschaulichten Aus  führungsbeispiels näher erläutert. Die Figur      zeigt in schematischer Darstellung eine Gas  turbine, deren Gehäuse 1 auf übliche Weise  in einer horizontalen     Meridianebene        geteilt.     ist.

   Das in einer nicht gezeichneten Er  hitzungseinrichtung auf hohe Temperaturen  gebrachte gasförmige Arbeitsmittel wird in  die an den Stutzen 2 anschliessende ring  förmige Eintrittskammer 3 geleitet und  durchströmt in axialer Richtung die Schau  felkanäle der Turbine, wobei es unter Abgabe  von Nutzleistung an den mit     Laufschaufeln    4       versehenen    Schaufelträger 5 sich     -entspannt.     Die     Leitschaufeln    6 sind am Gehäuse 1 be  festigt. Das entspannte Arbeitsmittel strömt.  anschliessend über einen     diffiisorförmig    aus  gebildeten anal in die     Austrittskammer    7,  aus welcher es durch den Austrittsstutzen 8       abgeführt    wird.  



  Die besonders hohen mechanischen und       thermischen    Beanspruchungen ausgesetzten  Teile des     Turbinenrotors,    sind . aus hoch  hitzebeständigem,     austenitischem    Stahl her  gestellt, so der Schaufelträger 5, die an ihn  anstossenden Wellenteile 9 und 10 -sowie die  Schaufelengen. Unmittelbar an den -Schaufel  träger anschliessende     Labyrinthdichtungen    11  und 12 - verhindern das Austreten von Ar  beitsmittel durch den     Spaltrauen.        zwischen     den     Wellenteilen    9 und 10 und dem Gehäuse.

    Der     Wellenteil    10 endigt in einem Zapfen 14,  welcher von dem auf das Turbinengehäuse  abgestützten     Radiallager    15 gehalten ist. Der       Wellenteil    9 dient zur Übertragung der auf  den Rotor übertragenen Nutzleistung an eine  nicht gezeichnete Arbeitsmaschine.

   Entspre  chend den     ungünstigen    Festigkeitseigenschaf  ten des hochhitzebeständigen     austenitischen     Stahls bei tieferen Temperaturen, wie solche  beispielsweise in dem aus dem Turbinen  gehäuse herausgeführten Wellenstück auf  treten, weist dieser Wellenteil zwecks     Auf-          nalune    der auftretenden hohen     Torsiönsspan-          nungen    einen verhältnismässig grossen Durch  messer d auf.  



       'Dieser    die     -INTiitzleistung    - übertragende  Wellenteil 9 aus hochhitzebeständigem     auste-          nitischem    Stahl ist mit einem weiteren       'NNrellenteil    16 aus     ferritischem-Stahl    verbun-    den. Zu dieseln Zwecke sind die beiden  Wellenteile 9 und 16 mittels der     Flanscli-          verbindung    17 miteinander fest verschraubt.

    Der aus     ferritischem    Stahl hergestellte Wel  lenteil ist als     Torsionswelle    ausgebildet,  welche     finit    einem hohl ausgebildeten Über  gangsstück:     18_    an die.     Flanschverbindzing    17  anschliesst. Infolge der günstigeren     Festig-          -keitseigenschaften    im     Vergleieli        7tini        austeni-          tischen    Werkstoff des     ZVellenteils    9 kann der  Wellenteil 16 einen stark verminderten Durch  messer     ..di    aufweisen.

   Die Lagerstelle für die  die Nutzleistung übertragende Welle ist. an  den Wellenteil 16     aus        ferritischein    Stahl ver  legt. Dank des verminderten     Durchmessers        d,     beträgt die Umfangsgeschwindigkeit - der  Welle im Lager 19 nur einen Bruchteil der  jenigen, welche bei Anordnung der- Lager  stelle auf dem Wellenteil 9 auftreten würde.  Diese Umfangsgeschwindigkeit liegt in allen  Fällen unter dein zulässigen Mass und ge  währleistet erheblich verbesserte Laufeigen  schaften der Turbine.

   Damit können die  Möglichkeiten der Schaufelgestaltung, der  Ausbildung und der     Dimensionierung    der  Turbinen voll ausgenützt werden, wenn nicht,  wie bisher,     Riicksicht    auf übermässige     LTm-          fangsgeschwindigkeiten    des     Lagers    an dem  die Nutzleistung übertragenden Wellenteil  genommen werden muss. Das Lager 19 ist als  kombiniertes     AxiaI-Radial-Lager    ausgebildet  und in dein vom Turbinengehäuse 1 unab  hängigen Lagergehäuse 20 gehalten, welches  seinerseits auf der Grundplatte 21. abgestützt  ist.  



