CH710000A2 - Antriebsstrangarchitektur mit verlustarmen Monotyp-Lagern und Materialien geringer Dichte. - Google Patents

Abstract

Es ist eine Antriebsstrangarchitektur (100) mit verlustarmen Monotyp-Lagern und Materialien geringer Dichte offenbart. Die bei dieser Architektur (100) verwendete Gasturbine (10) weist einen Verdichterabschnitt (105), einen Turbinenabschnitt (115) und einen Brennkammerabschnitt (110) auf. Ein Generator (120), der mit der Rotorwelle (125) verbunden ist, wird durch den Turbinenabschnitt (115) angetrieben. Der Verdichterabschnitt (105), der Turbinenabschnitt (115) und der Generator (120) weisen rotierende Komponenten (130, 135) auf, wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten (130, 135) in einem von dem Verdichterabschnitt (105), dem Turbinenabschnitt (115) und dem Generator (120) ein Material geringer Dichte enthält. Lager (140) lagern die Rotorwelle (125) innerhalb des Verdichterabschnitts (105), des Turbinenabschnitts (115) und des Generators (120), wobei wenigstens eines der Lager (140) ein verlustarmes Monotyp-Lager ist.

Description

[0001] Diese Patentanmeldung steht mit den folgenden auf die gemeinsame Anmelderin übertragenen Anmeldungen in Beziehung: 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 Hybridlagern und Materialien geringer Dichte)», Anwaltsaktenzeichen 267305-1 (GEEN-480); 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 Monotyp-Lagern und Materialien geringer Dichte)», Anwaltsaktenzeichen 271 508-1 (GEEN-0539); US-Patentanmeldung Serien-Nr. 14/460 620, mit dem Titel «MECHANICAL DRIVE ARCHITECTURES WITH HYBRID-TYPE LOW-LOSS BEARINGS AND LOW-DENSITY MATERIAL (Mechanische Antriebsarchitekturen mit verlustarmen Hybridlagern und Materialien geringer Dichte», Anwaltsaktenzeichen 271 509-1 (GEEN-0540); US-Patentanmeldung Serien-Nr. 14/460 560, mit dem Titel «MULTI-STAGE AXIAL COMPRESSOR ARRANGEMENT (Mehrstufige Axialverdichteranordnung)», Anwaltsaktenzeichen 257 269-1 (GEEN-0458); 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)», Anwaltsaktenzeichen 276 988; und US-Patentanmeldung Serien-Nr. 14/460 418, mit dem Titel «MECHANICAL DRIVE ARCHITECTURES WITH LOW-LOSS LUBRICANT BEARINGS AND LOW-DENSITY MATERIALS (Mechanische Antriebsarchitekturen mit verlustarmen Lagern mit Schmierung und Materialien geringer Dichte)», Anwaltsaktenzeichen 276 989. Jede oben identifizierte Patentanmeldung ist gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereicht worden und durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen.

HINTERGRUND

[0002] Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Antriebsstrangarchitekturen und insbesondere Gasturbinen, Dampfturbinen und Generatoren, die als Teil eines Antriebsstrangs in einer Energieerzeugungsanlage mit verlustarmen Monotyp-Lagern und Materialien geringer Dichte eingesetzt werden.

[0003] In einem Typ einer Energieerzeugungsanlage kann eine Gasturbine in Verbindung mit einem Generator eingesetzt werden, um allgemein den Antriebsstrang der Anlage zu bilden. Bei dieser Anlage verdichtet ein Verdichter mit Reihen rotierender Schaufeln und stationären Flügeln Luft und führt sie zu einer Brennkammer, in der die verdichtete Luft mit Brennstoff gemischt wird. In der Brennkammer werden die verdichtete Luft und Brennstoff verbrannt, um Verbrennungsprodukte (d.h. eine heisse Luft-Brennstoff-Mischung) zu bilden, die beim Durchgang durch die Schaufeln in einer Turbine expandiert werden. Dadurch drehen sich schnell oder rotieren die Schaufeln um eine Welle oder einen Rotor der Turbine. Der sich schnell drehende oder rotierende Turbinenrotor treibt den Generator an, der die Rotationsenergie in Elektrizität umwandelt.

[0004] Viele Gasturbinenarchitekturen, die bei einem derartigen Antriebsstrang einer Energieerzeugungsanlage eingesetzt werden, verwenden Gleitlager in Verbindung mit einem hochviskosen Schmiermittel (d.h. Öl) zur Lagerung der rotierenden Komponenten der Turbine, des Verdichters und des Generators. Öllager sind relativ preiswert in der Anschaffung, haben jedoch Kosten, die mit ihren zugehörigen Ölversorgungsvorrichtungen (z.B. für Pumpen, Behälter, Speicher usw.) verbunden. Ausserdem haben Öllager sehr hohe Wartungsinterallkosten und verursachen übermässige viskose Verluste in dem Antriebsstrang, die sich wiederum negativ auf die gesamte Leistungsausgabe einer Energieerzeugungsanlage auswirken können.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0005] In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Antriebsstrangarchitektur, die eine erste Gasturbine aufweist, offenbart. In diesem Aspekt weist die erste Gasturbine einen Verdichterabschnitt, einen Turbinenabschnitt und einen Brennkammerabschnitt auf, der mit dem Verdichterabschnitt und dem Turbinenabschnitt betriebsmässig verbunden ist. Eine erste Rotorwelle erstreckt sich durch den Verdichterabschnitt und den Turbinenabschnitt der ersten Gasturbine. Ein erster Generator, der mit der ersten Rotorwelle verbunden ist, wird durch den Turbinenabschnitt der ersten Gasturbine angetrieben. Mehrere Lager lagern die erste Rotorwelle innerhalb des Verdichterabschnitts und des Turbinenabschnitts der ersten Gasturbine und des ersten Generators, wobei wenigstens eines der Lager ein verlustarmes Monotyp-Lager ist. Ausserdem enthalten der Verdichterabschnitt, der Turbinenabschnitt und der erste Generator rotierende Komponenten, wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in einem von dem Verdichterabschnitt der ersten Gasturbine, dem Turbinenabschnitt der ersten Gasturbine und dem ersten Generator ein Material geringer Dichte aufweist.

[0006] In der zuvor erwähnten Antriebsstrangarchitektur kann die erste Rotorwelle eine Einwellenanordnung aufweisen, die einen Verdichterrotorwellenteil und einen Turbinenrotorwellenteil aufweist.

