CH709995A2 - Mechanische Antriebsarchitektur mit verlustarmen Lagern mit Schmierung und Materialien geringer Dichte. - Google Patents

Abstract

Eine mechanische Antriebsarchitektur enthält eine Gasturbine (10), die einen Verdichterabschnitt (105), einen Turbinenabschnitt (115) und einen Brennkammerabschnitt (110) aufweist. Durch die Gasturbine (10) wird ein Ladungsverdichter (160) angetrieben. Eine Rotorwelle (125) erstreckt sich durch die Gasturbine (10) und den Ladungsverdichter (130). Mindestens eine der rotierenden Komponenten (130, 135,165) in der Gasturbine (10) oder dem Ladungsverdichter (160) enthält ein Material geringer Dichte. Lager (140) lagern die Rotorwelle (125) innerhalb der Gasturbine (10) und des Ladungsverdichters (160), wobei mindestens eines der Lager (140) ein verlustarmes Lager (140) mit Schmierung ist.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN

[0001] Diese Patentanmeldung ist mit den folgenden auf die gemeinsame Anmelderin übertragenen Anmeldungen verwandt: US Patentanmeldung Serien-Nr. 14/460 560, mit dem Titel «MULTI-STAGE AXIAL COMPRESSOR ARRANGEMENT (Mehrstufige Axialverdichteranordnung) «; US Patentanmeldung Serien-Nr. 14/460 576, mit dem Titel «POWER TRAIN ARCHITECTURES WITH MONO-TYPE LOW-LOSS BEARINGS AND LOW-DENSITY MATERIALS (Antriebsstrangarchitekturen mit verlustarmen Lagern vom Monotyp und Materialien geringer Dichte)»; US Patentanmeldung Serien-Nr. 14/460 595, mit dem Titel «POWER TRAIN ARCHITECTURES WITH HYBRID-TYPE LOW-LOSS BEARINGS AND LOW-DENSITY MATERIALS (Antriebsstrangarchitekturen mit verlustarmen Lagern vom Hybridtyp und Materialien geringer Dichte)»; US Patentanmeldung Serien-Nr. 14/460 606, mit dem Titel «MECHANICAL DRIVE ARCHITECTURES WITH MONO-TYPE LOW-LOSS BEARINGS AND LOW-DENSITY MATERIALS (mechanische Antriebsarchitekturen mit verlustarmen Lagern vom Monotyp und Materialien geringer Dichte)»; US Patentanmeldung Serien-Nr. 14/460 620, mit dem Titel «MECHANICAL DRIVE ARCHITECTURES WITH HYBRID-TYPE LOW-LOSS BEARINGS AND LOW-DENSITY MATERIALS (mechanische Antriebsarchitekturen mit verlustarmen Lagern vom Hybridtyp und Materialien geringer Dichte)»; und US Patentanmeldung Serien-Nr. 14/460 410, mit dem Titel «POWER TRAIN ARCHITECTURES WITH LOW-LOSS LUBRICANT BEARINGS AND LOW-DENSITY MATERIALS (Antriebsstrangarchitekturen mit verlustarmen Lagern mit Schmierung und Materialien geringer Dichte)». Jede vorstehend identifizierte Patentanmeldung wird gleichzeitig mit der vorliegenden eingereicht und ist hierin durch Verweis mit einbezogen.

HINTERGRUND

[0002] Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein mechanische Gasantriebsturbinen und insbesondere mechanische Antriebsarchitekturen, die verlustarme Lager mit Schmierung und Materialien geringer Dichte aufweisen können.

[0003] Gasturbinen werden auf vielen Gebieten der Industrie, von militärischen Gebieten bis zur Energieerzeugung, eingesetzt. Typischerweise werden Gasturbinen zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt. Jedoch werden einige Gasturbinen zum Antreiben verschiedener Fahrzeuge, Flugzeuge, Schiffe usw. eingesetzt. Im Erdöl- und Gasfeld können Gasturbinen zum Antreiben von Verdichtern, Pumpen und/oder Generatoren eingesetzt werden. Bei einem Szenarium, bei dem eine Gasturbine zum Antreiben eines Verdichters in einer industriellen Anwendung (z.B. zum Injizieren von Gas in ein Bohrloch, um Erdöl durch eine andere Bohrung hochzutreiben) eingesetzt wird, komprimiert der Verdichter der Gasturbine Luft mit Reihen rotierender Schaufeln und stationärer Leitschaufeln, leitet sie zu einer Brennkammer, in der die komprimierte Luft mit Kraftstoff vermischt wird, und verbrennt sie unter Bildung einer Mischung von Heissluft und Kraftstoff, die durch Schaufeln in einer Turbine der Gasturbine ausgedehnt wird. Infolgedessen drehen sich die Schaufeln schnell oder rotieren um eine Welle oder einen Rotor der Gasturbine. Das schnelle Drehen oder die Rotation des Rotors treibt den Ladungsverdichter an, der mit der Gasturbine verbunden ist, die die Rotationsenergie zum Komprimieren eines Fluids (z.B. Gas, Luft usw.) nutzt.

[0004] Bei vielen Gasturbinenarchitekturen, die bei mechanischen Antriebsarchitekturen eingesetzt werden, werden Gleitlager in Verbindung mit einem hochviskosen Schmiermittel (d.h. Öl) zur Lagerung der rotierenden Komponenten des Turbinenabschnitts, des Verdichterabschnitts und des damit verbundenen Ladungsverdichters verwendet. Öllager sind relativ preiswert, es sind jedoch Kosten mit ihren zugehörigen Ölversorgungsvorrichtungen (z.B. für Pumpen, Behälter, Speicher usw.) verbunden. Ausserdem haben Öllager sehr hohe Wartungsabstände und können übermässige viskose Verluste in den Antriebssträngen verursachen, die sich wiederum negativ auf die Arbeit einer turbinengetriebenen Ladungsverdichtereinheit auswirken können.

KURZDARSTELLUNG

[0005] In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine mechanische Antriebsarchitektur offenbart. In diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die mechanische Antriebsarchitektur eine Gasturbine auf, die einen Verdichterabschnitt, einen Turbinenabschnitt und einen Brennkammerabschnitt aufweist, der betriebsmässig mit dem Verdichterabschnitt und dem Turbinenabschnitt verbunden ist. Ein Ladungsverdichter wird durch die Gasturbine angetrieben. Eine Rotorwelle erstreckt sich durch den Verdichterabschnitt und den Turbinenabschnitt der Gasturbine und des Ladungsverdichters hindurch. Ein jeder von dem Verdichterabschnitt, dem Turbinenabschnitt und dem Ladungsverdichter weist mehrere rotierende Komponenten auf, wobei mindestens eine der rotierenden Komponenten in einer/einem von der Gasturbine und dem Lastkompressor ein Material geringer Dichte aufweist. Mehrere Lager lagern die Rotorwelle innerhalb der Gasturbine und des Ladungsverdichters, wobei mindestens eines der Lager ein verlustarmes Lager ist, das ein verlustarmes Schmiermittel aufweist.

[0006] Die zuvor erwähnte mechanische Antriebsarchitektur kann ferner mindestens ein verlustarmes Lager aufweisen, das ein Fluid sehr geringer Viskosität aufweist.

[0007] Ausserdem oder alternativ kann die mechanische Antriebsarchitektur ferner mindestens ein herkömmliches Öllager aufweisen.

[0008] In irgendeiner oben erwähnten mechanischen Antriebsarchitektur kann die Rotorwelle eine Einwellenanordnung aufweisen.

[0009] In einer Ausführungsform kann die mechanische Antriebsarchitektur ferner einen Wiedererhitzungsabschnitt aufweisen, der betriebsmässig mit dem Turbinenabschnitt entlang der Rotorwelle verbunden ist, wobei der Wiedererhitzungsabschnitt einen Wiedererhitzungs-Brennkammerabschnitt und einen Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt mit mehreren rotierenden Komponenten aufweist, wobei mindestens eine der rotierenden Komponenten in dem Verdichterabschnitt, dem Turbinenabschnitt, dem Ladungsverdichter und dem Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt das Material geringer Dichte enthalten kann.

[0010] In irgendeiner oben erwähnten mechanischen Antriebsarchitektur kann die Gasturbine eine Heckantriebgasturbine aufweisen.

[0011] Die mechanische Antriebsarchitektur irgendeines oben erwähnten Typs kann ferner ein Lastankopplungselement zum Verbinden des Ladungsverdichters mit der Gasturbine entlang der Rotorwelle aufweisen.

[0012] In einer bevorzugten Ausführungsform der mechanischen Antriebsarchitektur kann die Rotorwelle eine Mehrwellenanordnung aufweisen, die eine erste Rotorwelle, die sich durch den Verdichterabschnitt und den Turbinenabschnitt erstreckt, und eine zweite Rotorwelle, die sich durch den Ladungsverdichter erstreckt, aufweist, wobei jede von der ersten Rotorwelle und der zweiten Rotorwelle durch mehrere Lager gelagert ist.

[0013] Bei dieser bevorzugten Ausführungsform kann die mechanische Antriebsarchitektur ferner eine Getriebeanordnung aufweisen, die zum Drehen der rotierenden Komponenten in der Gasturbine mit einer anderen Drehzahl als die der rotierenden Komponenten in dem Ladungsverdichter konfiguriert ist.

[0014] Ausserdem oder alternativ kann die mechanische Antriebsarchitektur ferner einen Arbeitsturbinenabschnitt aufweisen, der mit der zweiten Rotorwelle zum Antreiben des Ladungsverdichters verbunden ist, wobei der Arbeitsturbinenabschnitt mehrere rotierende Komponenten aufweisen kann, wobei mindestens eine der rotierenden Komponenten in dem Verdichterabschnitt, dem Turbinenabschnitt, dem Ladungsverdichter und dem Arbeitsturbinenabschnitt das Material geringer Dichte aufweist.

[0015] Die mechanische Antriebsarchitektur des zuletzt erwähnten Typs kann ferner einen Wiedererhitzungsabschnitt aufweisen, der betriebsmässig mit dem Turbinenabschnitt entlang der ersten Rotorwelle verbunden ist, wobei der Wiedererhitzungsabschnitt einen Wiedererhitzungs-Brennkammerabschnitt und einen Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt mit mehreren rotierenden Komponenten aufweist; wobei mindestens eine der rotierenden Komponenten in dem Verdichterabschnitt, dem Turbinenabschnitt, dem Ladungsverdichter, dem Arbeitsturbinenabschnitt und dem WiedererhitzungsTurbinenabschnitt das Material geringer Dichte aufweist.

[0016] In einer anderen Ausführungsform der mechanischen Antriebsarchitektur kann der Verdichterabschnitt vordere Stufen distal zu dem Brennkammerabschnitt, hintere Stufen proximal zu dem Brennkammerabschnitt und mittlere Stufen, die sich dazwischen befinden, aufweisen, wobei jede von den vorderen Stufen, den mittleren Stufen und den hinteren Stufen mehrere rotierende Komponenten aufweisen kann, wobei mindestens eine der rotierenden Komponenten in den vorderen Stufen, den mittleren Stufen und den hinteren Stufen des Verdichterabschnitts, des Turbinenabschnitts und des Ladungsverdichters das Material geringer Dichte aufweisen kann und wobei die mechanische Antriebsarchitektur ferner einen Wellenstumpf aufweisen kann, der radial aussen von der Rotorwelle angeordnet ist und sich durch die vorderen Stufen hindurch derart erstreckt, dass die rotierenden Komponenten der vorderen Stufen, die um den Wellenstumpf herum angeordnet sind, mit einer geringeren Drehzahl als die rotierenden Komponenten der mittleren und hinteren Stufen, die um die Rotorwelle herum angeordnet sind, arbeiten können.

[0017] Bei der zuletzt erwähnten mechanischen Antriebsarchitektur können die mehreren Lager Wellenstumpflager zur Lagerung des Wellenstumpfs aufweisen, wobei mindestens eines der Stumpfwellenlager ein verlustarmes Lager mit Schmierung aufweist.

[0018] In einer weiteren Ausführungsform der mechanischen Antriebsarchitektur kann der Verdichterabschnitt einen Niederdruckverdichterabschnitt und einen Hochdruckverdichterabschnitt aufweisen, und der Turbinenabschnitt kann einen Niederdruckturbinenabschnitt und einen Hochdruckturbinenabschnitt aufweisen, wobei der Hochdruckturbinenabschnitt den Hochdruckverdichterabschnitt antreibt und der Niederdruckturbinenabschnitt den Niederdruckverdichterabschnitt antreibt.

[0019] Bei der zuletzt erwähnten mechanischen Antriebsarchitektur kann jeder von dem Niederdruckverdichterabschnitt, dem Hochdruckverdichterabschnitt, dem Niederdruckturbinenabschnitt und dem Hochdruckturbinenabschnitt mehrere rotierende Komponenten aufweisen, wobei mindestens eine der rotierenden Komponenten des Niederdruckverdichterabschnitts, des Hochdruckverdichterabschnitts, des Niederdruckturbinenabschnitts, des Hochdruckturbinenabschnitts und des Ladungsverdichters das Material geringer Dichte aufweisen kann.

[0020] Zusätzlich oder alternativ kann die Rotorwelle eine Doppeltrommelanordnung aufweisen, die eine Niedergeschwindigkeitstrommel und eine Hochgeschwindigkeitstrommel aufweist, wobei die Niedergeschwindigkeitstrommel den Niederdruckturbinenabschnitt und den Niederdruckverdichterabschnitt aufweist und die Hochgeschwindigkeitstrommel den Hochdruckturbinenabschnitt und den Hochdruckverdichterabschnitt aufweist.