       Zweckmässig        wird    dafür gesorgt, dass an  der     Verbindungsstelle    der beiden Wellenteile  9 und 16 keine     unzulässigen    Wärmespannun  gen auftreten. Zu     diesem    Zweck wird einer  seits durch den Kanal 13 ein kühlendes Sperr  mittel in eine dein Schaufelträger 5 benach  barte Drosselstelle der     Läbyrinthdichtung        ein-          geführt,    welche dafür sorgt,

       da.ss    bei den     Ver-          bindungsflansclien    17 keine unzulässig hohen  Temperaturen     aufreten.        Ausserdem    ist das .an  den     Verbinduno,sflansch    anschliessende Ende  18 der     Torsiönswelle    16 derart hohl ausgebil  det, dass es eine gewisse     Nachgiebigkeit    in ra-      dualer Richtung besitzt, womit allfällige  Wärmespannungen ebenfalls auf ein zulässi  ges Mass vermindert werden können. Die       Flanschv        erbindung    ist zudem im Innern des  Lagergehäuses 20 angeordnet und damit ge  gen vom Turbinengehäuse ausgehende Wärme  strahlung geschützt.

   Die Temperatur der       Flanschverbindung    17 kann beispielsweise       ?00     C betragen.  



  Der auf der     Austrittsseite    der Turbine im  Lager 1.5 gehaltene Zapfen 14 ist. nicht durch       Torsionsspannungen    beansprucht und kann  deshalb trotz den ungünstigen Festigkeits  eigenschaften des für ihn verwendeten     auste-          nitischen.    Stahls dünn gehalten werden, womit  die Umfangsgeschwindigkeit der Welle im  Lager 15 keine nachteiligen hohen     1Verte    an  nimmt. Zur Kühlung der Lagerpartie kann  ebenfalls durch einen Kanal     13a    ein kühlen  des Sperrmittel in die     Labyrinthdichtung    12  eingeführt werden.



      Gas turbine for high temperature working fluid. The invention relates to a gas turbine for working fluid of high temperature with a rotor mounted on both sides, in which the shaft parts directly abutting the blade carrier are made of austenitic steel. With such turbines, especially when they are dimensioned for high performance, difficulties can arise in the design of the bearing points. : This is particularly the case with gas turbines which operate with high axial passage speeds and at the same time with high inlet pressure of the working medium.

    In such cases, the useful power output by the turbine shaft can assume considerable values compared to the dimensions of the machine. On the one hand, the rotors must be made of highly heat-resistant material, especially austenitic steels, when using high-temperature equipment; however, these have the disadvantageous property that their yield strength at lower temperatures, such as those occurring, for example, in the bearing sections, is significantly lower than with the higher-quality ones used in mechanical engineering. Steels.

   Under these circumstances, the necessity arises to dimension the shaft part that transmits the useful power of the turbine disproportionately thick, because otherwise it would not be sufficient for the torsional stresses occurring during operation. This results in very unfavorable conditions for the bearings assigned to this shaft part, because the bearing has to be attached at a point with a large shaft diameter, where the circumferential speed takes on inadmissibly high values with the usual tours.



  The present invention allows this to be avoided. Trouble. It is characterized in that a first shaft part of larger diameter, which transfers the useful power and adjoins the rotor blade carrier, is connected to a second shaft part of smaller diameter made of ferritic steel at a point less exposed to heating by the working medium, and that the bearing is relocated to this shaft part.

   Advantageously, the two shaft parts transmitting the net power can be screwed together by means of a flange connection, where the shaft part made of ferritic steel has a hollow one; The transition piece, which is flexible in the radial direction and has an outer diameter increasing towards the flange, connects to the flange. It is advisable to arrange the flange connection inside the bearing housing for the shaft transmitting the useful power. Furthermore, the connection point of the first and the second shaft part can advantageously be arranged at a point which does not have an operating temperature above 200 ° C.



  The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiment illustrated in the drawing. The figure shows a schematic representation of a gas turbine, the housing 1 of which is divided in the usual way in a horizontal meridian plane. is.

   The in a heating device not shown He brought to high temperatures gaseous working medium is passed into the adjoining the nozzle 2 ring-shaped inlet chamber 3 and flows through the blade ducts of the turbine in the axial direction, with delivery of useful power to the blade carrier provided with 4 blades 5 relaxes. The guide vanes 6 are fastened to the housing 1 be. The relaxed work equipment flows. then via a diffuser-shaped anal into the outlet chamber 7, from which it is discharged through the outlet nozzle 8.



  The parts of the turbine rotor that are exposed to particularly high mechanical and thermal loads are. made of highly heat-resistant, austenitic steel, such as the blade carrier 5, the shaft parts 9 and 10 that abut it, as well as the blade lengths. Labyrinth seals 11 and 12 directly adjoining the blade carrier prevent working media from escaping through the gap roughness. between the shaft parts 9 and 10 and the housing.

    The shaft part 10 ends in a journal 14 which is held by the radial bearing 15 supported on the turbine housing. The shaft part 9 serves to transmit the useful power transmitted to the rotor to a working machine, not shown.

   Corresponding to the unfavorable strength properties of the highly heat-resistant austenitic steel at lower temperatures, such as those that occur in the shaft piece led out of the turbine housing, this shaft part has a relatively large diameter d in order to absorb the high torsional stresses that occur.



       This shaft part 9, made of highly heat-resistant austenitic steel, which transmits the -INTiitzkraft - is connected to a further number part 16 made of ferritic steel. For diesel purposes, the two shaft parts 9 and 16 are firmly screwed together by means of the flange connection 17.