[0007] Die erste Gasturbine kann eine Heckendantriebsgasturbine aufweisen.

[0008] In einer beliebigen oben erwähnten Antriebsstrangarchitektur kann die erste Gasturbine ferner einen Wiedererhitzungsabschnitt aufweisen, 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 und wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in dem Verdichterabschnitt, dem Turbinenabschnitt, dem ersten Generator und dem Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt das Material geringer Dichte aufweisen kann.

[0009] In einer Ausführungsform kann die Antriebsstrangarchitektur ferner eine Dampfturbine aufweisen, die einen Hochdruckabschnitt und einen Niederdruckabschnitt und einen ersten Wärmetauscher aufweist, der mit der ersten Gasturbine und der Dampfturbine strömungsmässig verbunden ist, wobei jeder von dem Hochdruckabschnitt und dem Niederdruckabschnitt mehrere rotierende Komponenten aufweisen kann und wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in wenigstens einem von dem Verdichterabschnitt der ersten Gasturbine, dem Turbinenabschnitt der ersten Gasturbine, dem ersten Generator, dem Hochdruckabschnitt der Dampfturbine und dem Niederdruckabschnitt der Dampfturbine das Material geringer Dichte aufweisen kann.

[0010] In der zuletzt erwähnten Ausführungsform kann die Dampfturbine mehrere Lager zur Lagerung eines Dampfturbinenrotorwellenteils innerhalb des Hochdruckabschnitts und des Niederdruckabschnitts aufweisen, wobei wenigstens eines der Lager das verlustarme Monotyp-Lager ist.

[0011] Zusätzlich oder alternativ kann die Antriebsstrangarchitektur ferner ein Lastankopplungselement zum Verbinden des Dampfturbinenrotorwellenteils der Dampfturbine mit der ersten Gasturbine entlang der ersten Rotorwelle aufweisen.

[0012] Weitern zusätzlich oder als weitere Alternative kann die Antriebsstrangarchitektur ferner eine Kupplung aufweisen, die an der ersten Rotorwelle zwischen der Dampfturbine und der ersten Gasturbine angeordnet ist.

[0013] In der zuletzt erwähnten Ausführungsform einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann die erste Gasturbine eine Heckendantriebsgasturbine aufweisen.

[0014] In der zuletzt erwähnten Ausführungsform einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann die erste Gasturbine 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 rotierender Komponenten aufweist, wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in de Verdichterabschnitt, dem Turbinenabschnitt, dem ersten Generator, dem Hochdruckabschnitt der Dampfturbine, dem Niederdruckabschnitt der Dampfturbine und de Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt das Material geringer Dichte aufweisen kann.

[0015] Zusätzlich oder alternativ kann die Antriebsstrangarchitektur ferner eine zweite Rotorwelle, einen zweiten Generator und eine Dampfturbinenlager-Fluidersorgungseinheit aufweisen, wobei die Dampfturbine an der zweiten Rotorwelle mit dem zweiten Generator verbunden sein kann und die Dampfturbinenlager-Fluidversorgungseinheit mit der Dampfturbine strömungsmässig verbunden sein kann.

[0016] Bei der Antriebsstrangarchitektur der zuletzt erwähnten Art kann die erste Gasturbine eine Heckendantriebsgasturbine aufweisen.

[0017] In einer Ausführungsform kann die erste Gasturbine ferner einen Wiedererhitzungsabschnitt aufweisen, der mit dem Turbinenabschnitt entlang der ersten Rotorwelle betriebsmässig verbunden ist, wobei der Wiedererhitzungsabschnitt einen Wiedererhitzungs-Brennkammerabschnitt und einen Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt mit mehreren rotierender Komponenten aufweist, wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in dem Verdichterabschnitt, dem Turbinenabschnitt, dem ersten Generator, dem Hochdruckabschnitt der Dampfturbine, dem Niederdruckabschnitt der Dampfturbine, dem zweiten Generator und dem Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt das Material geringer Dichte aufweist.

[0018] In einer Ausführungsform kann die Antriebsstrangarchitektur ferner eine dritte Rotorwelle, einen dritten Generator und eine zweite Gasturbine aufweisen, wobei die zweite Gasturbine an der dritten Rotorwelle mit dem dritten Generator verbunden sein kann.

[0019] In der zuletzt erwähnten Ausführungsform kann die Antriebsstrangarchitektur ferner einen zweiten Wärmetauscher aufweisen, der mit der zweiten Gasturbine und der Dampfturbine strömungsmässig verbunden ist, wobei jede von den ersten und der zweiten Gasturbine mit einer gesonderten Gasturbinenlager-Fluidversorgungseinheit strömungsmässig verbunden sein kann.

[0020] In einer noch weiteren Ausführungsform kann das Antriebsstrangsystem ferner eine vierte Rotorwelle, einen vierten Generator und eine dritte Gasturbine aufweisen, wobei die dritte Gasturbine an der vierten Rotorwelle mit dem vierten Generator verbunden sein kann.

[0021] In der zuletzt erwähnten Ausführungsform kann das Antriebsstrangsystem ferner einen dritten Wärmetauscher aufweisen, der mit der dritten Gasturbine und der Dampfturbine strömungsmässig verbunden ist, wobei die dritte Gasturbine mit einer anderen Gasturbinenlager-Fluidversorgungseinheit strömungsmässig verbunden sein kann, die von denjenigen, die mit der ersten Gasturbine und der zweiten Gasturbine verbunden sind, gesondert ist.

[0022] Bei der Antriebsstrangarchitektur einer beliebigen oben erwähnten Art kann die erste Gasturbine ferner einen Arbeitsturbinenabschnitt aufweisen, wobei die erste Rotorwelle eine Mehrwellenanordnung aufweisen kann, die eine Rotorwelle, die sich durch den Verdichterabschnitt und den Turbinenabschnitt erstreckt, und eine weitere Rotorwelle aufweist, die sich durch den Arbeitsturbinenabschnitt und den ersten Generator erstreckt, wobei alle von den Rotorwellen durch die mehreren Lager gelagert sind und wobei die eine Rotorwelle konfiguriert sein kann, um mit einer Drehzahl zu arbeiten, die von einer Drehzahl der weiteren Rotorwelle, die mit einer konstanten Drehzahl arbeitet, verschieden ist.