[0021] Die Niedergeschwindigkeitstrommel und die Hochgeschwindigkeitstrommel können durch die mehreren Lager gelagert sein, wobei mindestens eines der Lager ein verlustarmes Lager mit Schmierung aufweist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0022] Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen, offensichtlich werden. <tb>Fig. 1<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer mechanischen Antriebsarchitektur, die eine Frontantriebgasturbine, einen Ladungsverdichter und eine Lagerfluidversorgungseinheit enthält und ferner mindestens ein verlustarmes Lager, das ein verlustarmes Schmiermittel aufweist, und mindestens eine rotierende Komponente enthält, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 2<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer mechanischen Antriebsarchitektur, die eine Frontantriebgasturbine, die einen Wiedererhitzungsabschnitt aufweist, einen Ladungsverdichter und eine Lagerfluidversorgungseinheit aufweist und ferner mindestens ein verlustarmes Lager, das ein verlustarmes Schmiermittel aufweist, und mindestens eine rotierende Komponente enthält, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 3<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer mechanischen Antriebsarchitektur, die eine Heckantriebgasturbine, einen Ladungsverdichter und eine Lagerfluidversorgungseinheit enthält und ferner mindestens ein verlustarmes Lager, das ein verlustarmes Schmiermittel aufweist, und mindestens eine rotierende Komponente enthält, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 4<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer mechanischen Multiwellenantriebsarchitektur, die eine Heckantriebgasturbine, einen Ladungsverdichter, eine Lagerfluidversorgungseinheit und ein Getriebe enthält und ferner mindestens ein verlustarmes Lager, das ein verlustarmes Schmiermittel aufweist, und mindestens eine rotierende Komponente enthält, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 5<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Gasturbinenarchitektur, die eine Heckantriebarbeitsturbine enthält und ferner mindestens ein verlustarmes Lager, das ein verlustarmes Schmiermittel aufweist, und mindestens eine rotierende Komponente enthält, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 6<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Gasturbinenarchitektur, die eine Heckantriebarbeitsturbine und einen Wiedererhitzungsabschnitt enthält und ferner mindestens ein verlustarmes Lager, das ein verlustarmes Schmiermittel aufweist, und mindestens eine rotierende Komponente enthält, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 7<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Frontantrieb-Gasturbinenarchitektur, die einen Wellenstumpf und einen geschwindigkeitsreduzierenden Mechanismus zum Reduzieren der Drehzahl von vorderen Stufen eines Verdichters in der Gasturbine enthält und ferner mindestens ein verlustarmes Lager, das ein verlustarmes Schmiermittel aufweist, und mindestens eine rotierende Komponente enthält, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 8<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Frontantrieb-Gasturbinenarchitektur, die einen Wellenstumpf und einen geschwindigkeitsreduzierenden Mechanismus zum Reduzieren der Drehzahl von vorderen Stufen eines Verdichters in der Gasturbine, einen Wiedererhitzungsabschnitt, mindestens ein verlustarmes Lager, das ein verlustarmes Schmiermittel aufweist, und mindestens eine rotierende Schaufel enthält, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 9<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Mehrwellen-Frontantrieb-Gasturbinenarchitektur, die einen Niederdruckverdichterabschnitt, der mit einem Niederdruckturbinenabschnitt über eine Niedergeschwindigkeitstrommel verbunden ist, und einen Hochdruckverdichterabschnitt enthält, der mit einem Hochdruckturbinenabschnitt über eine Hochgeschwindigkeitstrommel verbunden ist, und ferner mindestens ein verlustarmes Lager, das ein verlustarmes Schmiermittel aufweist, und mindestens eine rotierende Schaufel, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, zur Verwendung bei dem Antriebsstrang enthält, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

[0023] Wie oben erwähnt, werden bei vielen mechanischen Antriebsarchitekturen Gleitlager in Verbindung mit einem hochviskosen Schmiermittel (d.h. Öl) zur Lagerung der rotierenden Komponenten der Gasturbine, des Generators und des Ladungsverdichters, der damit verbunden ist, verwendet. Öllager weisen hohe Wartungsintervallkosten auf und verursachen übermässige viskose Verluste in dem Antriebsstrang, was sich negativ auf die Funktionsweise eines durch die Gasturbine angetriebenen Ladungsverdichters auswirken kann. Es sind auch Kosten mit den Ölversorgungseinheiten, die zu den Öllagern gehören, verbunden.

[0024] Verlustarme Lager – die Lager mit einem verlustarmen Schmiermittel aufweisen – sind eine Alternative zur Verwendung von Öllagern. Jedoch handelt es sich bei gewissen durch Gasturbinen angetriebenen mechanische Antriebsarchitekturen um schwierige Anwendungsmöglichkeiten für die Verwendung von verlustarmen Lagern. Speziell nimmt mit zunehmender Gasturbinengrösse der Auflagerbereich als Quadrat des Rotorwellendurchmessers zu, während das Gewicht der mechanischen Antriebsarchitektur mit der dritten Potenz des Rotorwellendurchmessers zunimmt. Daher müssen, um verlustarme Lager auszuführen, die Vergrösserung des Auflagerbereichs und die Erhöhung des Gewichts sich proportional entsprechen. Somit ist es wünschenswert, Materialien leichten Gewichts oder geringer Dichte für die mechanische Antriebsarchitektur zu integrieren, was zum Fördern der erwünschten Proportionalität beiträgt.

[0025] Zusätzlich zur Schaffung einer mechanischen Antriebsarchitektur, die ein Gewicht aufweist, das durch verlustarme Lager tragbar ist, kann die Verwendung von Materialien von leichterem Gewicht auch die Fähigkeit, stärkere Luftströmungen zu erzeugen, unterstützen. Bisher ist das Erzeugen einer hohen Luftströmungsrate in einem derartigen Antriebsstrang schwierig gewesen, weil die Zentrifugallasten, die auf die rotierenden Schaufeln während des Betriebs einer Gasturbine aufgebracht werden, mit den längeren Schaufellängen, die zum Erzeugen der erwünschten Luftströmungsrate erforderlich sind, zunehmen. Beispielsweise sind die rotierenden Schaufeln in den vorderen Stufen eines mehrstufigen Axialverdichters, der in einer Gasturbine eingesetzt wird, grösser als die rotierenden Schaufeln sowohl in den mittleren als auch in den hinteren Stufen des Verdichters. Eine derartige Konfiguration macht die längeren, schwereren rotierenden Schaufeln in den vorderen Stufen eines Axialverdichters anfälliger dafür, während des Betreibens aufgrund starker Zentrifugalkräfte, die durch die Rotation der längeren und schwereren Schaufeln ausgelöst werden, stark beansprucht zu werden.

[0026] Insbesondere erfahren die Schaufeln in den vorderen Stufen starke Zentrifugalkräfte aufgrund der hohen Drehzahl der Rotorscheiben, was wiederum die Schaufeln beansprucht. Die starken Befestigungsbeanspruchungen, die an den rotierenden Schaufeln in den vordere Stufen eines Axialverdichters auftreten können, werden problematisch, wenn es wünschenswert wird, die Grösse der Schaufeln zu erhöhen, um einen Verdichter für die Gasturbine herzustellen, der eine höhere Luftströmungsrate erzeugen kann, wie es für gewisse Anwendungen erforderlich ist. Ähnliche Gesichtspunkte treffen auch auf den Ladungsverdichter zu.

[0027] Es wäre daher wünschenswert, eine mechanische Antriebsarchitektur bereitzustellen, in die ein oder mehrere verlustarme Lager mit Schmierung integriert sind, die in Verbindung mit Materialien geringer Dichte eingesetzt werden, wie sie bei Gasturbinen oder Ladungsverdichtern angewendet werden. In einigen Ausführungsformen werden derartige verlustarme Lager in Verbindung mit Komponenten, die aus Materialien geringer Dichte hergestellt sind, eingesetzt. Derartige Architekturen bieten geringere viskose Verluste, wodurch die Gesamteffizienz der mechanischen Antriebsarchitektur erhöht wird.

[0028] Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind auf das Bereitstellen von durch Gasturbinen angetriebenen mechanischen Antriebsarchitekturen mit verlustarmen Lagern mit Schmierung und Materialien geringer Dichte gerichtet.

[0029] Wie hier verwendet, beschreibt die Formulierung «mechanische Antriebsarchitektur» eine Anordnung von sich bewegenden Teilen, die die rotierenden Komponenten eines oder mehrerer von einem Verdichterabschnitt, einem Turbinenabschnitt, einem Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt, einem Arbeitsturbinenabschnitt und einem Ladungsverdichterabschnitt umfassen, die gemeinsam miteinander kommunizieren, um ein Fluid zu komprimieren. Die Formulierungen «mechanische Antriebsarchitektur», «mechanischer Antriebsstrang» und «durch eine Gasturbine angetriebener mechanischer Antrieb» können austauschbar verwendet werden. Die Formulierung «Gasturbinenarchitektur» beschreibt ein System, das einen Verdichterabschnitt, einen Brennkammerabschnitt und einen Turbinenabschnitt aufweist und der wahlweise einen Wiedererhitzungs-Brennkammerabschnitt, einen Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt und/oder einen Arbeitsturbinenabschnitt aufweisen kann. Die Gasturbinenarchitektur ist ein Teilsatz der hier beschriebenen mechanischen Antriebsarchitekturen.

[0030] Wie hier verwendet, ist ein «verlustarmes Lager» eine Lageranordnung, die mindestens eine primäre Lagereinheit aufweist, die ein Arbeitsfluid aufweist, das eine geringe oder sehr geringe Viskosität besitzt. Die «primäre Lagereinheit» kann ein Zapfenlager, ein Drucklager oder ein an ein Drucklager angrenzendes Zapfenlager sein. Ein «verlustarmes Lager mit Schmierung «oder ein «sehr verlustarmes Lager, das eine verlustarme Schmierung aufweist» ist eine Lageranordnung, bei der das Arbeitsfluid ein verlustarmes Schmiermittel ist und das kein zusätzliches sekundäres Lager erfordert.

[0031] Die Formulierung «verlustarme Schmierungen» bzw. «verlustarme Schmiermittel», wie bei den vorliegenden sehr verlustarmen Lagern verwendet, bezieht sich auf Fluide, die eine Viskosität, die viel höher als die von Wasser ist (d.h. 1 Centipoise bei 20 °C) und bevorzugt eine Viskosität zwischen etwa VG8 und etwa VG20 aufweisen, wobei VG den Viskositätsgrad in Centistoke (cSt) bei 40 °C auf der von der Internationalen Organisation für Normung entwickelten ISO-Skala darstellt. Den ISO-Normen (in ISO 3448, veröffentlichtl992, aufgeführt) ist jeder Viskositätsgrad durch die nächstliegende ganze Zahl zu ihrer kinematischen Mittelwert-Viskosität in mm<2>/Sekunde bei 40 °C (1 mm<2>/Sekunde = 1 cSt) bestimmt und ein Bereich von +/–10 Prozent des Werts ist erlaubt. Spezifische Beispiele von verlustarmen Schmiermitteln, die eine Viskosität in dem obigen Bereich aufweisen, umfassen Schmiermittel auf Mineralölbasis in der API-Basisölgruppe III, Polyalphaolefine auf synthetischer Basis (PAO) in der API-Basisölgruppe IV; und gewisse Polyalkylenglykole (PAG). Im Gegensatz dazu können «Hochviskositäts»-Öle (hier auch als herkömmliche Öle bezeichnet), die in industriellen Gasturbinen eingesetzt werden, eine Viskosität von VG32 oder sogar VG45 für Hochtemperaturumgebungen aufweisen.

[0032] Wie hier verwendet, ist ein «verlustarmes Lager vom Monotyp» eine Lageranordnung, die eine einzige primäre Lagereinheit aufweist, die ein Arbeitsfluid sehr geringer Viskosität besitzt und die von einem sekundären Lager begleitet ist, das ein Rollenlagerelement ist. Wie hier verwendet, ist ein «verlustarmes Lager vom Hybridtyp» eine Lageranordnung, die zwei primäre Lagereinheiten aufweist und die ein Arbeitsfluid sehr geringer Viskosität aufweist und die durch ein sekundäres Lager begleitet ist. Beispiele von «Rollenlagerelementen», die als sekundäre oder Reservelager bei verlustarmen Lagern vom Monotyp oder Hybridtyp eingesetzt werden, umfassen Tonnenlager, konische Rollenlager, Kegelrollenlager und Keramikrollenlager.

[0033] Die US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 14/460 606 und dem Titel «MECHANICAL ARCHITECTURES WITH MONO-TYPE LOW-LOSS BEARINGS AND LOW-DENSITY MATERIALS (mechanische Architekturen mit verlustarmen Lagern vom Monotyp und Materialien geringer Dichte)», die gleichzeitig mit der vorliegenden eingereicht wurde und durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen ist, liefert weitere Einzelheiten bezüglich der Verwendung von Lagern vom Monotyp in Energieerzeugungsarchitekturen. Die US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 14/460 620 und dem Titel «MECHANICAL DRIVE ARCHITECTURES WITH HYBRID-TYPE LOW-LOSS BEARINGS AND LOW-DENSITY MATERIALS (mechanische Antriebsarchitekturen mit verlustarmen Lagern vom Hybridtyp und Materialien geringer Dichte)», die gleichzeitig mit der vorliegenden eingereicht wurde und durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen ist, liefert weitere Einzelheiten bezüglich der Verwendung von Lagern vom Hybridtyp in Energieerzeugungsarchitekturen.

