CH697858A2 - Rotor-Stator-Halterungssystem. - Google Patents

Abstract

Ein Halterungssystem für Rotor (10) und Stator (8) einer rotierenden Maschine auf einer tragenden Basis (13), wobei das Halterungssystem mindestens einen Halteschenkel in Arbeitsverbindung mit einem Lager des Rotors (10) und mit der tragenden Basis (13) sowie mindestens eine Strebe in Arbeitsverbindung mit dem mindestens einen Halteschenkel und mit dem Stator (8) besitzt.

Description

  [0001] Die Erfindung betrifft ein Halterungssystem für den Rotor und Stator einer umlaufenden Maschine, insbesondere einer Gasturbine.

[0002] Gasturbinen haben viele schwere Teile, die eine Halterung oder Abstützung erfordern. Halterungen werden verwendet, um das Gewicht der Gasturbine zu tragen, die Vibration aufzunehmen und die Gasturbine in einer örtlichen Verankerung zu halten.

[0003] Gasturbinen besitzen einen Rotor, der in einem Stator umläuft. Der Rotor wird von Lagern gehalten, die als Last auf ein Lagergehäuse oder ein ähnliches nicht umlaufendes Halterungssystem wirken. Das Gehäuse oder die Halterungsstruktur ist allgemein im Inneren einer ringförmigen Abgasströmung angeordnet.

   Bei üblichen Architekturen von Lagerstrukturen wird das Lagergehäuse oder eine ähnliche Halterungsstruktur meist von Streben getragen, die sich durch die ringförmige Abgasströmung erstrecken. Die Streben sind an einer äusseren Struktur befestigt, die sich ausserhalb der ringförmigen Abgasströmung befindet, wobei die Struktur am restlichen Teil des Stators befestigt ist. Der Stator seinerseits ist auf einer tragenden Struktur befestigt, die eine Abstützung in vertikaler und horizontaler Ebene gewährleistet.

[0004] Diesem Typ der Architektur von Gasturbinenhalterungen hat verschiedene Nachteile. Ein Nachteil besteht darin, dass übliche Halterungen die Vibrations-Wechselwirkung zwischen Rotor und Stator aufnehmen müssen. Eine Vergrösserung des Abstandes zwischen einer Gruppe von Turbinenschaufeln und dem Stator kann zum Aufnehmen der Vibration erforderlich sein.

   Die Vergrösserung des Abstandes führt meist zu einer Verringerung des Wirkungsgrades der Gasturbine.

[0005] Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass auf die Flansche des Statorgehäuses bei Belastungsbedingungen in Notfällen eine erhöhte Belastung auftreten kann, wie dies bei einem seismischen Geschehen oder beim Zubruchgehen von rotierenden Teilen der Fall sein kann. Die erhöhte Beanspruchung wird auf die Halterungen übertragen. Um die erhöhte Belastung aufzunehmen, kann es erforderlich sein, die Flansche des Statorgehäuses mit einer grösseren Masse zu versehen. Eine Vergrösserung der Masse der Flansche des Statorgehäuses kann zu einer ungleichmässigen Erwärmung des Stators führen. Eine ungleichmässige Erwärmung des Stators kann wiederum zu einem Rundungsverlust führen und einen Abrieb der Turbinenschaufeln bewirken.

   Ausserdem kann die vergrösserte Belastung dazu führen, dass die Statorflanschen sich verschieben und dann eine erneute Justierung erforderlich sein kann.

[0006] Es besteht daher ein Bedarf an einer Halterung einer Gasturbine, welche Halterung die Vibrationen aufzunehmen und die Notfallbelastung der Flansche des Statorgehäuses zu vermindern in der Lage ist.

[0007] Gegenstand der Erfindung ist ein Halterungssystem, das diesen Bedarf zu erfüllen gestattet und das die in Anspruch 1 genannten Merkmale hat. Bevorzugte Ausführungen der Halterung haben die Merkmale der Ansprüche 2 bis 9.

   Die Erfindung betrifft auch eine umlaufende Maschine mit den Merkmalen von Anspruch 10.

[0008] Gemäss einer Ausführungsform des Halterungssystems, nachfolgend auch kurz "Halterung" genannt, eines Rotors und eines Stators umlaufenden Maschine auf einer tragenden Basis (nachfolgend auch kurz "Basis" genannt) besitzt die Halterung mindestens einen Halteschenkel in Arbeitsverbindung mit einem Lager des Rotors und mit der Basis sowie mindestens eine Strebe in Arbeitsverbindung mit dem mindestens einen Halteschenkel und mit dem Stator.