[0023] Bei der Antriebsstrangarchitektur der zuletzt erwähnten Art kann der Arbeitsturbinenabschnitt mehrere rotierende Komponenten aufweisen, wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in dem Verdichterabschnitts, dem Turbinenabschnitt, dem ersten Generator und dem Arbeitsturbinenabschnitt das Material geringer Dichte aufweisen kann.

[0024] Zusätzlich oder alternativ kann die erste Gasturbine ferner einen Wiedererhitzungsabschnitt aufweisen, der mit dem Turbinenabschnitt entlang der einen Rotorwelle betriebsmässig verbunden ist, wobei der Wiedererhitzungsabschnitt einen Wiedererhitzungs-Brennkammerabschnitt und einen Wiederüberhitzungs-Turbinenabschnitt aufweist, die mehrere rotierende Komponenten aufweisen, wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in dem Verdichterabschnitt, dem Turbinenabschnitt, dem ersten Generator, dem Arbeitsturbinenabschnitt und dem Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt das Material geringer Dichte aufweisen kann.

[0025] In der oben erwähnten Antriebsstrangarchitektur, die den Arbeitsturbinenabschnitt aufweist, kann der Verdichterabschnitt der ersten Gasturbine vordere Stufen distal zu dem Brennkammerabschnitt, hintere Stufen proximal zu dem Brennkammerabschnitt und mittlere Stufen aufweisen, die dazwischen angeordnet sind, wobei jede von den vorderen Stufen, den hinteren Stufen und den mittleren Stufen mehrere rotierende Komponenten aufweist, wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in den vorderen Stufen des Verdichterabschnitts, den mittleren Stufen des Verdichterabschnitts, den hinteren Stufen des Verdichterabschnitts, dem Turbinenabschnitt, dem ersten Generator und dem Arbeitsturbinenabschnitt das Material geringer Dichte aufweist und wobei die Gasturbine einen Wellenstumpf aufweist, der sich durch die vordere Stufen erstreckt, wobei die rotierenden Komponenten der vorderen Stufen um den Wellenstumpf angeordnet sind, um mit einer geringeren Drehzahl zu arbeiten als die rotierenden Komponenten der mittleren und hinteren Stufen, die um die Rotorwelle angeordnet sind.

[0026] Zusätzlich können die mehreren Lager jede(n) von der einen Rotorwelle, der weiteren Rotorwelle und dem Wellenstumpf lagern, wobei wenigstens eines der mehreren Lager, die die eine Rotorwelle, die weitere Rotorwelle und den Wellenstumpf lagern, das verlustarme Monotyp-Lager sein kann.

[0027] In der Antriebsstrangarchitektur jeder beliebigen oben erwähnten Art kann der Verdichterabschnitt der ersten Gasturbine vordere Stufen distal zu dem Brennkammerabschnitt, hintere Stufen proximal zu dem Brennkammerabschnitt und mittlere Stufen aufweisen, die dazwischen angeordnet sind, wobei jede von den vorderen Stufen, den hinteren Stufen und den mittleren Stufen mehrere rotierende Komponenten aufweist, wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in den vorderen Stufen des Verdichterabschnitts, den mittleren Stufen des Verdichterabschnitts, den hinteren Stufen des Verdichterabschnitts, dem Turbinenabschnitt und dem ersten Generator das Material geringer Dichte enthalten kann und wobei die erste Gasturbine ferner einen Wellenstumpf aufweisen kann, der sich durch die vorderen Stufen erstreckt, wobei die rotierenden Komponenten der vorderen Stufen um den Wellenstumpf angeordnet sind, um mit einer geringeren Drehzahl zu arbeiten als die rotierenden Komponenten der mittleren und hinteren Stufen, die um die Rotorwelle angeordnet sind.

[0028] In der zuletzt erwähnten Antriebsstrangarchitektur können die mehreren Lager Wellenstumpflager zur Lagerung des Wellenstumpfs aufweisen, und wenigstens eines der Wellenstumpflager kann das verlustarme Monotyp-Lager aufweisen.

[0029] Zusätzlich oder alternativ kann die erste Gasturbine ferner einen Wiedererhitzungsabschnitt aufweisen, der mit dem Turbinenabschnitt entlang der ersten Rotorwelle betriebsmässig verbunden ist, wobei der Wiedererhitzungsabschnitt einen Wiedererhitzungs-Brennkammerabschnitt und einen Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt mit mehreren rotierender Komponenten aufweist, wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in den vorderen Stufen des Verdichterabschnitts, den mittleren Stufen des Verdichterabschnitts, den hinteren Stufen des Verdichterabschnitts, dem Turbinenabschnitt, dem ersten Generator und dem Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt das Material geringer Dichte aufweisen kann.

[0030] In jeder beliebigen oben erwähnten Antriebsstrangarchitektur kann der Verdichterabschnitt der ersten Gasturbine einen Niederdruckverdichterabschnitt und einen Hochdruckverdichterabschnitt aufweisen, die jeweils mehrere rotierende Komponenten aufweisen, wobei der Turbinenabschnitt der ersten Gasturbine einen Niederdruckturbinenabschnitt und einen Hochdruckturbinenabschnitt aufweisen kann, wobei jeder mehrere rotierende Komponenten aufweist, wobei die erste Rotorwelle eine Doppeltrommelwellenanordnung aufweisen kann, die eine Niedergeschwindigkeitstrommel und eine Hochgeschwindigkeitstrommel aufweist, wobei der Hochdruckturbinenabschnitt den Hochdruckverdichterabschnitt über die Hochgeschwindigkeitstrommel antreiben kann und der Niederdruckturbinenabschnitt den Niederdruckverdichterabschnitt und den ersten Generator über die Niedergeschwindigkeitstrommel antreiben kann.

[0031] Zusätzlich können die Niedergeschwindigkeitstrommel und die Hochgeschwindigkeitstrommel durch die mehreren Lager gelagert sein, wobei wenigstens eines der Lager das verlustarme Monotyp-Lager aufweist.