[0034] Bei verlustarmen Lagern sowohl vom Monotyp als auch vom Hybridtyp kann/können das/die Arbeitsfluid(e) Fluide sehr geringer Viskosität sein. Beispiele von Fluiden «sehr geringer Viskosität», die in den vorliegenden verlustarmen Lagern vom Monotyp oder Hybridtyp eingesetzt werden, haben eine Viskosität, die geringer als diejenige von Wasser (d.h. 1 Centi-poise bei 20 °C) ist und können, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, enthalten: Luft (z.B. in Hochdruckluftlagern), Gas (z.B. in Hochdruckgaslagern), Magnetflussmittel (z.B. in Hochflussmittel-Magnetlagern) und Dampf (z.B. in Hochddruckdampflagern). In einem Gaslager kann das gasförmige Fluid ein Inertgas, Wasserstoff, Kohlendioxid (CO2), Stickstoffdioxid (NO2) oder Kohlenwasserstoffe (einschliesslich Methan, Ethan, Propan und dergleichen) sein.

[0035] In verlustarmen Lagern vom Hybridtyp umfasst das erste primäre Lager ein Magnetlager, das den Magnetfluss als das Arbeitsfluid aufweist. Die zweite primäre Lagereinheit aufweist ein Folienlager, das mit einem Hochdruckfluid beliefert wird, das eine sehr geringe Viskosität aufweist, wovon Beispiele oben bereitgestellt sind.

[0036] Der Klarheit wegen beim Veranschaulichen der verschiedenen Antriebsstrangarchitekturen sind die Lager (gleichgültig welchen Typs) mit einem rechteckigen Symbol und der Zahl 140 dargestellt. Allgemein gesprochen, ist das Arbeitsfluid, das durch die Lagerfluidversorgungseinheit jeder primären Lagereinheit bereitgestellt wird, durch einen Pfeil veranschaulicht. Zum Darstellen verlustarmer Lager vom Hybridtyp sind die Arbeitsfluide, die durch die Lagerfluidversorgungseinheit den beiden primären Lagereinheiten bereitgestellt werden, in den Figuren durch zwei Linien mit verschieden gestalteten Pfeilen dargestellt. Insbesondere stellt ein Pfeil mit einem geschlossenen Kopf eine Rohrleitung dar, die das Magnetfluid liefert, während ein Pfeil mit einem offenen Kopf eine Rohrleitung darstellt, die eines von den oben erwähnten verlustarmen Schmiermitteln oder Fluide sehr geringer Viskosität liefert.

[0037] Obwohl die Figuren die verlustarmen Lager vom Hybridtyp, die in den meisten oder allen Abschnitten der Antriebsstrangarchitektur eingesetzt werden, veranschaulichen, ist es nicht notwendig, dass alle Lager Lager vom Hybridtyp sind. Beispielsweise kann eine Kombination von verlustarmen Lagern mit Schmierung in Verbindung mit herkömmlichen Öllagern verwendet werden, wobei die verlustarmen Lager mit Schmierung an einigen Stellen und die herkömmlichen Öllager an anderen Stellen eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann/ können ein oder mehrere der Lager Fluide sehr geringer Viskosität in verlustarmen Lagern entweder vom Monotyp oder vom Hybridtyp aufweisen, solange mindestens ein Lager ein verlustarmes Lager mit Schmierung ist. In Situationen, in denen ein herkömmliches Öllager an einer bestimmten Stelle verwendet wird, würde es ein einziges Fluid (Öl) erhalten, das von der Lagerfluid-Versorgungseinheit geliefert wird. In Situationen, in denen ein Lager vom Monotyp (das ein Fluid einer sehr geringen Viskosität enthält) eingesetzt wird, würde ein derartiges Lager gleichermassen ein einziges Fluid aus der Lagerfluid-Versorgungseinheit erhalten. So ist die Verwendung von zwei Pfeilen bei jedem Lager in den beiliegenden Figuren nur veranschaulichend und nicht dafür bestimmt, den Umfang der Offenbarung auf eine spezielle Anordnung (z.B. eine unter Anwendung von Lagern ausschliesslich vom Hybridtyp) einzuschränken.

[0038] Wie hier verwendet, ist ein «Material geringer Dichte» ein Material, das eine Dichte aufweist, die geringer als etwa 0,200 Pfund-m/Zoll<3>ist. Beispiele eines Materials geringer Dichte, das zur Verwendung bei rotierenden Komponenten (z.B. den Schaufeln 130, 135) geeignet ist, die in den Figuren veranschaulicht und hier beschrieben sind, umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt: Verbundstoffmaterialien, einschliesslich Keramikmatrixverbundstoffe (CMC), organischer Matrixverbundstoffe (OMC), Polymer-Glasverbundstoffe (PMC), Metallmatrixverbundstoffe (MMC) und Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundstoffe (CCC); Beryllium; Titan (wie beispielsweise Ti-64, Ti-6222 und Ti-6246); intermetallische Verbindungen, die Titan und Aluminium einschliessen (wie beispielsweise TiAl, TiAI2, TiAl3und Ti3Al); intermetallische Verbindungen, die Eisen und Aluminium einschliessen (wie beispielsweise FeAl); intermetallische Verbindungen, die Platin und Aluminium einschliessen (wie beispielsweise PtAl); intermetallische Verbindungen, die Kobalt und Aluminium einschliessen (wie beispielsweise CbAl); intermetallische Verbindungen, die Lithium und Aluminium einschliessen (wie beispielsweise LiAl); intermetallische Verbindungen, die Nickel und Aluminium einschliessen (wie beispielsweise NiAl); und Nickelschaum.

[0039] Die Verwendung der Formulierung «Material geringer Dichte» in der vorliegenden Anmeldung, einschliesslich der Ansprüche, sollten nicht dahingehend ausgelegt werden, dass sie die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf die Verwendung eines einzigen Materials geringer Dichte beschränkt, sondern kann stattdessen so ausgelegt werden, dass sie sich auf Komponenten bezieht, die dieselben oder verschiedene Materialien geringer Dichte aufweisen. Beispielsweise könnte ein erstes Material geringer Dichte in einem Abschnitt einer Architektur eingesetzt werden, während ein zweites (anderes) Material geringer Dichte in einem anderen Abschnitt eingesetzt werden könnte. Bei einem anderen Beispiel könnte ein erstes Material geringer Dichte in einer Stufe eines Abschnitts (z.B. des Turbinenabschnitts) eingesetzt werden, während ein zweites (anderes) Material geringer Dichte in einer zweiten Stufe desselben Abschnitts (z.B. des Turbinenabschnitts) eingesetzt werden könnte.

[0040] In den Figuren ist die Verwendung von Materialien geringer Dichte durch eine gestrichelte Linie im entsprechenden Abschnitt des Antriebsstrangs, in dem derartige Materialien geringer Dichte eingesetzt werden können, dargestellt. Obwohl die Figuren die Materialien geringer Dichte, die in den meisten oder allen Abschnitten der mechanischen Antriebsarchitekturen oder Gasturbinenarchitekturen eingesetzt werden, veranschaulichen können, sollte man sich im Klaren darüber sein, dass die Materialien geringer Dichte ausschliesslich auf diejenigen Abschnitte beschränkt sein können, die durch verlustarme Lager gelagert werden.

[0041] Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Materialien geringer Dichte ist ein «Material hoher Dichte» ein Material, das eine Dichte aufweist, die höher als etwa 0,200 Pfund-m/Zoll<3>ist. Beispiele eines Materials hoher Dichte (wie hier eingesetzt) umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt: Superlegierungen auf Nickelbasis (wie beispielsweise Legierungen in Einkristall-, gleichachsiger oder direktionell verfestigter Form, wovon Beispiele INCONEL<®>625, INCONEL<®>706 und INCONEL<®>718 enthalten); Superlegierungen auf Stahlbasis (wie beispielsweise Knet-CrMoV und seine Derivate, GTD-450, GTD-403 Cb und GTD-403 Cb+); und alle Edelstahlderivate (wie beispielsweise 17-4PH<®>-Edelstahl, Edelstahl vom Typ AISI 410 und dergleichen).

[0042] Die technischen Effekte, Antriebsstrangarchitekturen mit verlustarmen Lagern mit Schmierung und Materialien geringer Dichte, wie hier beschrieben, zur Verfügung zu haben, bestehen darin, dass diese Architekturen: (a) die Möglichkeit bereitstellen, verlustarme Lager in einem Antriebsstrang einzusetzen, der sonst zu schwer zu betreiben wäre; (b) die Möglichkeit bereitstellen, die Lager bei akzeptablen Temperaturen zu betreiben, während schwere Lasten befördert werden, ohne das verlustarme Schmierlagerfluid vorzeitig zu beeinträchtigen; (c) eine hohe Ausgangsbelastung liefern, während viskose Verluste reduziert werden, die typischerweise durch die Verwendung von Lagern auf der Basis von Öl hoher Viskosität in den Antriebsstrang eingeführt werden; und (d) eine Reduktion des Flusses und Volumens von Schmiermittel, das durch jedes Lager verbraucht wird, gestatten, wodurch eine entsprechende Reduktion der Grösse der damit verbundenen Schmiermittelreservoirs, Pumpen und dergleichen gestattet wird.

[0043] Das Abgeben grösserer Mengen von Luftströmung durch Verwendung rotierender Schaufeln in der Gasturbine, die Materialien geringer Dichte aufweist, lässt sich in eine höhere Ausgabeleistung der Gasturbine umsetzen. Dadurch können Gasturbinenhersteller die Grösse der rotierenden Schaufeln zum Erzeugen höherer Luftströmungsraten vergrössern, während sie gleichzeitig sicherstellen, dass derartige längere Schaufeln innerhalb der vorgeschriebenen Einlassring-(AN<2>-)Grenzen verbleiben, um übermässige Befestigungsbeanspruchungen der Schaufeln zu umgehen, selbst dann, wenn die Schaufeln aus Materialien geringer Dichte hergestellt sind. Man beachte, dass AN<2>das Produkt aus dem Ringbereich A (Zoll<2>) und der Drehzahl N zum Quadrat (UpM<2>) einer rotierenden Schaufel ist und als ein Parameter verwendet wird, der allgemein die Nennausgangsleistung aus einer Gasturbine quantifiziert.

[0044] Fig. 1 bis 4 veranschaulichen verschiedene mechanische Antriebsarchitekturen, die Gasturbinen aufweisen, die mehrere Lagerpositionen aufweisen können. Fig. 5 bis 9 veranschaulichen verschiedene Gasturbinenarchitekturen, die mehrere Lagerpositionen aufweisen können. Verlustarme Lager 140 (insbesondere verlustarme Lager mit Schmierung) können in irgendeiner Position im ganzen Antriebsstrang, wie erwünscht, unabhängig von der Lastausgabe der mechanischen Antriebsarchitektur verwendet werden. Es kann empfehlenswert sein, Materialien geringer Dichte in Verbindung mit verlustarmen Lagern mit Schmierung einzusetzen, da die grössere Komponentengrösse und die damit verbundenen Gewichtserhöhungen bei höheren Lastausgaben die Verwendung von Materialien geringer Dichte erfordern können. In einigen Ausführungsformen wird die Möglichkeit in Betracht gezogen, dass verlustarme Lager mit Schmierung ohne Materialien geringer Dichte in den rotierenden Komponenten eingesetzt werden können, obwohl bessere Leistung und/oder Funktionsweise durch Verwendung von Materialien geringer Dichte zumindest bei einigen der rotierenden Komponenten erreicht werden können.

[0045] In denjenigen Fällen, in denen verlustarme Lager zur Lagerung eines speziellen Abschnitts der mechanischen Antriebsarchitektur eingesetzt werden, können Materialien geringer Dichte in den speziellen rotierenden Komponenten dieses Abschnitts des Antriebsstrangs eingesetzt werden. Beispielsweise kann, wenn verlustarme Lager einen Turbinenabschnitt stützen, ein Material geringer Dichte in einer oder mehreren der Stufen rotierender Schaufeln innerhalb des Turbinenabschnitts (wie durch gestrichelte Linien angezeigt) eingesetzt werden. Auf ähnliche Weise können, wenn die verlustarmen Lager einen Ladungsverdichter stützen, Materialien geringer Dichte in den rotierenden Komponenten des Ladungsverdichters (ebenfalls durch gestrichelte Linien angezeigt) eingesetzt werden.

[0046] Der Ausdruck «rotierende Komponente» soll einen oder mehrere der sich bewegenden Teile eines Verdichterabschnitts, eines Turbinenabschnitts, eines Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitts, eines Arbeitsturbinenabschnitts und eines Ladungsverdichters, wie beispielsweise Schaufeln (auch als aerodynamische Profile bezeichnet), Abdeckplatten, Abstandhalter, Dichtungen, Deckbänder, Wärmeabschirmungen und beliebige Kombinationen dieser oder anderer sich bewegender Teile umfassen. Der Einfachheit halber werden die rotierenden Schaufeln des Verdichters, der Turbine und des Ladungsverdichters am häufigsten als aus einem Material geringer Dichte hergestellt bezeichnet. Jedoch sollte man sich im Klaren darüber sein, dass andere Komponenten aus einem Material geringer Dichte zusätzlich zu oder anstelle der rotierenden Schaufeln verwendet werden können.