[0009] Gemäss einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung eine umlaufende Maschine, die auf einer tragenden Basis angeordnet ist, wobei die Maschine einen Stator, einen zum Stator benachbart angeordneten Rotor, ein in Arbeitsverbindung mit dem Rotor stehendes Rotorlager,

   mindestens einen Halteschenkel in Arbeitsverbindung mit dem Lager und mit der tragenden Basis und mindestens eine Strebe in Arbeitsverbindung mit dem mindestens einen Halteschenkel und mit dem Stator stehende Strebe besitzt.

[0010] Die Erfindung wird anhand der Beschreibung und der Zeichnungen ausführlicher erläutert. Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>ein Ausführungsbeispiel einer Gasturbine;


  <tb>Fig. 2<sep>eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Gasturbine;


  <tb>Fig. 3<sep>eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Gasturbine; und


  <tb>Fig. 4a und 4b<sep>(gemeinschaftlich als Fig. 4 bezeichnet) ein Ausführungsbeispiel der Gasturbine mit einem Halteschenkel und einer lateralen Halterungsstruktur.

[0011] Die Beschreibung beschreibt Ausführungsformen eines Systems zur Halterung eines Rotors und eines Stators einer Gasturbine. Das Halterungssystem nimmt die Vibration auf und vermindert die Notfallbelastung, die auf die Flansche des Statorgehäuses wirkt. Gemäss einer Ausführungsform besitzt die Halterung Schenkel zur Halterung des Rotors auf einem Fundament als tragende Basis. Die Halterang trägt vermittels von Streben auch den Stator. Die auf dem Stator einwirkenden statischen und dynamischen Kräfte werden von den Streben auf die Halteschenkel übertragen.

   Durch Halterung des Stators auf einer Rotorhalterung kann die Konzentrizität des Rotors in Bezug auf den Stator aufrecht erhalten werden.

[0012] Zum besseren Verständnis sollen hier zunächst einige Begriffe definiert werden: Die Bezeichnung "umlaufende Maschine" bezieht sich auf Maschinen, die umfangsmässig angeordnete Schaufeln an einer Welle besitzen. Die Welle und die Schaufeln rotieren gemeinsam um eine der folgenden Funktionen zu erfüllen: um ein Gas zu verdichten, um ein Fluid zu fördern, um einen Fluidstrom in Rotationsarbeit umzuwandeln oder um eine Gasströmung in Rotationsenergie umzuwandeln.

[0013] Die Bezeichnung "Gasturbine" bezieht sich auf eine umlaufende Maschine, die ein kontinuierlich arbeitender Verbrennungsmotor ist. Die Gasturbine umfasst im Allgemeinen einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine.

   Der Verdichter verdichtet Luft zur Verbrennung in einer Brennkammer. Die Brennkammer emittiert heisse Gase, die gegen die Turbine strömen. Die Turbine konvertiert die Energie der heissen Gase in Rotationsenergie. Die Bezeichnung "Rotor" bezieht sich auf eine umlaufende Struktur, wie die Turbine. Der Rotor besitzt eine Welle und einen Satz von Schaufeln, die peripher um die Welle angeordnet sind.

[0014] Die Bezeichnung "Gehäuse" bezieht sich auf die den Rotor umgebende Struktur. Das Gehäuse kann auch als ein "Stator" bezeichnet werden.

[0015] Die Bezeichnung "Statorgehäuseflansch" bezieht sich auf einen Gehäuseflansch, der zur Befestigung der Sektionen eines Gehäuses aneinander verwendet wird.

[0016] Die Bezeichnung "Turbinenstufe" bezieht sich auf eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln, die peripher im Bereich einer Turbinenwelle angeordnet sind.

   Die Turbinenschaufeln der Turbinenstufe sind in einem kreisförmigen Muster um die Welle angeordnet.

[0017] Die Bezeichnung "Abstand" (engl: clearance) bezieht sich auf das Ausmass des Abstandes zwischen dem äusseren Ende einer Turbinenschaufel und dem Gehäuse.

[0018] Die Bezeichnung "Rotorlager" bezieht sich auf ein Lager für die Halterung des Rotors.

[0019] Die Bezeichnung "Lagergehäuse" bezieht sich auf ein Gehäuse zur Halterung eines Lagers.

[0020] Die Bezeichnung "innerer Zylinder" bezieht sich auf eine allgemein zylindrische Struktur im Innern des Gehäuses. Der innere Zylinder kann zur Halterung des Lagergehäuses dienen.

[0021] Die Bezeichnung "Halteschenkel" bezieht sich auf eine Halterung für den Rotor. Ein Ende des Halteschenkels kann auf einer tragenden Basis ausserhalb des Gehäuses befestigt sein.