[0032] Ferner kann wenigstens eine der rotierenden Komponenten in wenigstens einem von dem Niederdruckverdichterabschnitt, dem Hochdruckverdichterabschnitt, dem Niederdruckturbinenabschnitt, dem Hochdruckturbinenabschnitt und dem ersten Generator das Material geringer Dichte aufweisen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0033] Merkmale und Vorteile der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden genaueren Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, die beispielhaft die Prinzipien dieser Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen, offensichtlich. <tb>Fig. 1<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Einfachzyklus-Antriebsstrangarchitektur, die eine Frontendantriebs-gasturbine, einen Generator, eine Lagerfluidversorgungseinheit enthält und ferner wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager und wenigstens eine rotierende Komponente enthält, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, bei Verwendung mit dem Antriebsstrang, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 2<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Einfachzyklus-Antriebsstrangarchitektur, die eine Heckendantriebs-gasturbine, einen Generator, eine Lagerfluidversorgungseinheit enthält und ferner wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager und wenigstens eine rotierende Komponente enthält, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, bei Verwendung mit dem Antriebsstrang, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 3<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Einfachzyklus-Antriebsstrangarchitektur, die eine Frontendantriebs-gasturbine, die einen Wiedererhitzungsabschnitt aufweist, einen Generator, eine Lagerfluidversorgungseinheit enthält und ferner wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager und wenigstens eine rotierende Komponente enthält, das aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, bei Verwendung mit dem Antriebsstrang, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 4<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Einwellendampfturbinen- und Generator(STAG)-Antriebsstrangarchitektur, die eine Frontendantriebsgasturbine, eine mehrstufige Dampfturbine, einen Generator, einen Wärmetauscher, eine Lagerfluidversorgungseinheit enthält und ferner wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager und wenigstens eine rotierende Komponente enthält, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, bei Verwendung mit dem Antriebsstrang, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 5<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer alternativen Architektur von Fig. 4 , die eine Einwellendampfturbinen-und Generator(STAG)-Antriebsstrangarchitektur veranschaulicht, die eine Frontendantriebsgasturbine, einen Generator, eine Kupplung, eine mehrstufige Dampfturbine, einen Wärmetauscher, eine Lagerfluidversorgungseinheit aufweist und ferner wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager und wenigstens eine rotierende Komponente aufweist, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, bei Verwendung mit dem Antriebsstrang, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 6<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Einwellendampf turbinen- und Generator(STAG)-Antriebsstrangarchitektur, die eine Heckendantriebsgasturbine, einen Generator, eine mehrstufige Dampfturbine, einen Wärmetauschers, eine Lagerfluidversorgungseinheit aufweist und ferner wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager und wenigstens eine rotierende Komponente aufweist, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, bei Verwendung mit dem Antriebsstrang, gemäss einer Ausführungsform der Erfindung; <tb>Fig. 7<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Einwellendampfturbinen- und Generator(STAG)-Antriebsstrangarchitektur, die eine Frontendantriebsgasturbine mit einem Wiedererhitzungsabschnitt, einen Generators, eine mehrstufige Dampfturbine, einen Wärmetauscher, eine Lagerfluidversorgungseinheit aufweist und ferner wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager und wenigstens eine rotierende Komponente aufweist, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, bei Verwendung mit dem Antriebsstrang, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 8<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Kombinationszyklus-Antriebsstrangarchitektur vom Zwei-zu-eins(2:1)-Typ, die zwei Frontantriebsgasturbinen (jeweils mit ihrem eigenen Generator, Wärmetauscher und ihrer eigenen Lagerfluid-versorgungseinheit) und eine mehrstufige Dampfturbine mit ihrem eigenen Generator und ihrer eigenen Lagerfluidversorgungseinheit aufweist und ferner wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager und wenigstens eine rotierende Komponente aufweist, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, bei Verwendung in einem oder mehreren der Antriebsstränge, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 9<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Kombinationszyklus-Antriebsstrangarchitektur vom Zwei-zu-eins(2:1)-Typ, die zwei Heckantriebsgasturbinen (jeweils mit ihrem eigenen Generator, Wärmetauscher und ihrer eigenen Lagerfluid-versorgungseinheit) und eine mehrstufige Dampfturbine mit ihrem eigenen Generator und ihrer eigenen Lagerfluidversorgungseinheit aufweist und ferner wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager und wenigstens eine rotierende Komponente aufweist, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, bei Verwendung mit einem oder mehreren der Antriebsstränge, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 10<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Kombinationszyklus-Antriebsstrangarchitektur vom Drei-zu-eins(3:1)-Typ, die drei Heckantriebsgasturbinen (jeweils mit ihrem eigenen Generator, Wärmetauscher und ihrer eigenen Lagerfluid-versorgungseinheit) und eine mehrstufige Dampfturbine mit ihrem eigenen Generator und ihrer eigenen Lagerfluidversorgungseinheit aufweist und ferner wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager und wenigstens eine rotierende Komponente aufweist, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, bei Verwendung mit einem oder mehreren der Antriebsstränge, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 11<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Mehrwellen-Kombinationszyklus-Antriebsstrangarchitektur, die eine Frontantriebsgasturbine, die an einer ersten Welle mit einem ersten Generator verbunden ist und eine erste Lagerfluidversorgungseinheit aufweist, und eine mehrstufige Dampfturbine aufweist, die an einer zweiten Welle mit einem zweiten Generator verbunden ist und eine zweite Lagerfluidversorgungseinheit aufweist, und ferner einen Wärmetauscher, wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager und wenigstens eine rotierende Komponente aufweist, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, bei Verwendung mit einem oder mehreren der Antriebsstränge, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 12<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Mehrwellen-Kombinationszyklus-Antriebsstrangarchitektur, die eine Heckantriebsgasturbine, die an einer ersten Welle mit einem ersten Generators verbunden ist und eine erste Lagerfluidversorgungseinheit aufweist, und eine mehrstufige Dampfturbine aufweist, die an einer zweiten Welle mit einem zweiten Generator verbunden ist und eine zweite Lagerfluidversorgungseinheit aufweist, und ferner einen Wärmetauscher, wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager und wenigstens eine rotierende Komponente aufweist, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, bei Verwendung mit einem oder mehreren der Antriebsstränge, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 13<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Mehrwellen-Kombinationszyklus-Antriebsstrangarchitektur, die eine Frontantriebsgasturbine mit einem Wiedererhitzungsabschnitt, der an einer erste Welle mit einem ersten Generator verbunden ist und eine erste Lagerfluidversorgungseinheit aufweist, und eine mehrstufige Dampfturbine aufweist, die an einer zweiten Welle mit einem zweiten Generator verbunden ist und eine zweite Lagerfluidversorgungseinheit aufweist, und ferner einen Wärmetauscher, wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager und wenigstens eine rotierende Komponente aufweist, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, bei Verwendung mit einem oder mehreren der Antriebsstränge, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 14<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Mehrwellen-Gasturbinenarchitektur, die eine Heckantriebsarbeitsturbine aufweist und ferner wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager und wenigstens eine rotierende Komponente aufweist, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, bei Verwendung mit dem Antriebsstrang, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 15<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Mehrwellen-Gasturbinenarchitektur, die eine Heckantriebsarbeitsturbine und einen Wiedererhitzungsabschnitt aufweist und ferner wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager und wenigstens eine rotierende Komponente aufweist, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, bei Verwendung mit dem Antriebsstrang, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 16<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Einwellen-Frontantriebsgasturbinenarchitektur, die einen Wellenstumpf und einen geschwindigkeitsreduzierenden Mechanismus zur Reduktion der Drehzahl von vorderen Stufen eines Verdichters aufweist und ferner wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager und wenigstens eine rotierende Komponente aufweist, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, bei Verwendung mit dem Antriebsstrang, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 17<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Einwellen-Frontantriebsgasturbinenarchitektur mit einem Wiedererhitzungsabschnitt, der einen Wellenstumpf und einen geschwindigkeitsreduzierenden Mechanismus zur Reduktion der Drehzahl der vorderen Stufen eines Verdichters aufweist und die ferner wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager und wenigstens eine rotierende Komponente aufweist, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, bei Verwendung mit dem Antriebsstrang, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 18<SEP>ist ein schematisches Diagramm einer Mehrwellen-Heckantriebsgasturbinenarchitektur, die eine Heckantriebsarbeitsturbine aufweist und ferner einen Wellenstumpf und einen geschwindigkeitsreduzierenden Mechanismus zur Reduktion der Drehzahl von vorderen Stufen eines Verdichters, wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager und wenigstens eine rotierende Komponente aufweist, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, bei Verwendung mit dem Antriebsstrang, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und <tb>Fig. 19<SEP>ist ein Schematisches Diagramm einer Mehrwellen-Frontantriebsgasturbinenarchitektur, die einen Niederdruckverdichterabschnitt, der mit einem Niederdruckturbinenabschnitt über eine Niedergeschwindigkeitstrommel verbunden ist, und eine Hochdruckverdichterabschnitt aufweist, der mit einem Hochdruckturbinenabschnitt über eine Hochgeschwindigkeitstrommel verbunden ist, und ferner wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager und wenigstens eine rotierende Komponente aufweist, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, bei Verwendung mit dem Antriebsstrang, und optional einen Drehmoment ändernden Mechanismus aufweist, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0034] Wie oben erwähnt, verwenden viele Gasturbinenarchitekturen, die in Energieerzeugungsanlagen eingesetzt werden, Gleitlager in Verbindung mit einem hochviskosen Schmiermittel (d.h. Öl) zur Lagerung der rotierenden Komponenten der Turbine, des Verdichters und des Generators. Öllager weisen hohe Wartungsintervallkosten auf und verursachen übermässige viskose Verluste in dem Antriebsstrang, was sich wiederum negativ auf die gesamte Leistungsausgabe einer Energieerzeugungsanlage auswirken kann. Es sind auch Kosten mit den Ölversorgungseinheiten, die mit den Öllagern einhergehen, verbunden.