[0047] Obwohl die Beschreibungen, die mit Bezug auf die veranschaulichten Antriebsstrangarchitekturen folgen, zur Verwendung in einer kommerziellen oder industriellen mechanischen Antriebsarchitektur bestimmt sind, sollen die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht ausschliesslich auf derartige Anwendungen beschränkt sein. Stattdessen sind die Ideen des Verwendens verlustarmer Lager (und insbesondere verlustarmer Lager mit Schmierung) und rotierender Komponenten aus einem Material geringer Dichte auf alle Typen von Verbrennungsturbinen oder rotierenden Motoren anwendbar, bei denen ein komprimierbares Fluid zum Antreiben einer Lastvorrichtung, die entweder ein komprimierbares oder fast unkomprimierbares Fluid aufweist, verwendet wird. Beispiele von Lastvorrichtungen, bei denen komprimierbare Fluide verwendet werden, umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, einen autarken Verdichter (wie beispielsweise eine mehrstufige Axialverdichteranordnung), Flugzeugmotoren, Schiffskraftantriebe und dergleichen. Beispiele von Lastvorrichtungen, bei denen fast unkomprimierbare Fluide (z.B. Wasser, LNG) verwendet werden, umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Pumpen, Wasserwirbelbremsen, Schraubenverdichter, Getriebepumpen und dergleichen.

[0048] Die verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen sollen nicht auf irgendeinen spezifischen Typ von Ladungsverdichter beschränkt sein. Stattdessen sind die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung zur Verwendung bei irgendeinem Typ von Ladungsverdichter geeignet, der durch eine Gasturbine angetrieben werden kann. Beispiele von durch Gasturbinen angetriebene Ladungsverdichtern, die zur Verwendung bei den verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen geeignet sind, umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf: Axial-Verdichter, Radialverdichter, positive Verdrängungsverdichter, Kolbenverdichter, Naturgasverdichter, horizontal geteilte Verdichter, vertikal geteilte Verdichter, Integralgetriebeverdichter, Doppelstromverdichter usw. Des Weiteren werden sich Fachleute im Klaren darüber sein, dass verschiedene hier beschriebene Ausführungsformen auch zur Verwendung mit eigenständigen Verdichtern, die nicht durch eine Gasturbine angetrieben werden, geeignet sind.

[0049] Bezugnehmend nun auf die Figuren, ist Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer mechanischen, durch eine Einzyklusgasturbine angetriebene Einwellenantriebsarchitektur 100 mit einer Gasturbine 10 und einem Ladungsverdichter 160. Mindestens ein verlustarmes Lager und mindestens eine rotierende Schaufel, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, werden bei dem Antriebsstrang gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt. In einer Ausführungsform weist mindestens ein verlustarmes Lager ein verlustarmes Schmiermittel auf.

[0050] Kurz beschrieben, wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst die Gasturbine 10 einen Verdichterabschnitt 105, einen Brennkammerabschnitt 110 und einen Turbinenabschnitt 115. Die Gasturbine 10 befindet sich in einer Frontanordnung mit dem Ladungsverdichter 160 derart, dass der Ladungsverdichter 160 sich proximal zu dem Verdichterabschnitt 105 befindet. Andere Architekturen für die Gasturbine 10 können eingesetzt werden, wie beispielsweise diejenigen, die in den Fig. 7 , 8 und 9 veranschaulicht sind.

[0051] Eine übliche drehbare Welle, als Rotorwelle 125 bezeichnet, verbindet den Verdichterabschnitt 105, den Turbinenabschnitt 115 und den Ladungsverdichter 160 entlang einer einzigen Linie derart, dass der Turbinenabschnitt 115 den Gasturbinenverdichterabschnitt 105 und den Ladungsverdichter 160 antreibt. Wie in Fig. 1 gezeigt, erstreckt sich die Rotorwelle 125 durch den Turbinenabschnitt 115, den Verdichterabschnitt 105 und den Ladungsverdichter 160. Bei dieser Einwellenanordnung kann die Rotorwelle 125 ein Gasturbinenverdichter-Rotorwellenteil, ein Turbinenrotorwellenteil und ein Ladungsverdichter-Rotorwellenteil aufweisen, die herkömmlicher Technologie entsprechend verbunden sind.

[0052] Verbindungskomponenten können das Turbinenrotorwellenteil, das Gasturbinenverdichter-Rotorwellenteil und das Ladungsverdichter-Rotorwellenteil der Rotorwelle 125 verbinden, um in Zusammenarbeit mit den Lagern 140 zu funktionieren. Die Anzahl von Verbindungskomponenten und ihre Positionen entlang der Rotorwelle 125 kann je nach Konstruktion und Anwendung der mechanischen Antriebsarchitektur variieren.

[0053] Ein repräsentatives Lastankopplungselement 104 ist in Fig. 1 (zwischen der Gasturbine 10 und dem Generator 120) als ein Beispiel veranschaulicht. Alternativ können eine Kupplung (nicht gezeigt) oder ein Getriebe (170, wie in Fig. 4 gezeigt) als Lastankopplungselement eingesetzt werden. Auf diese Weise sind die jeweiligen Rotorteile, die mit den Verbindungsteilen verbunden sind, durch jeweilige Lager 140 jeweils daran drehbar.

[0054] Der Verdichterabschnitt 105 kann mehrere Stufen von Schaufeln 130 aufweisen, die in einer axialen Richtung entlang der Rotorwelle 125 angeordnet sind. Beispielsweise kann der Verdichterabschnitt 105 vordere Stufen von Schaufeln 130, mittlere Stufen von Schaufeln 130 und hintere Stufen von Schaufeln 130 aufweisen. Wie hier verwendet, befinden sich die vorderen Stufen von Schaufeln 130 an dem vorderen oder Vorwärtsende des Verdichterabschnitts 105 entlang der Rotorwelle 125 an dem Teil, wo die Luftströmung (oder Gasströmung) in den Verdichterabschnitt durch Einlassleitschaufein eintritt (das heisst distal zu dem Verdichterabschnitt 110). Die mittleren und hinteren Stufen von Schaufeln sind die Schaufeln, die stromabwärts von den vorderen Stufen entlang der Rotorwelle 125 angeordnet sind, wo die Luftströmung (oder Gasströmung) noch weiter auf einen erhöhten Druck komprimiert wird (das heisst, proximal zu dem Brennkammerabschnitt 110). Dementsprechend wird die Länge der Schaufeln 130 in dem Verdichterabschnitt 105 von vorderen zu mittleren zu hinteren Stufen reduziert.

[0055] Jede der Stufen im Verdichterabschnitt 105 kann rotierende Schaufeln 130 aufweisen, die in einer Umfangsanordnung um den Umfang der Rotorwelle 125 zum Definieren von Laufschaufelreihen, die sich radial nach aussen von der drehbaren Welle aus erstrecken, aufweisen. Die Laufschaufelreihen sind axial entlang der Rotorwelle 125 in Positionen angeordnet, die sich in den vorderen Stufen, den mittleren Stufen und den hinteren Stufen befinden. Ausserdem kann jede der Stufen ringförmige Reihen stationärer Leitschaufeln (nicht veranschaulicht), die sich radial nach innen in Richtung auf die Rotorwelle 125 in den vorderen Stufen, den mittleren Stufen und den hinteren Stufen erstrecken, aufweisen. In einer Ausführungsform können die ringförmigen Reihen stationärer Leitschaufeln sich an dem Verdichtergehäuse (nicht veranschaulicht) befinden, das die Rotorwelle 125 umgibt.

[0056] In jeder der Stufen können die ringförmigen Reihen stationärer Leitschaufeln mit den Laufschaufelreihen in einem abwechselnden Muster längs einer axialen Richtung der Rotorwelle 125 parallel zu ihrer Rotationsachse angeordnet sein. Eine Gruppierung einer Reihe stationärer Leitschaufeln und einer Reihe Laufschaufeln definiert eine einzelne «Stufe» des Verdichters 105. Auf diese Weise sind die Laufschaufeln in jeder Stufe gewölbt, um eine Arbeit zu verrichten und die Strömung zu drehen, während die stationären Leitschaufeln in jeder Stufe gewölbt sind, um die Strömung in eine Richtung zu drehen, die zum Vorbereiten derselben für die Laufschaufeln der nächsten Stufe am besten geeignet ist. In einer Ausführungsform kann der Verdichterabschnitt 105 ein mehrstufiger Axialverdichter sein.

[0057] Der Turbinenabschnitt 115 kann auch Stufen von Schaufeln 135 aufweisen, die in einer axialen Richtung entlang der Rotorwelle 125 angeordnet sind. Beispielsweise kann der Turbinenabschnitt 115 vordere Stufen von Schaufeln 135, mittlere Stufen von Schaufeln 135 und hintere Stufen von Schaufeln 135 aufweisen. Die vorderen Stufen von Schaufeln 135 befinden sich am vorderen oder Vorwärtsende des Turbinenabschnitts 115 entlang der Rotorwelle 125 an dem Teil, in dem ein heissverdichtetes Treibgas, das auch als Arbeitsfluid bekannt ist, in die Turbine von der Bennkammer 1120 zum Ausdehnen eintritt. Die mittleren und hinteren Stufen von Schaufeln sind die Schaufeln, die sich stromabwärts von den vordere Stufen entlang der Rotorwelle 125 befinden, wo das Arbeitsfluid noch weiter ausgedehnt wird. Dementsprechend nimmt die Lände der Schaufeln 135 in dem Turbinenabschnitt 115 von den vorderen zu den mittleren zu den hinteren Stufen zu.

[0058] Jede der Stufen in dem Turbinenabschnitt 115 kann rotierende Schaufeln 135 aufweisen, die in einer Umfangsanordnung um den Umfang der Rotorwelle 125 angeordnet sind, um Laufschaufelreihen zu definieren, die sich von der drehbaren Welle aus radial nach aussen erstrecken. Wie die Stufen des Verdichterabschnitts 105 sind die Laufschaufelreihen des Turbinenabschnitts 115 axial entlang der Rotorwelle 125 an Positionen angeordnet, die sich in den vorderen Stufen und den mittleren Stufen und den hinteren Stufen befinden. Ausserdem kann jede der Stufen ringförmige Reihen stationärer Leitschaufeln aufweisen, die sich radial nach innen auf die Rotorwelle 125 zu in den vorderen Stufen, den mittleren Stufen und den hinteren Stufen erstrecken. In einer Ausführungsform können die ringförmigen Reihen stationärer Leitschaufeln an dem Turbinengehäuse (nicht veranschaulicht), das die Rotorwelle 125 umgibt, angeordnet sein.

[0059] In jeder der Stufen können die ringförmigen Reihen stationärer Leitschaufeln mit den Laufschaufelreihen in einem abwechselnden Muster längs einer axialer Richtung der Rotorwelle 125 parallel zu ihrer Rotationsachse angeordnet sein. Eine Gruppierung einer Reihe stationärer Leitschaufeln und einer Reihe Laufschaufeln definiert eine einzelne «Stufe» des Turbinenabschnitts 105. Auf diese Weise sind die Laufschaufeln in jeder Stufe gewölbt zum Verrichten von Arbeit und zum Drehen der Strömung, während die stationären Leitschaufeln in jeder Stufe gewölbt sind, um die Strömung in eine Richtung zu drehen, die zum Vorbereiten derselben für die Laufschaufeln der nächsten Stufe am besten geeignet ist.

[0060] Der Ladungsverdichter 160 kann auch Stufen von Schaufeln 165 aufweisen, die in einer axialen Richtung entlang der Rotorwelle 125 angeordnet sind. Beispielsweise kann der Ladungsverdichter 160 vordere Stufen von Schaufeln 156, mittlere Stufen von Schaufeln 165 und hintere Stufen von Schaufeln 165 aufweisen. Die vorderen Stufen von Schaufeln 165 befinden sich am vorderen oder Vorwärtsende des Ladungsverdichters 160 entlang der Rotorwelle 125. Die mittleren und hinteren Stufen der Schaufeln sind die Schaufeln, die sich stromabwärts von den vorderen Stufen entlang der Rotorwelle 125 befinden, wo das Arbeisfluid weiter ausgedehnt wird.

[0061] Jede der Stufen in dem Ladungsverdichter 160 kann rotierende Schaufeln 165 aufweisen, die in einer Umfangsanordnung um den Umfang der Rotorwelle 125 angeordnet sind, um Laufschaufelreihen zu definieren, die sich radial nach aussen von der drehbaren Welle aus erstrecken. Wie die Stufen für den Verdichterabschnitt 105 und den Turbinenabschnitt 115 sind die Laufschaufelreihen des Ladungsverdichters 160 axial entlang der Rotorwelle 125 an Positionen angeordnet, die sich in den vorderen Stufen, den mittleren Stufen und den hinteren Stufen befinden. Ausserdem kann jede der Stufen ringförmige Reihen stationärer Leitschaufeln aufweisen, die sich radial nach innen auf die Rotorwelle 125 zu in den vorderen Stufen, den mittleren Stufen und den hinteren Stufen zu erstrecken. In einer Ausführungsform können die ringförmigen Reihen stationärer Leitschaufeln sich an dem Turbinengehäuse (nicht veranschaulicht) befinden, das die Rotorwelle 125 umgibt.

[0062] In jeder der Stufen können die ringförmigen Reihen stationärer Leitschaufeln mit den Laufschaufelreihen in einem abwechselnden Muster längs einer axialen Richtung der Rotorwelle 125 parallel zu ihrer Rotationsachse angeordnet sein. Auf diese Weise sind die Laufschaufeln in jeder Stufe gewölbt, um Arbeit zu verrichten und die Strömung zu drehen, während die stationären Leitschaufeln in jeder Stufe gewölbt sind, um die Strömung in eine Richtung zu drehen, die zum Vorbereiten derselben für die Laufschaufeln der nächsten Stufe am besten geeignet ist.