   Ein anderes Ende des Halteschenkels kann am inneren Zylinder oder einer Struktur zur Halterung des Lagers, wie des Lagergehäuses, befestigt sein.

[0022] Die Bezeichnung "Strebe" bezieht sich auf eine Halterung im Inneren des Gehäuses. Ein Ende der Strebe kann an dem Gehäuse befestigt sein. Ein anderes Ende der Strebe kann an dem inneren Zylinder oder dem Lagergehäuse befestigt sein. Die Strebe kann zur Halterung des Gehäuses an mindestens einen der folgenden Komponenten verwendet werden: dem inneren Zylinder, dem Lagergehäuse und dem Halteschenkel.

[0023] Die Bezeichnung "Abrieb" bezieht sich darauf, dass mindestens eine Turbinenschaufel mit dem Gehäuse in Kontakt kommt. Abrieb führt allgemeinen zu einer Beschädigung der Gasturbine.

[0024] Fig. 1 erläutert ein Ausführungsbeispiel einer Gasturbine 1.

   Die Gasturbine 1 besitzt einen Verdichter 2, eine Brennkammer 3 und eine Turbine 4. Der Verdichter 2 ist durch die Welle 5 mit der Turbine 4 verbunden. Bei der Ausführungsform von Fig. 1 ist die Welle 5 mit einem Elektrizitätsgenerator 6 verbunden. Die Turbine 4 besitzt die Turbinenstufen 7 und ein Gehäuse 8 (hier auch als Stator 8 bezeichnet). Die Welle 5 ist mit dem Verdichter 2 und den Turbinenstufen 7 verbunden und kann auch als Rotor 10 bezeichnet werden. Der Rotor 10 wird von einem Rotorlager 11 gehalten. Bei der Ausführungsform von Fig. 1 wird das Rotorlager 11 von einem Lagergehäuse 12 gehalten. Das Lagergehäuse 12 wird von einem inneren Zylinder 15 gehalten. Der innere Zylinder 15 wird seinerseits über die Halteschenkel 14 auf einer tragenden Basis 13 gehalten.

   Die tragenden Basis 13 umfasst stationäre Basen, die auf dem Grund, wie beispielsweise einem Fundament, angeordnet sein können, ebenso wie mobile Basen, die beispielsweise auf einem Flugzeug oder einem Schiff angeordnet sind. Fig. 1 zeigt auch eine radiale Richtung 17, die für alle zur Welle 5 senkrechten radialen Richtungen massgeblich ist, sowie eine Längsachsenrichtung 16.

[0025] Fig. 2 zeigt die Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Gasturbine 1. Die Ansicht ist die in Längsachsenrichtung 16, wobei die Schaufeln der Turbinenstufen 7 aus Gründen der besseren Übersicht weggelassen sind. In Fig. 2 ist der Innenzylinder 15 als vom Lagergehäuse 12 gehaltert dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist der innere Zylinder 15 von zwei Halteschenkeln 14 gehaltert.

   Ferner ist bei dieser Ausführungsform das Gehäuse auch durch vier Streben 20 abgestützt Die vier Streben 20 verlaufen radial vom inneren Zylinder 15 zum Gehäuse 8. Das in Fig. 2 dargestellte Gehäuse 8 umfasst zwei 180  -Segmente, die durch die Flansche 28 mit einander verbunden sind. Die vier Streben 20 halten die Konzentrizität des Gehäuses 8 in Bezug auf den Rotor 10. Die Konzentrizität wird durch Übertragung der auf das Gehäuse einwirkenden Kräfte auf die Halteschenkel 14 mittels der Streben 20 übertragen. Die Kräfte können direkt auf die Halteschenkel 14 oder über Zwischenstrukturen, wie den inneren Zylinder 15 oder das Lagergehäuse 12 übertragen werden.

[0026] Obwohl die beschriebene Ausführungsform zwei Halteschenkel 14 und vier Streben 20 besitzt, versteht sich, dass die erfindungsgemässe Lehre nicht hierauf beschränkt ist.

   Die erfindungsgemässe Lehre bietet vielmehr Ausführungsformen mit einer beliebigen Anzahl von Halteschenkeln 14 und Streben 20. Die Lehre ist auch anwendbar auf Streben 20 in Ausführungsformen, bei welchen Zwischenstrukturen verwendet werden. Ähnlich gilt, dass der Innenzylinder 15 zwar als das Lagergehäuse 12 haltend dargestellt ist, aber dass die Halteschenkel 14 auch auf jeder der folgenden Komponenten befestigt sein können: dem Rotorlager 11, dem Lagergehäuse 12 oder irgendeiner das Lagergehäuse 12 halternden Strukturen.