[0035] Verlustarme Lager sind eine Alternative zur Verwendung von Öllagern. Jedoch handelt es sich bei gewissen Gasturbinenarchitekturen, die in einem Antriebsstrang einer Energieerzeugungsanlage (d.h. in Anlagen mit Leistungen von 50 Megawatt (MW) oder mehr) verwendet werden, um schwierige Anwendungen für die Verwendung von verlustarmen Lagern. Speziell nimmt mit zunehmender Gasturbinengrösse der stützende Auflagerbereich mit dem Quadrat des Rotorwellendurchmessers zu, während das Gewicht der Antriebsstrangarchitektur mir der dritten Potenz des Rotorwellendurchmessers zunimmt. Daher sollten, um verlustarme Lager auszuführen, die Vergrösserung des Auflagerbereichs und die Zunahme des Gewichts sich proportional entsprechen. So ist es wünschenswert, Materialien leichten Gewichts oder geringer Dichte für den Antriebsstrang zu integrieren, was zur Förderung der gewünschten Proportionalität beiträgt.

[0036] Zusätzlich zur Schaffung einer Antriebsstrangarchitektur, 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, verbessern. Bisher ist das Erzeugen einer höheren 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 zur Erzeugung der gewünschten 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 Betriebs aufgrund starker Zentrifugalkräfte, die durch die Rotation der längeren und schwereren Schaufeln ausgelöst werden, stark beansprucht zu werden. Insbesondere erfahren die Schaufeln in den vorderen Stufen starke Zentrifugalkräfte aufgrund der hohen Drehzahl der Laufräder, was wiederum die Schaufeln beansprucht. Die starken Befestigungsbeanspruchungen, die an den rotierenden Schaufeln in den vordere Stufen eines Axialverdichters auftreten können, werden problematisch, das es wünschenswert wird, die Grösse der Schaufeln zu erhöhen, um einen Verdichter zu erzeugen, der eine höhere Luftströmungsrate erzeugen kann, wie es für gewisse Anwendungen erforderlich ist.

[0037] Es wäre daher wünschenswert, eine Antriebsstrangarchitektur für eine Energieerzeugungsanlage bereitzustellen, in der ein oder mehrere verlustarme Lager integriert sind, die in Verbindung mit Materialien geringer Dichte eingesetzt werden, wie sie in Gasturbinen, Dampfturbinen oder Generatoren angewendet werden. Derartige Architekturen können eine grössere Leistungsausgabe bei geringeren viskosen Verlusten bieten, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Energieerzeugungsanlage erhöht wird.

[0038] Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind auf die Schaffung von Antriebsstrangarchitekturen, die eine Gasturbine mit verlustarmen Monotyp-Lagern und Materialien geringer Dichte aufweisen, als Teil einer Energieerzeugungsanlage gerichtet.