[0063] Wie hier beschrieben, kann mindestens eine der rotierenden Komponenten (z.B. Schaufeln 130, 135 und 165) in einem von dem Verdichterabschnitt 105, dem Turbinenabschnitt 115 und dem Ladungsverdichter 160 aus einem Material geringer Dichte gebildet sein. Die Fachleute werden sich im Klaren darüber sein, dass die Anzahl und Positionierung der rotierenden Schaufeln 130, 135 und 165, die ein Material geringer Dichte aufweisen, durch die Konstruktion und Anwendung, bei der die mechanische Antriebsarchitektur betrieben wird, variieren kann. Beispielsweise können einige oder alle der rotierenden Schaufeln 130, 135 und 165 eines speziellen Abschnitts (z.B. des Verdichterabschnitts 105, des Turbinenabschnitts 115 oder des Ladungsverdichters 160) ein Material geringer Dichte aufweisen. In Fällen, in denen die rotierenden Schaufeln 130, 135 und 165 in einer oder mehreren Reihen oder Stufen aus einem Material geringer Dichte ausgebildet sind, können die rotierenden Schaufeln 130, 135 und 165 in anderen Reihen oder Stufen aus einem Material hoher Dichte ausgebildet sein. Ausschliesslich als Beispiel können in einer Ausführungsform die Schaufeln in den vorderen Stufen des Verdichterabschnitts, den hinteren Stufen des Turbinenabschnitts und/oder den vorderen Stufen des Ladungsverdichters aus einem Material geringer Dichte hergestellt sein, da diese Schaufeln grössere Längen aufweisen.

[0064] Unter Bezugnahme auf Fig. 1 lagern die Lager 140 die Rotorwelle 125 entlang des Antriebsstrangs. Beispielsweise kann ein Paar Lager 140 jeden von dem Turbinenrotorwellenteil, dem Verdichterrotorwellenteil der Gasturbine und dem Ladungsverdichter-Rotorwellenteil der Rotorwelle 125 lagern. In einer Ausführungsform kann jedes Paar Lager 140 das Turbinenrotorwellenteil, das Verdichterrotorwellenteil der Gasturbine und das Ladungsverdichter-Rotorwellenteil an ihren jeweiligen entgegengesetzten Enden der Rotorwelle 125 lagern. Jedoch werden die Fachleute sich im Klaren darüber sein, dass das Paar Lager 140 das Turbinenrotorwellenteil, das Verdichterrotorwellenteil der Gasturbine und das Ladungsverdichter-Rotorwellenteil an anderen geeigneten Stellen lagern kann.

[0065] Ausserdem werden die Fachleute sich im Klaren darüber sein, dass jedes von dem Turbinenrotorwellenteil, dem Verdichterrotorwellenteil der Gasturbine und dem Ladungsverdichter-Rotorwellenteil der Rotorwelle 125 nicht auf das Lagern eines Paars von Lagern 140 beschränkt ist. Das Lager 140, das zwischen dem Verdichterabschnitt 105 und dem Turbinenabschnitt 115 gezeigt ist (das heisst unterhalb des Verdichters 110) kann optional sein; das heisst, in einigen Konfigurationen kann die Gasturbine ohne weiteres durch Lager gelagert sein, die den Verdichterabschnitt 105 und den Turbinenabschnitt 115 ohne ein Zwischenlager lagern.

[0066] Bei den verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen kann mindestens eines der Lager 140 als verlustarmes Lager, das ein verlustarmes Schmiermittel aufweist (d.h. «ein verlustarmes Lager mit Schmierung») beschrieben werden. In einer Ausführungsform sind alle Lager 140 verlustarme Lager mit Schmierung. In einer derartigen Konfiguration wird eine Lagerfluidversorgungseinheit 150, die ein einziges Fluid (d.h. ein verlustarmes Schmiermittel) aufweist, verwendet. Lager, die ein verlustarmes Schmiermittel aufweisen, verbrauchen ein wesentlich geringeres Fluidvolumen als herkömmliche Hochviskositätsöllager, wodurch gestattet wird, dass die Reservoirs, Pumpen und andere Zubehörteile in der Lagerfluidversorgungseinheit 150 für das geringere Fluidvolumen verkleinert werden können. Eine derartige Anordnung vereinfacht die Lagerfluidversorgungseinheit und reduziert die Anlauf-und Wartungskosten im Vergleich zu herkömmlichen Öllagern.

[0067] Zusätzlich umfassen verlustarme Lager vom Monotyp oder Hybridtyp (wie hier beschrieben) ein Rolllagerelement als Reserve für die primäre(n) Lagereinheit(en). Diese Reservelager erhöhen die Länge der Rotorwelle 125, die die Abschnitte des Antriebsstrangs verbindet, wodurch die Herstellungskosten der Rotorwelle 125 erhöht werden. So werden die hier zutreffenden Kosten von verlustarmen Lagern vom Monotyp und Hybridtyp (wenn sie in Verbindung mit verlustarmen Lagern mit Schmierung eingesetzt werden) gegen die Leistungsausgabe- und Effizienzvorteile abgewogen, die durch die reduzierten viskosen Verluste, die derartige verlustarme Lager ergeben, geboten werden.

[0068] Dementsprechend kann in einer Ausführungsform ein anderes der Lager 140 ein verlustarmes Lager vom Monotyp sein, das ein Fluid sehr geringer Viskosität aufweist. In anderen Ausführungsformen kann ein anderes der Lager 140 ein Lager vom Hybridtyp sein, das eine erste primäre Lagereinheit, die mit Magnetfluss beliefert wird, und eine zweite primäre Lagereinheit, die mit einem Fluid sehr geringer Viskosität beliefert wird, aufweist. In einigen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, Hochviskositätsöllager mit den verlustarmen Lagern mit Schmierung und wahlweise Lagern vom Monotyp und/oder Hybridtyp mit Fluiden sehr geringer Viskosität einzusetzen. So kann bei einigen Anordnungen eine Kombination von Lagertypen eingesetzt werden, wobei ein oder mehrere Lager Fluide sehr geringer Viskosität aufweisen, während mindestens ein Lager ein verlustarmes Schmiermittel aufweist. Bei derartigen Kombinationen können die Lager 140, die Fluide sehr geringer Viskosität aufweisen, Lager vom Monotyp oder vom Hybridtyp sein.

[0069] Die Lager 140 umfassen Fluide, die von einer Lagerfluidversorgungseinheit 150 geliefert werden, was in Fig. 1 veranschaulicht ist. Die Lagerfluidversorgungseinheit 150 ist mit «LLL» (für verlustarmes Schmiermittel), «A» (für Luft), «G» (für Gas), «F» (für Magnetfluss), «S» (für Dampf) und «0» (für Hochviskositäts- oder herkömmliches Öl) gekennzeichnet, obwohl man sich im Klaren darüber sein sollte, dass ein Fluid oder eine Kombination dieser Fluide zum Beliefern der mehreren Lager 140 in dem Antriebsstrang verwendet werden kann. Bei den hier in Betracht gezogenen Architekturen sind die Lager 140 vom verlustarmen Typ – das heisst, Lager mit entweder einem verlustarmen Schmiermittel oder einem Fluid sehr geringer Viskosität wie Luft, Gas, Magnetfluss oder Dampf, wie oben beschrieben. Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Architektur, die mindestens ein Lager mit einer verlustarmen Schmierung aufweist, eingesetzt.

[0070] Die Lagerfluidversorgungseinheit 150 kann Zubehör aufweisen, das für Lagerfluidversorgungseinheiten standard-mässig ist, wie beispielsweise Reservoirs, Pumpen, Speicher, Ventile, Kabel, Schaltkästen, Rohrleitungen und dergleichen. Die zum Liefern des/der Fluid(e) von der Lagerfluidversorgungseinheit 150 zu dem einen oder den mehreren Lagern 140 erforderliche Rohrleitung ist in den Figuren durch Pfeile von der Lagerfluidversorgungseinheit 150 zu jedem der Lager 140 dargestellt. In einigen Fällen kann es möglich sein, dass die Lagerfluidversorgungseinheit 150 zwei oder mehrere verschiedene Typen von Fluiden (wie beispielsweise Öl und ein oder mehrere der verlustarmen Schmiermittel oder Fluide sehr geringer Viskosität, wie oben beschrieben) bereitstellt. Alternativ können, wenn zwei oder mehrere verschiedene Lagertypen eingesetzt werden, Lagerfluidversorgungseinheiten 150 für jeden Fluidtyp verwendet werden.

[0071] Diejenigen Fachleute, die mit der Technik vertraut sind, werden sich im Klaren darüber sein, dass die Wahl der verlustarmen Lager, die für die Lager 140 eingesetzt werden, durch die Konstruktion und Anwendung, bei der die mechanische Antriebsarchitektur funktioniert, variieren kann. Beispielsweise können einige oder alle der Lager 140 verlustarme Lager mit Schmierung alleine oder in Kombination mit herkömmlichen Öllagern aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können verlustarme Lager vom Monotyp oder Hybridtyp, die ein oder mehrere Fluide sehr geringer Viskosität aufweisen, in Verbindung mit den verlustarmen Lagern mit Schmierung eingesetzt werden. In denjenigen Abschnitten, in denen die Rotorwelle durch verlustarme Lager gelagert ist, die ein verlustarmes Schmiermittel oder ein Fluid sehr geringer Viskosität aufweisen, kann es vorzuziehen sein, Materialien geringer Dichte in dem entsprechenden Abschnitt zum Erzeugen eines Abschnitts, dessen Gewicht leichter zu lagern und zu drehen ist, zu integrieren.

[0072] Ausserdem werden diejenigen Fachleute, die mit der Technik vertraut sind, sich im Klaren darüber sein, dass der Übersichtlichkeit wegen die in Fig. 1 gezeigte mechanische Antriebsarchitektur und diejenigen, die in den Fig. 2 – 9 gezeigt sind, nur diejenigen Komponenten zeigen, die ein Verständnis der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung liefern. Diejenigen Fachleute, die mit der Technik vertraut sind, werden sich im Klaren darüber sein, dass zusätzliche Komponenten, bei denen es sich nicht um diejenigen, die in diese Figuren gezeigt sind, handelt, vorhanden sind. Beispielsweise könnte eine mechanische Antriebsarchitektur und/oder Gasturbinenarchitektur, wie hier beschrieben, sekundäre Komponenten, wie Gaskraftstoffkreise, eine Gaskraftstoff Versorgungseinheit, Flüssigkraftsstoffkreise, eine Flüssigkeitskraftsstoff-Versorgungseinheit, Strömungsregulierventile, ein Kühlsystem usw. aufweisen.

[0073] Bei einer mechanischen Antriebsarchitektur, wie denjenigen, die hier veranschaulicht sind, die mehrere Lager aufweisen, sind die viskosen Anlagebilanz(BoP)-Verluste an jeder Stelle reduziert, wo ein verlustarmes Lager für ein herkömmliches Lager mit viskosem Fluid ersetzt wird. So wirkt sich das Ersetzen mehrerer – wenn nicht aller – Lager mit viskosem Fluid durch verlustarme Lager, wie beschrieben, signifikant auf viskose Verluste aus, wodurch die Leistungsausgaben des Antriebsstrangs bei einer Betriebsgrundlast und einer Betriebsteillast erhöht werden.

[0074] Die Effizienz und Leistungsausgabe der Antriebsstrangarchitektur kann noch weiter durch Einsetzen rotierender Komponenten grösserer Radiallänge verbessert werden. Die Herausforderung beim Herstellen rotierender Komponenten grösserer Längen ist bisher gewesen, dass ihr Gewicht sie mit verlustarmen Lagern unvereinbar macht. Jedoch gestattet die Verwendung von Materialien geringer Dichte für eine oder mehrere der rotierenden Komponenten die Fertigung von Komponenten der erwünschten (längeren) Längen ohne eine entsprechende Erhöhung des Sogs des aerodynamischen Profils und des Laufraddurchmessers. Daher kann ein grösseres Volumen an Luft zum Erzeugen von Treibfluid zum Antreiben der Gasturbine verwendet werden, und verlustarme Lager können zum Lagern des Antriebstrangsabschnitts eingesetzt werden, in dem sich die rotierenden Komponenten geringer Dichte befinden.

[0075] Es folgen unten kurze Beschreibungen der von Gasturbinen angetriebenen mechanischen Antriebsarchitekturen, die in den Fig. 2 – 9 veranschaulicht sind. Spezifische Gasturbinenarchitekturen, die in den mechanischen Antriebsarchitekturen in Fig. 1 – 4 verwendet werden können, sind in Fig. 5 – 9 veranschaulicht. Alle diese Figuren veranschaulichen verschiedene Arten von Antriebssträngen, die für eine spezifische industrielle mechanische Antriebsanwendung realisiert werden können.

[0076] Obwohl jede Architektur auf andere Weise als die Konfiguration von Fig. 1 funktionieren kann, sind sie insofern ähnlich, als die Ausführungsformen von Fig. 2 – 9 mindestens eine rotierende Komponente geringer Dichte (z.B. die Rotorschaufeln 130, 135 und/oder 165 des Verdichterabschnitts 105, des Turbinenabschnitts 110 bzw. des Ladungsverdichters 160) aufweisen können. Wie oben bemerkt, können einige oder alle der rotierenden Komponenten 130, 135, 165 aus einem Material geringer Dichte bestehen. Unter besonderer Bezugnahme auf Schaufeln in den Verdichter-, Turbinen- oder Ladungsverdichterabschnitten können zwischen rotierenden Komponenten aus einem Material geringer Dichte stufenweise rotierende Komponenten aus einem Material hoher Dichte eingefügt sein.