[0027] Die oben beschriebenen Ausführungsformen zeigen die Streben 20 in Verbindung mit dem Innenzylinder 15. Erfindungsgemäss können die Streben 20 auch mit den Trägerschenkeln 14 oder einer Zwischenstruktur verbunden sein, die Kräfte von den Streben 20 auf die Halteschenkel 14 übertragen.

   Die Zwischenstrukturen können beispielsweise der Innenzylinder 15 oder das Lagergehäuse 12 sein.

[0028] Obwohl die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen die Halteschenkel 14 an der Turbine 4 des Abschnitts der Gasturbine 1 zeigen, kann eine ähnliche Ausführungsform auch zur Halterung des Rotors 10 am Verdichterbereich 2 verwendet werden. Die Streben 20 können auch zur Halterung des Gehäuses 8 am Abschnitt 2 des Verdichters 1 verwendet werden. Wenn das Halterungssystem am Bereich 4 der Turbine oder dem Bereich 2 des Verdichters verwendet wird, kann die Konzentrizität des Rotors 10 in Bezug auf den Stator 8 gegenüber der Verwendung des Halterungssystems an nur einem Abschnitt verbessert werden.

[0029] Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Gasturbine 1, bei der das Gehäuse 8 von fünf Streben 20 gehalten wird.

   Gemäss Fig. 3 wird der Innenzylinder 15 von zwei Halteschenkeln 14 gehalten. Gemäss Fig. 3 besitzt jeder Halteschenkel 14 eine Verbindung 30 zur Verbindung jedes Halteschenkels 14 mit der tragenden Basis 13. Die Verbindung 30 kann einer der folgenden sein: eine Schwenkverbindung, eine Gleitverbindung und/oder eine sphärische Verbindung. Die starre Verbindung gewährleistet, dass keine Bewegung des Halteschenkels 14 relativ zur tragenden Basis 13 stattfindet. Die Schwenkverbindung ermöglicht eine Rotationsbewegung des Halteschenkels 14 in einer Ebene relativ zur tragenden Basis 13. Die gleitende Verbindung ermöglicht eine planare Bewegung in einer Richtung, die zum Ausgleich bei einer thermischen Veränderung der Halteschenkel 14, der tragenden Basis 13 und des inneren Zylinders 15 optimiert ist.

   Die sphärische Verbindung bietet eine drehende oder "rotationale" Bewegung des Halteschenkels 14 in mehr als einer Ebene relativ zur tragenden Basis 13.

[0030] Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Gasturbine 1 mit einem Halteschenkel 14. In Fig. 4A ist der Halteschenkel 14 mit der tragenden Basis 13 und dem inneren Zylinder 15 verbunden. Bei Ausführungsformen, bei denen der Halteschenkel 14 nicht die gewünschte seitliche Halterung ermöglicht, kann eine seitliche Halterangsstruktur verwendet werden, um die gewünschte seitliche Halterung zu gewährleisten. Fig. 4A zeigt eine laterale Halterung 40. Die laterale Halterung 40 begrenzt die seitliche Bewegung der Gasturbine 1. Bei der Ausführungsform von Fig. 4 besitzt die laterale Halterung 40 zwei Teile, wobei diese beiden Teile an allgemein einander gegenüber liegenden Seiten des Gehäuses angeordnet sind.

   Fig. 4B zeigt eine detailliertere Ansicht eines Teils der lateralen Halterung 40. In Fig. 4B ist ein Spalt 41 dargestellt. Dieser Spalt 41 ist im Allgemeinen klein und ermöglicht eine Expansion der Gasturbine 1 in der Längsachsenrichtung 16. Ein auf den einander benachbarten Flächen des Spalts 41 angebrachtes Antifriktionsmaterial kann dazu verwendet werden, um zu vermeiden, dass eine Expansion der Gasturbine 1 durch Reibung verhindert wird. Ferner kann die laterale Halterung 40 mindestens ein aktives und/oder passives Dämpfungssystem zur Vibrationsverminderung und einer damit zusammenhängenden verminderten Ermüdung der Komponenten der seitlichen Halterung 40 verwendet werden.

[0031] Das Halterungssystem bietet verschiedene Vorteile. Wie oben erläutert, bietet das Halterangssystem eine Konzentrizität des Rotors 10 im Verhältnis zum Stator 8.