[0039] Wie hierin verwendet, ist «eine Antriebsstrangarchitektur» eine Anordnung von sich bewegenden Teilen, die die rotierenden Komponenten eines/einer oder mehrerer von einem Generator, einem Verdichterabschnitt, einem Turbinenabschnitt, einem Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt, einem Arbeitsturbinenabschnitt und einer Dampfturbine aufweisen können, die bei der Leistungserzeugung gemeinsam miteinander kommunizieren. Die Antriebsstrangarchitektur ist ein Teilsatz der in einer Energieerzeugungsanlage verwendeten gesamten Energieanlagenausrüstung. Die Formulierungen «Antriebsstrangarchitektur» und «Antriebsstrang «können austauschbar verwendet werden.

[0040] Wie hier verwendet, ist ein «verlustarmes Monotyp-Lager» bzw. «verlustarmes Lager vom Monotyp» eine primäre Lageranordnung, die ein einziges Arbeitsfluid aufweist, das eine sehr geringer Viskosität aufweist, und die, wenn sie installiert ist, ein begleitendes sekundäres Lager aufweist, das ein Rollenlagerelement ist. Die «primäre Lageranordnung» kann ein Zapfenlager, ein Drucklager oder ein zu einem Drucklager benachbartes Zapfenlager sein. Beispiele für Fluide «sehr geringer Viskosität», die in den vorliegenden verlustarmen Monotyp-Lagern verwendet werden, haben eine Viskosität, die geringer als diejenige von Wasser (z.B. 1 Centipoise bei 20 °C) ist, und können, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, enthalten: Luft (z.B. in Hochdruckluftlagern), Gas (z.B. in Hochdruckgaslagern), Magnetfluss (z.B. in Hochflussmagnetlagern) 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. Beispiele für «Rollenlagerelemente», die als die sekundären oder Reservelager eingesetzt werden, umfassen Tonnenlager, konische Rollenlager, Kegelrollenlager und Keramikrollenlager.

[0041] 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 und 135) geeignet ist, wie sie in den Figuren veranschaulicht und hier beschrieben sind, umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt: Verbundstoffmaterialien einschliesslich Keramikmatrixverbundstoffe (CMC), organische Matrixverbundstoffe (OMC), Polymer-Glasverbundstoffe (PGC), Metallmatrixverbundstoffe (MMC), 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, TiAl2, 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.

[0042] Die Verwendung der Formulierung «Material geringer Dichte» in der vorliegenden Anmeldung, einschliesslich der Ansprüche, sollte 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.

[0043] In den Figuren ist die Verwendung von Materialien geringer Dichte durch eine gestrichelte Linie in dem entsprechenden Abschnitt des Antriebsstrangs, in dem derartige Materialien geringer Dichte eingesetzt werden können, dargestellt. Um die Verwendung eines Materials geringer Dichte innerhalb der rotierenden Komponenten des Generators darzustellen, wird eine Kreuzschraffierung verwendet. Obwohl die Figuren die Materialien geringer Dichte, die in den meisten oder allen Abschnitten der Antriebsstrangarchitekturen eingesetzt werden, veranschaulichen können, sollte verständlich sein, dass die Materialien geringer Dichte auf einen oder mehrere Abschnitte des Antriebsstrangs beschränkt sein können.

[0044] 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 aufweisen); 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, Edelstahltyp AISI 410 und dergleichen).

[0045] Die technischen Effekte davon, dass Antriebsstrangarchitekturen mit verlustarmen Monotyp-Lagern und Materialien geringer Dichte, wie hier beschrieben, vorgesehen sind, bestehen darin, dass diese Architekturen: (a) die Möglichkeit bereitstellen, verlustarme Lager in einem Antriebsstrang einzusetzen, der ansonsten zu schwer zu betreiben wäre; (b) die Neukonfiguration der Ölversorgungseinheit, die herkömmlicherweise zum Beliefern der Öllager in dem Antriebsstrang verwendet wird, gestatten; (c) eine hohe Ausgangslast liefern, während viskose Verluste überwunden werden, die typischerweise durch die Verwendung von ölbasierten Lagern in den Antriebsstrang eingebracht werden.

[0046] Das Liefern einer grösseren Menge Luftströmung durch Verwendung rotierender Schaufeln in der Gasturbine, die Materialien geringer Dichte aufweist, setzt sich in eine höhere Ausgabeleistung der Gasturbine um. 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 bleiben, um übermässige Befestigungsbeanspruchungen an den Schaufeln zu vermeiden, selbst wenn die Schaufeln aus Materialien geringer Dichte hergestellt sind. Es ist zu beachten, 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.

[0047] Fig. 1 bis 13 veranschaulichen verschiedene Antriebsstrangarchitekturen, die Gasturbinen, Dampfturbinen und/oder Generatoren aufweisen, die mehrere Lagerstellen aufweisen können. Fig. 14 bis 19 veranschaulichen verschiedene Gasturbinenarchitekturen, die mehrere Lagerstellen aufweisen können. Verlustarme Lager 140 können an irgendeiner beliebigen Stelle im ganzen Antriebsstrang, wie erwünscht, unabhängig von der Leistungsausgabe der Energieerzeugungsarchitektur, verwendet werden. Es kann empfehlenswert sein, Materialien geringer Dichte in Verbindung mit verlustarmen Lagern in Antriebsstrangarchitekturen, die 50 MW oder mehr Elektrizität erzeugen, einzusetzen, da die grössere Komponentengrösse und die damit verbundenen Gewichtserhöhungen bei Hochenergieerzeugungsanlagen die Verwendung von Materialien geringer Dichte erfordern können. In Antriebsstrangarchitekturen, die Ausgangsleistungen von weniger als 50 MW erzeugen (d.h. kleinen Antriebssträngen) wird die Möglichkeit in Betracht gezogen, dass verlustarme Lager ohne Materialien geringer Dichte in den rotierenden Komponenten eingesetzt werden können, obwohl bessere Leistung und/oder bessere Funktionsweise durch Verwendung von Materialien geringer Dichte zumindest bei einigen der rotierenden Komponenten erreicht werden kann bzw. können.