[0077] Auf ähnliche Weise kann bei diesen Ausführungsformen mindestens ein verlustarmes Lager mit Schmierung für die Lager 140 eingesetzt werden. Ein, einige oder alle der Lager 140 kann/können ein verlustarmes Lager sein, solange mindestens ein Lager 140 ein verlustarmes Lager mit Schmierung ist. Auf diese Weise können Lager von einem Typ eines verlustarmen Lagers mit Schmierung mit anderen Typen von Lagern, wie beispielsweise Öllagern oder verlustarmen Lagern, die ein Fluid sehr geringer Viskosität aufweisen, durchsetzt sein. Die verlustarmen Lager 140 (wenn sie nicht verlustarme Lager mit Schmierung sind) können vom Monotyp oder vom Hybridtyp, wie hier beschrieben, sein.

[0078] Ferner soll die Verwendung von rotierenden Komponenten geringer Dichte und verlustarmen Lagern mit Schmierung in einem Antriebsstrang einer mechanischen Antriebsarchitektur nicht bedeuten, dass sie auf die in Fig. 1 – 9 veranschaulichten Beispiele beschränkt ist. Stattdessen veranschaulichen diese Beispiele nur einige der möglichen Architekturen, bei denen die Verwendung von rotierenden Komponenten geringer Dichte und verlustarmen Lagern mit Schmierung in einem Antriebsstrang einer mechanischen Antriebsarchitektur realisiert werden können. Diejenigen Fachleute, die mit der Technik vertraut sind, werden sich im Klaren darüber sein, dass es viele Permutationen möglicher Konfigurationen der hier veranschaulichten Beispiele gibt. Der Umfang und Inhalt der verschiedenen Ausführungsformen sollen diese möglichen Permutationen sowie andere möglichen Antriebsstrangkonfigurationen einschliessen, die bei einer industriellen mechanischen Antriebsanwendung, die eine Gasturbine enthält, realisiert werden können.

[0079] Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer mechanischen Antriebsarchitektur 200, die eine Frontantrieb-Gasturbine 12 mit einem Wiedererhitzungsabschnitt 205 aufweist. Wie in Fig. 2 gezeigt, umfasst der Wiedererhitzungsabschnitt 205 einen zweiten Brennkammerabschnitt 210 und einen zweiten Turbinenabschnitt 215, die auch als Wiedererhitzungsbrennkammer bzw. Wiedererhitzungsturbine bezeichnet werden, stromabwärts von dem ersten Brennkammerabschnitt 110 und dem ersten Turbinenabschnitt 115. Die mechanische Antriebsarchitektur 200 umfasst mindestens ein verlustarmes Lager mit Schmierung 140. Andere Lager in der Architektur 200 können verlustarme Lager vom Monotyp, verlustarme Lager vom Hybridtyp, herkömmliche Öllager oder Kombinationen davon sein, wobei jedes der Lager mit der Lagerfluidversorgungseinheit 150 (wie oben beschrieben) in Fluidverbindung steht.

[0080] Bei dieser Ausführungsform können sowohl der Turbinenabschnitt 115 als auch der Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt 215 rotierende Komponenten (wie beispielsweise Schaufeln 135 bzw. 220) aufweisen, die mindestens eine rotierende Komponente aufweisen, die ein Material geringer Dichte aufweist. In einer Ausführungsform können alle oder einige der rotierenden Schaufeln 135 und/oder 220 in einer, einigen oder allen der Turbinenstufen das Material geringer Dichte aufweisen. In einer anderen Ausführungsform können die rotierenden Komponenten (z.B. Schaufeln 130) in dem Verdichterabschnitt ein Material geringer Dichte aufweisen. In noch einer anderen Ausführungsform kann mindestens einer von dem Verdichterabschnitt 105 und dem Turbinenabschnitt 115 rotierende Komponenten 130, 135 aus einem Material geringer Dichte aufweisen, während die rotierenden Komponenten 220 des Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitts 215 aus einem anderen Typ Material (z.B. Material hoher Dichte) bestehen können.

[0081] Alternativ können der Verdichterabschnitt 105 und der Turbinenabschnitt 115 rotierende Komponenten 130, 135 aus einem Material hoher Dichte aufweisen, während die rotierenden Komponenten 220 des Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitts 215 aus einem Material geringer Dichte bestehen können. Falls erwünscht, kann jeder von dem Verdichterabschnitt 105, dem Turbinenabschnitt 115 und der Wiedererhitzungsturbine 215 eine oder mehrere Stufen rotierender Komponenten 130, 135, 220 aus einem Material geringer Dichte aufweisen. Andere rotierende Komponenten – einschliesslich rotierender Komponenten in dem Ladungsverdichter 160 – können aus einem Material geringer Dichte hergestellt sein, zusätzlich zu den oder statt der rotierenden Schaufeln 130, 135, 220, die oben beschrieben sind.

[0082] Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm einer mechanischen Antriebsarchitektur 300, die eine Heckendantrieb-Gasturbine 14, einen Ladungsverdichter 160 und eine Lagerfluidversorgungseinheit 150 aufweist. In der Architektur 300 ist die Gasturbine 14 derart angeordnet, dass der Ladungsverdichter 160 über die Lastankopplung 104 mit dem Turbinenabschnitt 115 der Gasturbine verbunden ist, wodurch eine «Heckend-Antrieb»-Gasturbine 14 gebildet ist.

[0083] Wie bei der Architektur 100, die in Fig. 1 gezeigt ist, umfasst die mechanische Antriebsarchitektur 300 mindestens ein verlustarmes Lager mit Schmierung 140, das mit der Lagerfluidversorgungseinheit 150 in Fluidverbindung steht. Andere Lager können verlustarme Lager vom Monotyp, verlustarme Lager vom Hybridtyp, herkömmliche Öllager oder eine Kombination dieser Lagertypen mit einem oder mehreren verlustarmen Lagern mit Schmierung sein. Mindestens eine rotierende Komponente (wie beispielsweise Verdichterschaufeln 130, Turbinenschaufeln 135 oder Ladungsverdichterschaufeln 165) ist gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus einem Material geringer Dichte hergestellt. Da die einzelnen Komponenten der Architektur 300 die gleichen sind wie diejenigen in der Architektur 100, wird auf die vorherige Erörterung von Fig. 1 Bezug genommen, und die Erörterung jedes Elements wird hier nicht wiederholt.

[0084] Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer mechanischen Mehrwellenantriebsarchitektur 400, die eine Heckendantrieb-Gasturbine 14, einen Drehmoment ändernden Mechanismus 170 (z.B. ein Getriebe) und einen Ladungsverdichter 160 aufweist. Die Gasturbine 14 ist mit dem Drehmoment ändernden Mechanismus 170 entlang einer ersten Welle 125 über eine Lastankopplung 104 verbunden. Der Ladungsverdichter 160 ist entlang einer zweiten Welle 126 positioniert, die betriebsmässig mit dem Drehmoment ändernden Mechanismus 170 verbunden ist. Der Drehmoment ändernde Mechanismus 170 gestattet es der ersten Welle 125, bei einer anderen Drehzahl als die zweite Welle 126 zu arbeiten.

[0085] Die Lager 140, die die Gasturbinenabschnitte und den Drehmoment ändernden Mechanismus 170 entlang der ersten Welle 125 lagern, können ein oder mehrere verlustarme Lager, wie hier beschrieben, aufweisen, wobei die Lager 140 mit der Lagerfluidversorgungseinheit 150 in Fluidverbindung stehen. Auf ähnliche Weise können die Lager 140, die den Ladungsverdichter 160 und den Drehmoment ändernden Mechanismus 170 entlang der zweiten Welle 126 lagern, ein oder mehrere verlustarme Lager aufweisen, die mit der Lagerfluidversorgungseinheit 150 in Fluidverbindung stehen. Obwohl eine einzelne Lagerfluidversorgungseinheit veranschaulicht ist, sollte man sich im Klaren darüber sein, dass Lagerfluidversorgungseinheiten 150 jeder Welle 125, 126 zugeordnet sein können und/oder jeweiliges Fluid bereitgestellt werden kann. Die Lager 140 können verlustarme Lager mit Schmierung, verlustarme Lager vom Mono-typ, verlustarme Lager vom Hybridtyp, herkömmliche Öllager oder eine Kombination davon sein, solange mindestens eines der Lager 140 ein verlustarmes Schmiermittel aufweist.

[0086] Fig. 4 zeigt, dass die rotierenden Schaufeln 130 des Verdichterabschnitts 105, die rotierenden Schaufeln 135 des Turbinenabschnitts 115 und die rotierenden Schaufeln 165 des Ladungsverdichters 160 eine oder mehrere Stufen von Schaufeln geringer Dichte aufweisen können. Dies ist eine mögliche Realisierung und soll den Umfang der Architektur 400 nicht einschränken. Wie oben erwähnt, kann irgendeine Kombination von Schaufeln geringer Dichte mit Schaufeln, die aus anderen Materialien hergestellt sind (z.B. Schaufeln hoher Dichte) vorliegen, solange mindestens eine rotierende Schaufel, die in dem Antriebsstrang eingesetzt wird, ein Material geringer Dichte aufweist. Alternativ oder zusätzlich können rotierende Komponenten, bei denen es sich nicht um die Schaufeln 130, 135, 165 handelt, aus einem Material geringer Dichte hergestellt sein; somit ist die Offenbarung nicht auf eine Anordnung beschränkt, bei der nur die Schaufeln aus einem Material geringer Dichte hergestellt sind. Bevorzugt werden die rotierenden Komponenten geringer Dichte 105, 135 und/oder 165 in einem Abschnitt der Gasturbine 400 eingesetzt, der durch Lager 140 gelagert ist, die verlustarme Lager und insbesondere verlustarme Lager mit Schmierung sind.

[0087] Fig. 5 ist eine schematisches Diagramm einer Mehrwellengasturbinenarchitektur 500, einschliesslich einer Heckendantrieb-Gasturbine 16, die einen Verdichterabschnitt 105, einen Brennkammerabschnitt 110 und einen Turbinenabschnitt 115 an einer ersten Welle 310 aufweist. Die Gasturbine 16 umfasst ferner einen Arbeitsturbinenabschnitt 305 an einer zweiten Welle 315, der sich stromabwärts von dem Turbinenabschnitt 115 befindet. Die Gasturbine 16 von Fig. 5 kann für die Heckendantrieb-Gasturbine 14 in der Antriebsstrangarchitektur 300 von Fig. 3 oder der Antriebsstrangarchitektur 400 von Fig. 4 ersetzt werden.

[0088] Bei dieser Ausführungsform ist eine Heckendantriebsanordnung bereitgestellt, wobei die einzige Welle (wie bei der Gasturbine 14 von Fig. 3 gezeigt) durch eine Mehrwellenanordnung ersetzt worden ist. Insbesondere erstreckt sich eine erste einzelne Rotorwelle 310 durch den Verdichterabschnitt 105 und den Turbinenabschnitt 115, während eine zweite einzelne Rotorwelle 315, die von der Welle 310 getrennt ist, sich von dem Arbeitsturbinenabschnitt 305 zu dem Ladungsverdichter 160 (nicht gezeigt, aber durch die Beschreibung «zum Ladungsverdichter» angezeigt) erstreckt.

[0089] Im Betrieb kann die erste Rotorwelle 310 als Eingangswelle dienen, während die zweite Rotorwelle 315 als Ausgangswelle dienen kann. In einer Ausführungsform dreht sich die Rotorwelle 315 mit einer gleichbleibenden Ausgangsdrehzahl (z.B. 3600 UpM), um sicherzustellen, dass der Ladungsverdichter (160) mit einer konstanten Frequenz (z.B. 60 Hz) arbeitet, während die Eingangsdrehzahl der Rotorwelle 310 anders als diejenige der Rotorwelle 315 sein kann (z.B. höher als 3600 UpM sein kann).

[0090] Lager 140 können die verschiedenen Gasturbinenabschnitte an der Rotorwelle 310 und an der Rotorwelle 315 lagern. In einer Ausführungsform kann mindestens eines der Lager 140 ein verlustarmes Lager mit Schmierung 140, wie hier beschrieben, aufweisen. Andere Lager 140 in der Gasturbinenarchitektur können verlustarme Monotyp-Lager, verlustarme Hybridtyp-Lager, herkömmliche Öllager oder eine Kombination davon sein. Ungeachtet des Typs stehen die Lager 140 mit der Lagerfluidversorgungseinheit 150 in Fluidverbindung, wie beispielsweise in Fig. 3 gezeigt.

[0091] In einer Ausführungsform kann die Arbeitsturbine 305 mindestens eine rotierende Komponente 405 (z.B. eine Schaufel) aufweisen, das aus Material geringer Dichte hergestellt ist. Fig. 5 zeigt, dass die rotierenden Schaufeln 130 des Verdichterabschnitts 105, die rotierenden Schaufeln 135 des Turbinenabschnitts 115 und die rotierenden Schaufeln 405 des Arbeitsturbinenabschnitts 305 eine oder mehrere Stufen von Schaufeln geringer Dichte aufweisen können. Dies ist eine mögliche Realisierung und soll den Umfang der Architektur 500 nicht einschränken. Wie oben erwähnt, kann irgendeine Kombination von Schaufeln geringer Dichte mit Schaufeln, die aus anderen Materialien hergestellt sind (z.B. Schaufeln hoher Dichte) vorliegen, solange mindestens eine rotierende Schaufel, die in dem Antriebsstrang verwendet wird, vorhanden ist, die ein Material geringer Dichte aufweist. Alternativ oder zusätzlich können rotierende Komponenten, bei denen es sich nicht um die Schaufeln 130, 135, 405 handelt, aus einem Material geringer Dichte hergestellt sein; somit ist die Offenbarung nicht auf eine Anordnung beschränkt, bei der nur die Schaufeln aus einem Material geringer Dichte hergestellt sind. Bevorzugt werden die rotierenden Komponenten geringer Dichte 105, 135 und/oder 405 in einem Abschnitt der Gasturbine 500 eingesetzt, der durch Lager 140 gelagert ist, die verlustarme Lager und insbesondere verlustarme Lager mit Schmierung sind.