    The shaft part made of ferritic steel is designed as a torsion shaft which finitely has a hollow transition piece: 18_ to the. Flange connecting 17 connects. As a result of the more favorable strength properties in the comparative austenitic material of the cell part 9, the shaft part 16 can have a greatly reduced diameter.

   The bearing point for the shaft transmitting the useful power is. on the shaft part 16 made of ferritic steel ver. Thanks to the reduced diameter d, the circumferential speed - of the shaft in the bearing 19 is only a fraction of that which would occur on the shaft part 9 if the bearing were arranged. In all cases, this peripheral speed is below your permissible level and ensures that the turbine runs significantly better.

   The possibilities of the blade design, the design and the dimensioning of the turbines can thus be fully exploited if, as before, consideration must be given to excessive initial speeds of the bearing on the shaft part transmitting the useful power. The bearing 19 is designed as a combined axial-radial bearing and held in your bearing housing 20 independent of the turbine housing 1, which in turn is supported on the base plate 21.



       It is expedient to ensure that no impermissible thermal stresses occur at the junction of the two shaft parts 9 and 16. For this purpose, on the one hand, a cooling blocking agent is introduced through the channel 13 into a throttle point of the labyrinth seal adjacent to your blade carrier 5, which ensures that

       that no impermissibly high temperatures occur at the connecting flanges 17. In addition, the end 18 of the torsion shaft 16 adjoining the connection flange is designed to be hollow in such a way that it has a certain flexibility in the radial direction, which means that any thermal stresses can also be reduced to a permissible level. The flange connection is also arranged in the interior of the bearing housing 20 and thus protected against heat radiation emanating from the turbine housing.

   The temperature of the flange connection 17 can be, for example,?



  The journal 14 held in bearing 1.5 on the outlet side of the turbine is. not stressed by torsional stresses and can therefore, despite the unfavorable strength properties of the austenitic material used for it. Steel are kept thin, so that the peripheral speed of the shaft in the bearing 15 does not take on any disadvantageous high 1Verte. To cool the bearing section, a cooling of the locking means can also be introduced into the labyrinth seal 12 through a channel 13a.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCII Gasturbine für Arbeitsmittel hoher Tem peratur mit beidseitig gelagertem Rotor, bei welchem die unmittelbar an den Laufschau felträger anstossenden Wellenteile aus auste- nitischem Stahl hergestellt sind, dadurch ge kennzeichnet, dass ein die Nutzleistung der Turbine übertragender erster Wellenteil grösseren Durchmessers an einer der Er hitzung durch das Arbeitsmittel in vermin dertem Masse ausgesetzten Stelle mit einem zweiten Wellenteil kleineren Durchmessers aus ferritischein Stahl verbunden ist, und dass die Lagerstelle an diesen Wellenteil ver legt ist. PATENT CLAIM Gas turbine for high-temperature work equipment with a rotor mounted on both sides, in which the shaft parts directly abutting the blade carrier are made of austenitic steel, characterized in that a first shaft part with a larger diameter, which transmits the useful power of the turbine, is located on one of the heaters is connected to a second shaft part of smaller diameter made of ferritic steel by the work equipment in reduced mass exposed point, and that the bearing point is laid on this shaft part. UNTER.A\TSPRÜCHE 1. Gasturbine nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die beiden die Nutzleistung übertragenden Wellenteile mit tels einer Flanschverbindung miteinander verschraubt sind, wobei der aus ferritischem. Stahl hergestellte Wellenteil mit einem hohl ausgebildeten, in radialer Richtung nach giebigen und gegen den Flansch zunehmen den Aussendurchmesser aufweisenden Über gangsstück an den Flansch anschliesst. 2. UNDER.A \ TSPRÜCHE 1. Gas turbine according to claim, characterized in that the two shaft parts transmitting the useful power are screwed together by means of a flange connection, the one made of ferritic. Steel-made shaft part with a hollow, in the radial direction after yielding and increasing against the flange the outer diameter having over transition piece connects to the flange. 2. Gasturbine nach Unteranspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass die Flanschverbin- dung im Innern des Lagergehäuses für den die Nutzleistung übertragenden Wellenteil angeordnet ist. 3. Gasturbine nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die Verbindungs stelle des ersten und des zweiten Wellenteils an einer Stelle angeordnet - ist, welche keine über 200 C liegende Betriebstemperatur auf weist. Gas turbine according to dependent claim 1, characterized in that the flange connection is arranged in the interior of the bearing housing for the shaft part transmitting the useful power. 3. Gas turbine according to claim, characterized in that the connection point of the first and the second shaft part is arranged at one point - which does not have an operating temperature above 200 C.
CH288842D 1951-02-13 1951-02-13 Gas turbine for high temperature working fluid. CH288842A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0575017A1 (en) * 1992-06-17 1993-12-22 MANNESMANN Aktiengesellschaft Shaft for the connection of a gear wheel to a turbo-machine rotor wheel

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0575017A1 (en) * 1992-06-17 1993-12-22 MANNESMANN Aktiengesellschaft Shaft for the connection of a gear wheel to a turbo-machine rotor wheel

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