[0048] In denjenigen Fällen, in denen verlustarme Lager zur Lagerung eines speziellen Abschnitts der Antriebsstrangarchitektur eingesetzt werden, können Materialien geringer Dichte in den speziellen rotierenden Komponenten dieses Abschnitts des Antriebsstrangs eingesetzt werden. Beispielsweise kann, wenn die verlustarmen Lager einen Verdichterabschnitt lagern, Materialien geringer Dichte in einer oder mehreren der Stufen rotierender Schaufeln innerhalb des Verdichterabschnitts (wie durch gestrichelte Linien angezeigt) eingesetzt werden. Auf ähnliche Weise können dann, wenn die verlustarmen Lager einen Generator lagern, Materialien geringer Dichte in den rotierenden Komponenten des Generators (ebenfalls durch Kreuzschraffierung angezeigt) eingesetzt werden.

[0049] Der Ausdruck «rotierende Komponente» soll einen oder mehrere der sich bewegenden Teile eines Verdichterabschnitts, eines Turbinenabschnitts, eines Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitts, eines Arbeitsturbinenabschnitts, einer Dampfturbine und eines Generators, wie beispielsweise Schaufeln (auch als aerodynamische Profile bezeichnet), Abdeckplatten, Abstandhalter, Dichtungen, Deckbänder, Wärmeabschirmungen und irgendwelche Kombinationen dieser oder anderer sich bewegender Teile umfassen. Der Einfachheit wegen werden die rotierenden Schaufeln des Verdichters und der Turbine hier am häufigsten als aus einem Material geringer Dichte hergestellt bezeichnet. Jedoch sollte verständlich sein, dass andere Komponenten aus einem Material geringer Dichte zusätzlich zu oder anstatt der rotierenden Schaufeln eingesetzt werden können.

[0050] Obwohl die Beschreibungen, die mit Bezug auf die veranschaulichten Antriebsstrangarchitekturen folgen, zur Verwendung in einer kommerziellen oder industriellen Energieerzeugungsanlage bestimmt sind, sollen die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht ausschliesslich auf derartige Anwendungen beschränkt sein. Stattdessen sind die Konzepte der Verwendung verlustarmer Monotyp-Lager und rotierender Komponenten aus einem Material geringer Dichte auf alle Typen von Verbrennungsturbinen oder Rotationsmaschinen anwendbar, einschliesslich, jedoch nicht darauf beschränkt, einen eigenständigen Verdichter, wie beispielsweise eine mehrstufige Axialverdichteranordnung, Flugtriebwerke, Schiffskraftantriebe und dergleichen.

[0051] Bezugnehmend nun auf die Figuren, zeigt Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer Einwellen-Einfachzyklus-Antriebsstrangarchitektur 100 mit einer Gasturbine 10 und einem Generator 120. Wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager und wenigstens eine rotierende Komponente, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, werden bei dem Antriebsstrang der Gasturbine gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt. Wie in Fig. 1 gezeigt, weist die Gasturbine 10 einen Verdichterabschnitt 105, einen Brennkammerabschnitt 110 und einen Turbinenabschnitt 115 auf. Die Gasturbine 10 befindet sich in einer Frontendanordnung mit dem Generator 120 derart, dass der Generator sich in der Nähe des Verdichterabschnitts 105 befindet. Andere Architekturen für die Gasturbine 10 können verwendet werden, von denen viele in den folgenden Figuren, einschliesslich der Fig. 16 , 17 und 19 , veranschaulicht sind.

[0052] Fig. 1 und Fig. 2 – 19 veranschaulichen nicht alle der Verbindungen und Konfigurationen des Verdichterabschnitts 105, des Brennkammerabschnitts 110 und des Turbinenabschnitts 115. Jedoch können diese Verbindungen und Konfigurationen nach der herkömmlichen Technologie hergestellt werden. Beispielsweise kann der Verdichterabschnitt 105 eine Lufteinlassleitung aufweisen, die Zuluft zu dem Verdichter liefert. Eine erste Leitung kann den Verdichterabschnitt 105 mit dem Brennkammerabschnitt 110 verbinden und die Luft, die durch den Verdichterabschnitt 105 verdichtet worden ist, in den Brennkammerabschnitt 110 leiten. Der Brennkammerabschnitt 110 verbrennt die angelieferte verdichtete Luft mit einem Brennstoff, der von einer Brennstoffgasversorgung auf bekannte Weise bereitgestellt wird, um das Arbeitsfluid zu erzeugen.

[0053] Eine zweite Leitung kann das Arbeitsfluid von dem Brennkammerabschnitt 110 weg leiten und zu dem Turbinenabschnitt 115 führen, wo das Arbeitsfluid zum Antreiben des Turbinenabschnitts 115 verwendet wird. Insbesondere dehnt sich das Arbeitsfluid in dem Turbinenabschnitt 115 aus, wodurch die rotierenden Schaufeln 135 der Turbine 115 zum Rotieren um die Rotorwelle 125 veranlasst werden. Die Rotation der Schaufeln 135 verursacht, dass die Rotorwelle 125 rotiert. Auf diese Weise kann die mechanische Energie, die mit der rotierenden Rotorwelle 125 verbunden ist, zum Antreiben der rotierenden Schaufeln 130 des Verdichterabschnitts 105 verwendet werden, damit sie um die Rotorwelle 125 rotieren. Die Rotation der rotierenden Schaufeln 130 des Verdichterabschnitts 105 verursacht, dass er die verdichtete Luft an den Brennkammerabschnitt 110 zur Verbrennung liefert. Die Rotation der Rotorwelle 125 verursacht wiederum, dass Spulen des Generators 120 elektrische Energie erzeugen und Elektrizität erzeugen.

[0054] Eine übliche drehbare Welle, die als Rotorwelle 125 bezeichnet wird, verbindet den Verdichterabschnitt 105, den Turbinenabschnitt 115 und den Generator 120 entlang einer einzigen Linie derart, dass der Turbinenabschnitt 115 den Verdichterabschnitt 105 und den Generator 120 antreibt. Wie in Fig. 1 gezeigt, erstreckt sich die Rotorwelle 125 durch den Turbinenabschnitt 115, den Verdichterabschnitt 105 und den Generator 120. Bei dieser Einwellenanordnung kann die Rotorwelle 125 ein Verdichterrotorwellenteil, ein Turbinenrotorwellenteil und ein Generatorrotorwellenteil aufweisen, die gemäss herkömmlicher Technologie verbunden sind.