[0092] Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm der Architektur 600 einer mehrwelligen Heckantrieb-Gasturbine, die eine Arbeitsturbine 305 und einen Wiedererhitzungsabschnitt 205 aufweist. Die Gasturbinenarchitektur 600 aufweist ferner mindestens ein verlustarmes Lager mit Schmierung 140 und mindestens ein rotierende Komponente, das aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, zur Verwendung bei dem Antriebsstrang der Gasturbine gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Andere Lager 140 können verlustarme Lager vom Monotyp, verlustarme Lager vom Hybridtyp, herkömmliche Öllager und eine Kombination davon sein, solange mindestens ein Lager ein verlustarmes Lager mit Schmierung ist. Wie bei Fig. 5 kann die Gasturbine 18 von Fig. 6 die Heckendantrieb-Gasturbine 14 in der Antriebsstrangarchitektur 300 von Fig. 3 oder der Antriebsstrangarchitektur 400 von Fig. 4 ersetzen.

[0093] Die Gasturbinenarchitektur 600 ist derjenigen ähnlich, die in Fig. 5 veranschaulicht ist, mit der Ausnahme, dass die Gasturbine 18 einen Wiedererhitzungsabschnitt 205 aufweist, der einen Wiedererhitzungs-Brennkammerabschnitt 210 und einen Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt 215 aufweist. Der Wiedererhitzungsabschnitt 205 wird der Eingangsantriebswelle 210 zugefügt. Fig. 6 zeigt, dass die rotierenden Schaufeln 130 des Verdichterabschnitts 105, die rotierenden Schaufeln 135 des Turbinenabschnitts 115, die rotierenden Schaufeln 220 des Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitts 215, die rotierenden Schaufeln 405 des Arbeitsturbinenabschnitts 305 und die rotierenden Schaufeln 165 des Ladungsverdichters 160 (wie in Fig. 2 gezeigt) Materialien geringer Dichte aufweisen können. Dies ist eine der möglichen Realisierungen und soll den Umfang der Architektur 600 nicht einschränken.

[0094] Wie oben erwähnt, kann irgendeine Kombination von Schaufeln geringer Dichte mit Schaufeln, die andere Materialien aufweisen (z.B. Schaufeln hoher Dichte), vorliegen, solange mindestens eine rotierende Komponente, die in dem Antriebsstrang eingesetzt wird, vorhanden ist, die ein Material geringer Dichte aufweist. Zur grösseren Effizienz enthält/enthalten der/die Abschnitt(e) der Architektur 600, die durch die verlustarmen Lager 140 (z.B. verlustarmen Lager mit Schmierung) gelagert werden, rotierende Komponenten, die aus Material geringer Dichte hergestellt sind, wobei mindestens einige der rotierenden Komponenten aus einem Material geringer Dichte hergestellt sind.

[0095] Fig. 7 ist ein schematisches Diagramm der Architektur 700 einer Frontantrieb-Gasturbine, die eine Gasturbine 20 aufweist, deren Architektur einen Wellenstumpf 620 aufweist, um die Geschwindigkeit von vorderen Stufen eines Verdichterabschnitts 605 zu reduzieren. Die Gasturbine 20 enthält ferner mindestens ein verlustarmes Lager mit Schmierung 140, das mit dem Antriebsstrang der Gasturbine gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Gasturbine 20 kann für die Frontantrieb-Gasturbine 10 in Fig. 1 ersetzt werden.

[0096] Bei dieser Ausführungsform ist der Verdichterabschnitt 605 mit zwei Stufen 610 und 615 veranschaulicht, wobei die Stufe 610 die vorderen Stufen des Verdichterabschnitts 605 darstellt und die Stufe 615 die mittleren und hinteren Stufen des Verdichterabschnitts 605 darstellt. Dies ist nur eine Konfiguration und die Fachleute, die mit der Technik vertraut sind, werden sich im Klaren darüber sein, dass der Verdichterabschnitt 605 mit mehreren Stufen veranschaulicht werden könnte. Auf jeden Fall sind die rotierenden Schaufeln 710, die der Stufe 610 zugeordnet sind, mit einem Wellenstumpf 620 verbunden, während die rotierenden Schaufeln 715 der Stufe 615 und der Turbinenabschnitt 115 entlang der Rotorwelle 125, die sich zu dem Ladungsverdichter 160 erstreckt (durch «zum Ladungsverdichter» angezeigt) verbunden sind. Mindestens eine der vorderen Stufen des Verdichters 610, der mittleren und hinteren Stufen des Verdichters 615, der Turbinenabschnitt 115 und/oder der Ladungsverdichter (160) können eine oder mehrere rotierende Komponenten, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt sind, aufweisen. Die rotierenden Komponenten aus einem Material geringer Dichte können (z.B. stufenweise) mit rotierenden Komponenten aus anderen Materialien (z.B. Materialien hoher Dichte) durchsetzt sein.

[0097] In einer Ausführungsform kann der Wellenstumpf 620 radial aussen von der Rotorwelle 125 vorliegen und die Rotorwelle 125 längs des Umfangs umgeben. Die Lager 140 befinden sich an dem Verdichterabschnitt 605, dem Turbinenabschnitt 115 und dem Ladungsverdichter (160) zum Lagern des Wellenstumpfs 620 und der Rotorwelle 125. Alle, einige oder mindestens eines der Lager 140 in dieser Konfiguration kann/können verlustarme Lager sein, die ein verlustarmes Schmiermittel, wie hier beschrieben, aufweisen. Andere Lager in der Architektur 700 können verlustarme Lager vom Monotyp, verlustarme Lager vom Hybridtyp, herkömmliche Öllager oder eine Kombination davon sein. In einer Ausführungsform können die verlustarmen Lager mit Schmierung an einer oder mehreren Positionen eingesetzt werden, während verlustarme Lager, die ein Fluid sehr geringer Viskosität aufweisen, an anderen Positionen eingesetzt werden können. Derartige verlustarme Lager sind für das Lagern derjenigen Abschnitte der Architektur 700 besonders gut geeignet, die rotierende Komponenten aufweisen, die aus Materialien geringer Dichte hergestellt sind.

[0098] Im Betrieb ermöglicht die Rotorwelle 125 es, dass der Turbinenabschnitt 115 den Ladungsverdichter (160, wie in Fig. 1 gezeigt) antreibt. Der Wellenstumpf 620 kann mit einer geringeren Betriebsdrehzahl als die Rotorwelle 125 rotieren, was die Schaufeln 710 der vorderen Stufe 610 dazu bringt, mit einer langsameren Drehzahl als die Schaufeln 715 in den mittleren und hinteren Stufen der Stufe 615 (die mit der Rotorwelle 125 verbunden sind) zu rotieren. In einer anderen Ausführungsform kann der Wellenstumpf 620 zum Drehen der Schaufeln 710 der Stufe 610 in einer anderen Richtung als die Schaufeln 715 der Stufe 615 eingesetzt werden. Indem bewirkt wird, dass die rotierenden Schaufeln 710 der Stufe 610 mit einer geringeren Drehzahl und/oder in eine andere Richtung als die Schaufeln 715 der Stufe 615 rotieren, kann ermöglicht werden, dass der Wellenstumpf 620 die Drehzahl der vorderen Stufen der Schaufeln (z.B. auf etwa 3000 UpM) verlangsamt, während die Rotorwelle 125 die Drehzahl der rotierenden Schaufeln 135 des Turbinenabschnitts 115 und somit die Drehzahl des Ladungsverdichters 160 für einen Betrieb bei einer konstanten Drehzahl (z.B. 3600 UpM) aufrechterhalten kann.

[0099] Das Verlangsamen der Drehzahl der vorderen Stufen der Schaufeln 710 in der Stufe 610 im Vergleich zu den mittleren und hinteren Stufen der Schaufeln 715 in der Stufe 615 ermöglicht die Verwendung grösserer Schaufeln in den vorderen Stufen. Durch ihre grössere Grösse wird die Luftströmung (oder Gasströmung) durch den Verdichterabschnitt 605 im Vergleich mit einem herkömmlichen Verdichter erhöht, was bedeutet, dass eine grössere Luftströmung durch die Gasturbine 20 strömt. Mehr Luftströmung durch die Gasturbine 20 bedeutet eine höhere Ausgabeleistung.

[0100] Ferner können, weil die rotierenden Schaufeln 710 der vorderen Stufen mit reduzierter Drehzahl arbeiten können, Befestigungsbeanspruchungen, die typischerweise in diesen Stufen auftreten, gemildert werden. Dadurch gestattet, wenn ein Verdichterhersteller es wünscht, weiterhin Schaufeln aus einem Material hoher Dichte in den vorderen Stufen einzusetzen, die langsamere Drehzahl der vordere Stufe 610 es den rotierenden Schaufeln der vorderen Stufen, in grösseren Grössen hergestellt zu werden und dennoch innerhalb der vorgeschriebenen AN<2>-Grenzen zu bleiben. Die US Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 14/460 560 und dem Titel «MULTI-STAGE AXIAL COMPRESSOR ARRANGEMENT (mehrstufige Axialverdichteranordnung)», Anwaltsaktenzeichen Nr. 257 269-1, die gleichzeitig mit der vorliegenden eingereicht wurde und durch Verweis hierin mit aufgenommen ist, liefert weitere Einzelheiten zu der Verwendung eines Wellenstumpfs zum Erreichen einer langsameren Drehzahl in den vorderen Stufen eines Verdichters.

[0101] Fig. 8 ist ein schematisches Diagramm einer Gasturbinenarchitektur 800, die eine Frontantrieb-Gasturbine 22 mit einem Wiedererhitzungsabschnitt 205 aufweist. Die Architektur 800 enthält ferner einen Wellenstumpf 620 zum Reduzieren der Drehzahl der vorderen Stufen eines Verdichters in der Gasturbine 22, mindestens ein verlustarmes Lager, das ein Verlustarmes Schmiermittel aufweist, und mindestens eine rotierende Komponente, das aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das verlustarme Lager, das ein verlustarmes Schmiermittel aufweist, kann an einer oder mehreren Positionen in Verbindung mit Lagern vom Monotyp oder Hybridtyp, die ein Fluid sehr geringer Viskosität aufweisen, und/oder herkömmlichen Lagern mit Hochviskositätsöl eingesetzt werden. Wie vorstehend erörtert, stehen die Lager 140 mit einer Lagerfluidversorgungseinheit 150 in Fluidverbindung, wie in Fig. 2 veranschaulicht.

[0102] In dieser Ausführungsform kann der Wiedererhitzungsabschnitt 205 zu der in Fig. 7 veranschaulichten Konfiguration hinzugefügt werden. Bei dieser Anordnung können die rotierenden Schaufeln 705 und 710 in den Stufen 610 bzw. 615 des Verdichterabschnitts 605, die rotierenden Schaufeln 135 des Turbinenabschnitts 115, die rotierenden Schaufeln 220 des Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitts 215 und/oder die rotierenden Schaufeln (165) des Ladungsverdichters (160) Schaufeln aufweisen, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt sind.

[0103] Wiederum ist dies eine mögliche Realisierung und soll den Umfang der Architektur 800 nicht einschränken. Beispielsweise kann irgendeine Anzahl von Schaufeln geringer Dichte in Kombination mit Schaufeln anderer Materialarten (z.B. Materialien hoher Dichte) im Antriebsstrang vorliegen, solange mindestens ein rotierende Komponente vorhanden ist, die ein Material geringer Dichte aufweist. Alternativ oder zusätzlich können rotierende Komponenten, bei denen es sich nicht um Schaufeln handelt, aus Materialien geringer Dichte in einem oder mehreren Abschnitten hergestellt sein. Die Gasturbine 22 von Fig. 8 kann für die Gasturbine 12 in denjenigen Antriebsstrangarchitekturen ersetzt werden, die eine Gasturbine mit einem Wiedererhitzungsabschnitt 205, einschliesslich der Antriebsstrangarchitektur 200 von Fig. 2 , aufweisen.

[0104] Fig. 9 ist eine schematische Darstellung einer Gasturbinenarchitektur 900, die eine Mehrwellengasturbine 26 mit einer Niedergeschwindigkeitstrommel 805 und einer Hochgeschwindigkeitstrommel 905 aufweist. Die Gasturbine 26 enthält ferner mindestens ein verlustarmes Lager 140, das ein verlustarmes Schmiermittel zur Verwendung bei dem Antriebsstrang der Gasturbine gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist. Die Gasturbine 26 von Fig. 9 kann für die Frontantrieb-Gasturbine 10 in der Anstriebsstrangarchitektur 100, die in Fig. 1 gezeigt ist, ersetzt werden.