   Die Konzentrizität ermöglicht, dass die Ausrichtung des Rotors 10 im Inneren des Stators 8 erhalten bleibt. Dadurch wird die Gefahr von Abrieb und nachfolgender Beschädigung der Gasturbine 1 vermindert. Ferner bietet die Erhaltung der Ausrichtung, dass die Massgenauigkeitsanforderungen während des Betriebs verringert werden, was die Gesamteffizienz verbessert. Während des Betriebs der Gasturbine 1 mit dem Halterungssystem sind allgemein keine Justierungen zur Erhaltung der Ausrichtung erforderlich. Ferner erübrigt sich ein aktives Kontrollsystem zur Nachstellung der Halterungen für das Einhalten der Ausrichtung. Ein weiterer Vorteil der Verwendung des Halterungssystems besteht darin, dass relativ dünnere Streben 20 anstelle von solchen Streben verwendet werden können, die erforderlich wären, wenn der Rotor am Stator 8 gehaltert wäre.

   Dünnere Streben 20 ermöglichen eine geringere Behinderung des Gasstroms durch die Gasturbine 1. Eine geringere Behinderung des Gasstroms führt zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades der Gasturbine 1. Ein weiterer Vorteil der Verwendung der Halterungsstruktur ist eine verbesserte Rotordynamik.

[0032] Die oben beschriebenen Ausführungsformen des Halterungssystems beziehen sich auf die Halterung einer Gasturbine.

[0033] Die oben beschriebenen Ausführungsformen und die Zeichnungen sind ein Beispiel für eine "direkte" Halterung des Rotors 10. Die direkte Halterung des Rotors 10 bedeutet aber nicht, dass der Stator 8 notwendigerweise die Halterung bewirkt.

[0034] Es versteht sich, dass verschiedene Komponenten oder Technologien bestimmte notwendige oder vorteilhafte Funktionalitäten oder Merkmale ermöglichen.

   Demzufolge kann der Fachmann diese Funktionen und Merkmale nach Bedarf im Rahmen der nachfolgenden Ansprüche verändern, wobei die Beschreibung und die Zeichnungen sinngemäss auszulegen sind.

Claims (10)

1. Halterungssystem für Rotor (10) und Stator (8) einer umlaufenden Maschine, die auf einer tragenden Basis (13) angeordnet ist, mit: mindestens einem Halteschenkel in Arbeitsverbindung mit einem Lager des Rotors (10) und mit der tragenden Basis (13); und mindestens einer Strebe in Arbeitsverbindung mit dem mindestens einen Halteschenkels und mit dem Stator (8).

2. Halterungssystem nach Anspruch 1, bei dem die umlaufende Maschine eine Gasturbine (1) umfasst.

3. Halterungssystem nach Anspruch 1, bei dem die mindestens eine Strebe des mindestens einen Halteschenkels mit einem Gehäuse (12) verkoppelt ist, das ein Rotorlager (11) der Maschine trägt.

4. Halterungssystem nach Anspruch 1, bei dem die mindestens eine Strebe des mindestens einen Halteschenkels mit einem inneren Zylinder (15) zur Lagerung eines Gehäuses (12) verkoppelt ist, das ein Rotorlager (11) der Maschine trägt.

5. Halterungssystem nach Anspruch 1, bei dem der mindestens eine Halteschenkel mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst: eine starre Kopplung (30), eine Kippkopplung (30), eine Gleitkopplung (30) und eine sphärische Kopplung (30).

6. Halterungssystem nach Anspruch 1, bei dem die mindestens eine Strebe mindestens eine der folgenden Komponenten enthält: eine starre Kopplung (30), eine Kippkopplung (30) und eine sphärische Kopplung (30).

7. Halterungssystem nach Anspruch 1, das zusätzlich eine laterale Trägerstruktur (40) in Arbeitsverbindung mit dem Stator (8) und der Tragenden Basis (13) besitzt.

8. Halterungssystem nach Anspruch 1, das ausserdem mindestens eine der folgenden Komponenten besitzt: eine Antifriktionsvorrichtung und ein Antifriktionsmaterial, angeordnet zwischen der lateralen Trägerstruktur (40) und dem Stator (8).

9. Halterungssystem nach Anspruch 1, das ausserdem mindestens ein aktives und/oder passives Dämpfungssystem besitzt.

10. Rotierende Maschine, die auf einer tragenden Basis (13) angeordnet ist, wobei die Maschine aufweist: - einen Stator (8); - einen neben dem Stator (8) angeordneten Rotor (10); - ein Rotorlager (11) in Arbeitsverbindung mit dem Rotor (10); - mindestens einen Halteschenkel in Arbeitsverbindung mit dem Lager und mit der tragenden Basis (13); und - mindestens eine Strebe in Arbeitsverbindung mit dem mindestens einen Halteschenkel und mit dem Stator (8).