[0105] In dieser Ausführungsform weist ein Verdichter 805 einen Niederdruckverdichter 810 und einen Hochdruckverdichter 815 auf, der von dem Niederdruckverdichter 810 durch Luft getrennt ist. Ausserdem weist die Gasturbinenarchitektur 900 eine Turbine 1000 auf, die eine Niederdruckturbine 1010 und eine Hochdruckturbine 1015 aufweist, die von der Niederdruckturbine 1010 durch Luft getrennt ist. Die Niedergeschwindigkeitstrommel 805 kann den Niederdruckverdichter 810 aufweisen, der durch die Niederdruckturbine 1010 angetrieben wird. Die Hochgeschwindigkeitstrommel 905 kann den Hochdruckverdichter 815 aufweisen, der durch die Hochdruckturbine 1015 angetrieben wird. Bei dieser Architektur 900 kann die Niedergeschwindigkeitstrommel 805 den Ladungsverdichter (160, wie durch «zum Ladungsverdichter» angezeigt) mit einer gewünschten Drehzahl (z.B. 3600 UpM) antreiben, um mit einer gewünschten Frequenz (z.B. 60 Hz) zu arbeiten, während die Hochgeschwindigkeitstrommel 905 mit einer Drehzahl arbeiten kann, die höher ist als diejenige der Niedergeschwindigkeitstrommel (z.B. mehr als 3600 UpM) ist, wobei eine Doppeltrommelanordnung gebildet ist.

[0106] In Fig. 9 kann mindestens eines der Lager 140, die den Antriebsstrang 900 lagern, ein verlustarmes Lager sein, das ein verlustarmes Schmiermittel aufweist. Das verlustarme Lager mit Schmierung kann in Verbindung mit verlustarmen Lagern vom Monotyp oder Hybridtyp, die ein Fluid sehr geringer Viskosität aufweisen, und/oder mit herkömmlichen Lagern mit Hochviskositätsöl eingesetzt werden. Die Lager 140 stehen mit mindestens einer Lagerfluidversorgungseinheit 150 in Fluidverbindung, wie beispielsweise in Fig. 1 gezeigt.

[0107] Fig. 9 zeigt, dass die rotierenden Schaufeln 820, 825 der Verdichterabschnitte 810, 815, die rotierenden Schaufeln 1020, 1025 der Turbinenabschnitte 1010, 1015 und die rotierenden Schaufeln (165) des Ladungsverdichters (160) aus einem Material geringer Dichte hergestellt sein können, wie durch die gestrichelten Linien angezeigt. Dies ist eine mögliche Realisierung und soll den Umfang der Architektur 900 nicht einschränken. Wiederum kann irgendeine Kombination rotierender Komponenten geringer Dichte (z.B. Schaufeln), die zusammen mit rotierenden Komponenten (z.B. Schaufeln) eingesetzt werden, die aus verschiedenen Zusammensetzungen (z.B. Materialien hoher Dichte) hergestellt sind, vorliegen, solange mindestens eine rotierende Komponente, die im Antriebsstrang eingesetzt wird, vorhanden ist, die ein Material geringer Dichte aufweist. In mindestens einer Ausführungsform werden die Materialien geringer Dichte in einer oder mehreren rotierenden Komponenten in dem/den Abschnitt(en) der Antriebsstrangarchitektur 900, die durch verlustarme Lager, insbesondere verlustarme Lager mit Schmierung, gelagert ist, verwendet.

[0108] Optional kann ein Drehmoment ändernder Mechanismus 1208 – wie beispielsweise ein Getriebe, ein Drehmomentumwandler, ein Getriebesatz oder dergleichen – entlang der Niedergeschwindigkeitstrommel 805 zwischen der Gasturbine 26 und dem Ladungsverdichter (nicht gezeigt, aber durch «zum Ladungsverdichter» angezeigt) positioniert sein. Wenn ein Drehmoment ändernder Mechanismus 1208 eingeschlossen ist, bietet der Drehmoment ändernde Mechanismus 1208 eine Ausgabekorrektur, derart, dass die Niedergeschwindigkeitstrommel 805 mit einer Drehzahl von mehr als 3600 UpM arbeiten und den Ladungsverdichter mit einer geringeren Drehzahl von 3600 UpM antreiben und dennoch eine Betriebsausgabe von 60 Hz erreichen kann. Eine derartige Anordnung kann bei einigen mechanischen Antriebsanordnungen wünschenswert sein.

[0109] Wie hier beschrieben, beschreiben Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verschiedene mechanische Antriebsarchitekturen, die verlustarme Lager mit Schmierung und Materialien geringer Dichte als Teil des Antriebsstrangs, der für industrielle Anwendungen eingesetzt wird, verwendet können. Diese Architekturen von durch Gasturbine angetriebenen mechanischen Antrieben mit verlustarmen Lagern mit Schmierung und Materialien geringer Dichte können eine hohe Luftströmungsrate im Vergleich mit anderen Antriebssträngen liefern, bei denen herkömmliche Öllager und Materialien hoher Dichte eingesetzt werden. Ausserdem erfolgt diese Lieferung einer höheren Luftströmungsrate, während viskose Verluste, die typischerweise durch Verwendung von Lagern auf der Basis von Öl hoher Viskosität in den Antriebsstrang eingebracht werden, reduziert werden. Die Verwendung der verlustarmen Lager mit Schmierung kann in eine Reduktion von Wartungskosten umgesetzt werden, da viele der Komponenten, die zu den Lagern mit Öl hoher Viskosität gehören, entfernt oder grössenmässig reduziert werden können.

[0110] Die hier verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck des Beschreibens spezieller Ausführungsformen und soll die Offenbarung nicht einschränken. Wie hier verwendet, sollen die Singularfomen «ein», «eine» und «der/die/das» auch die Pluralformen einschliessen, es sei denn, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig auf etwas anderes hinweist. Es wird ferner verstanden, dass die Ausdrücke «aufweist», «aufweisend», «enthält», «enthaltend» und «haben», wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorliegen der angegebenen Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten angeben, jedoch das Vorhandensein oder die Hinzunahmen einer/eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschliessen. Es sollte ferner verstanden werden, dass die Ausdrücke «vordere» bzw. «Front-» und «hintere» bzw. «Heck-» nicht einschränkend sein sollen und, wenn angebracht, austauschbar sein sollen.

[0111] Während die Offenbarung speziell im Zusammenhang mit einer bevorzugten Ausführungsform von dieser gezeigt und beschrieben worden ist, wird man sich im Klaren darüber sein, dass Variationen und Modifikationen Fachleuten auf dem Gebiet der Technik einfallen werden. Daher sollte verstanden werden, dass die angefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen und Veränderungen, wie sie innerhalb des wahren Rahmens der Offenbarung fallen, einschliessen sollen.

[0112] Mechanische Antriebsarchitekturen können eine Gasturbine enthalten, die einen Verdichterabschnitt, einen Turbinenabschnitt und einen Brennkammerabschnitt aufweist. Durch die Gasturbine wird ein Ladungsverdichter angetrieben. Eine Rotorwelle erstreckt sich durch die Gasturbine und den Ladungsverdichter. Mindestens eine der rotierenden Komponenten in der Gasturbine oder dem Ladungsverdichter enthält ein Material geringer Dichte. Lager lagern die Rotorwelle innerhalb der Gasturbine und des Ladungsverdichters, wobei mindestens eines der Lager ein verlustarmes Lager mit Schmierung ist.

Claims (10)

1. Mechanische Antriebsarchitektur, die aufweist: eine Gasturbine, die einen Verdichterabschnitt, einen Turbinenabschnitt und einen Brennkammerabschnitt aufweist, der mit dem Verdichterabschnitt und dem Turbinenabschnitt betriebsmässig verbunden ist; einen Ladungsverdichter, der durch die Gasturbine angetrieben ist; eine Rotorwelle, die sich durch den Verdichterabschnitt und den Turbinenabschnitt der Gasturbine und den Ladungsverdichter erstreckt; und mehrere Lager zum Lagern der Rotorwelle innerhalb der Gasturbine und des Ladungsverdichters, wobei mindestens eines der Lager ein verlustarmes Lager ist, das ein verlustarmes Schmiermittel aufweist; wobei der Verdichterabschnitt, der Turbinenabschnitt und der Ladungsverdichter jeweils mehrere rotierende Komponenten aufweisen, wobei mindestens eine der rotierenden Komponenten in mindestens einem von dem Verdichterabschnitt, dem Turbinenabschnitt und dem Ladungsverdichter ein Material geringer Dichte aufweist.

2. Mechanische Antriebsarchitektur nach Anspruch 1, die ferner mindestens ein verlustarmes Lager aufweist, das ein Fluid sehr geringer Viskosität und/oder mindestens ein herkömmliches Öllager aufweist.

3. Mechanische Antriebsarchitektur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Rotorwelle eine Einwellenanordnung aufweist; und/oder wobei die Gasturbine eine Heckendantrieb-Gasturbine aufweist; und/oder wobei die mechanische Antriebsarchitektur ferner ein Lastankopplungselement zur Verbindung des Ladungsverdichters mit der Gasturbine entlang der Rotorwelle aufweist.

4. Mechanische Antriebsarchitektur nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Rotorwelle eine Mehrwellenanordnung aufweist, die eine erste Rotorwelle, die sich durch den Verdichterabschnitt und den Turbinenabschnitt hindurch erstreckt, und eine zweite Rotorwelle, die sich durch den Ladungsverdichter erstreckt, aufweist, wobei jede von der ersten Rotorwelle und der zweiten Rotorwelle durch die mehreren Lager gelagert ist; wobei die mechanische Antriebsarchitektur vorzugsweise ferner eine Getriebeanordnung aufweist, die zum Drehen der rotierenden Komponenten der Gasturbine mit einer anderen Drehzahl als die der rotierenden Komponenten in dem Ladungsverdichter konfiguriert ist.

5. Mechanische Antriebsarchitektur nach Anspruch 4, die ferner einen Arbeitsturbinenabschnitt aufweist, der mit der zweiten Rotorwelle verbunden ist, um den Ladungsverdichter anzutreiben; wobei der Arbeitsturbinenabschnitt mehrere rotierenden Komponenten aufweist, wobei mindestens eine der rotierenden Komponenten in dem Verdichterabschnitt, dem Turbinenabschnitt, dem Ladungsverdichter und dem Arbeitsturbinenabschnitt das Material geringer Dichte aufweist.

6. Mechanische Antriebsarchitektur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen Wiedererhitzungsabschnitt aufweist, der mit dem Turbinenabschnitt entlang der ersten Rotorwelle betriebsmässig verbunden ist, wobei der Wiedererhitzungsabschnitt einen Wiedererhitzungs-Brennkammerabschnitt und einen Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt mit mehreren rotierenden Komponenten aufweist; wobei mindestens eine der rotierenden Komponenten in dem Verdichterabschnitt, dem Turbinenabschnitt, dem Ladungsverdichter, dem Arbeitsturbinenabschnitt und dem Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt das Material geringer Dichte aufweist.

7. Mechanische Antriebsarchitektur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verdichterabschnitt vordere Stufen distal zu dem Brennkammerabschnitt, hintere Stufen proximal zu dem Brennkammerabschnitt und mittlere Stufen, die dazwischen angeordnet sind, aufweist, wobei jede von den vorderen Stufen, den mittleren Stufen und den hinteren Stufen mehrere rotierende Komponenten aufweist; wobei mindestens eine der rotierenden Komponenten in den vorderen Stufen, den mittleren Stufen und den hinteren Stufen des Verdichterabschnitts, des Turbinenabschnitts und des Ladungsverdichters das Material geringer Dichte aufweist; und wobei die mechanische Antriebsarchitektur ferner einen Wellenstumpf aufweist, der radial aussen von der Rotorwelle angeordnet ist und sich durch die vorderen Stufen derart erstreckt, dass die rotierenden Komponenten der vorderen Stufen, die um den Wellenstumpf angeordnet sind, mit einer langsameren Drehzahl arbeiten als die rotierenden Komponenten der mittleren und hinteren Stufen, die um die Rotorwelle herum angeordnet sind; wobei die mehreren Lager vorzugsweise Wellenstumpflager aufweisen, um den Wellenstumpf zu lagern, wobei mindestens eines der Wellenstumpflager ein verlustarmes Lager mit Schmierung aufweist.

8. Mechanische Antriebsarchitektur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verdichterabschnitt einen Niederdruckverdichterabschnitt und einen Hochdruckverdichterabschnitt aufweist und der Turbinenabschnitt einen Niederdruckturbinenabschnitt und einen Hochdruckturbinenabschnitt aufweist; wobei der Hochdruckturbinenabschnitt den Hochdruckverdichterabschnitt antreibt und der Niederdruckturbinenabschnitt den Niederdruckverdichterabschnitt antreibt.

9. Mechanische Antriebsarchitektur nach Anspruch 8, wobei jeder von dem Niederdruckverdichterabschnitt, dem Hochdruckverdichterabschnitt, dem Niederdruckturbinenabschnitt und dem Hochdruckturbinenabschnitt mehrere rotierende Komponenten aufweist; und wobei mindestens eine der rotierenden Komponenten des Niederdruckverdichterabschnitts, des Hochdruckverdichterabschnitts, des Niederdruckturbinenabschnitts, des Hochdruckturbinenabschnitts und des Ladungsverdichters das Material geringer Dichte aufweist.

10. Mechanische Antriebsarchitektur nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Rotorwelle eine Doppeltrommelanordnung aufweist, die eine Niedergeschwindigkeitstrommel und eine Hochgeschwindigkeitstrommel aufweist, wobei die Niedergeschwindigkeitstrommel den Niederdruckturbinenabschnitt und den Niederdruckverdichterabschnitt aufweist und die Hochgeschwindigkeitstrommel den Hochdruckturbinenabschnitt und den Hochdruckverdichter abschnitt aufweist; wobei die Niedergeschwindigkeitstrommel und die Hochgeschwindigkeitstrommel vorzugsweise durch die mehreren Lager gelagert sind, wobei mindestens eines der Lager ein verlustarmes Lager mit Schmierung aufweist.