[0055] Verbindungskomponenten können das Turbinenrotorwellenteil, das Verdichterrotorwellenteil und das Generatorrotorwellenteil der Rotorwelle 125 verbinden, um in Zusammenarbeit mit den Lagern 140 zu arbeiten. Die Anzahl von Verbindungskomponenten und ihre Positionen entlang der Rotorwelle 125 kann je nach Konstruktion und Anwendung der Energieerzeugungsanlage, in der die Gasturbinenarchitektur arbeitet, variieren. In einigen Fällen in den Figuren kann eine vertikale Linie durch die Welle zum Darstellen einer Verbindungsstelle zwischen Segmenten der Rotorwelle 125 verwendet werden.

[0056] Ein repräsentatives Lastankopplungselement 104 ist in Fig. 1 (zwischen der Gasturbine 10 und dem Generator 120) als ein Beispiel veranschaulicht. Alternativ kann eine Kupplung 108 als das Lastankopplungselement 104 eingesetzt werden, wie in Fig. 5 (zwischen der Dampfturbine und dem Generator 120) gezeigt. Auf diese Weise sind die jeweiligen Rotorwellenteile, die mit den Verbindungselementen verbunden sind, durch jeweilige Lager 140 daran drehbar.

[0057] 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 Frontende des Verdichterabschnitts 105 entlang der Rotorwelle 125 an dem Teil, wo Luftströmung (oder eine Gasströmung) in den Verdichter durch Einlassleitschaufeln eintritt. 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. Dementsprechend wird die Länge der Schaufeln 130 in dem Verdichterabschnitt 105 von den vorderen zu den mittleren zu den hintere Stufen verringert.

[0058] Jede der Stufen in dem Verdichterabschnitt 105 kann rotierende Schaufeln 130 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. Die Laufschaufelreihen sind axial entlang der Rotorwelle 125 an Positionen angeordnet, die sich in den vorderen Stufen, den mittleren Stufen und den hintere Stufen befinden. Ausserdem kann jede der Stufen eine entsprechende Anzahl ringförmiger Reihen von stationären Leitschaufeln (nicht veranschaulicht) enthalten, die sich radial nach innen auf die Rotorwelle 125 zu in den vorderen Stufen, den mittleren Stufen und den hintere Stufen erstrecken. In einer Ausführungsform können die ringförmigen Reihen stationärer Leitschaufeln sich an dem Verdichtergehäuse (nicht veranschaulicht) befinden, das die Rotorwelle 125 umgibt.

[0059] 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 leisten und die Strömung zu lenken, während die stationären Leitschaufeln in jeder Stufe gewölbt sind, um die Strömung in eine Richtung zu lenken, 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.

[0060] 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 an dem vorderen oder Frontende des Turbinenabschnitts 115 entlang der Rotorwelle 125 an dem Teil, wo ein heisses verdichtetes Treibgas, das auch als Arbeitsfluid bezeichnet wird, von dem Brennkammerabschnitt 110 in den Turbinenabschnitt 115 zum Ausdehnen eintritt. Die mittleren und hinteren Stufen von Schaufeln sind die Schaufeln, die stromabwärts von den vorderen Stufen entlang der Rotorwelle 125 angeordnet sind, wo das Arbeitsfluid weiter expandiert wird. Dementsprechend nimmt die Länge der Schaufeln 135 in dem Turbinenabschnitt 115 von den vorderen zu den mittleren zu den hintere Stufen zu.

[0061] 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 für den Verdichterabschnitt 105 sind die Laufschaufelreihen des Turbinenabschnitts 115 axial entlang der Rotorwelle 125 an Positionen angeordnet, die sich in den vorderen Stufen, den mittleren Stufen und den hintere 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 hintere Stufen erstrecken. In einer Ausführungsform können die ringförmigen Reihen stationärer Leitschaufeln an dem Turbinengehäuse (nicht veranschaulicht), das die Rotorwelle 125 umgibt, angeordnet sein.

[0062] 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, um Arbeit zu verrichten die Strömung zu lenken, während die stationären Leitschaufeln in jeder Stufe gewölbt sind, um die Strömung in eine Richtung zu lenken, die zum Vorbereiten derselben für die Laufschaufeln der nächsten Stufe am besten geeignet ist.

[0063] Wie hier beschrieben, kann wenigstens eine der rotierenden Komponenten (z.B. Schaufeln 130, 135 und 165) in einem von dem Verdichterabschnitt 105 und dem Turbinenabschnitt 115 aus einem Material geringer Dichte ausgebildet sein. Fachleute werden erkennen, dass die Anzahl und Positionierung der rotierenden Schaufeln 130 und 135, die ein Material geringer Dichte aufweisen, durch die Konstruktion und Anwendung der Energieerzeugungsanlage, in der die Gasturbinenarchitektur arbeitet, variieren kann. Beispielsweise können einige oder alle der rotierenden Schaufeln 130 und 135 eines speziellen Abschnitts (d.h. des Verdichterabschnitts 105 oder des Turbinenabschnitts 115) ein Material geringer Dichte aufweisen. In Fällen, in denen die rotierenden Schaufeln 130 und 135 in einer oder mehreren Reihen oder Stufen aus einem Material geringer Dichte ausgebildet sind, können die rotierenden Schaufeln 130 und 135 in anderen Reihen oder Stufen aus einem Material hoher Dichte ausgebildet sein.

[0064] Unter Bezugnahme auf Fig. 1 lagern die Lager 140 die Rotorwelle 125 entlang des Antriebsstrangs. Beispielsweise kann ein Paar Lager 140 jeweils das Turbinenrotorwellenteil, das Verdichterrotorwellenteils der Gasturbine und das La-dungsverdichter-Rotorwellenteil der Rotorwelle 125 lagern. In einer Ausführungsform kann jedes Paar Lager 140 das Turbinenrotorwellenteil, das Verdichterrotorwellenteil und das Generatorrotorwellenteil an ihren jeweiligen entgegengesetzten Enden der Rotorwelle 125 lagern. Jedoch werden Fachleute erkennen, dass das Paar Lager 140 das Turbinenrotorwellenteil, das Verdichterrotorwellenteil und das Generatorrotorwellenteil an anderen geeigneten Stellen lagern kann. Ausserdem werden Fachleute erkennen, dass jedes von dem Turbinenrotorwellenteil, dem Verdichterrotorwellenteil und dem Generatorrotorwellenteil der Rotorwelle 125 nicht auf das Lagern durch ein Paar von Lagern 140 beschränkt ist. Das Lager 140, das zwischen dem Verdichterabschnitt 105 und dem Turbinenabschnitt 115 (das heisst unterhalb des Verdichters 110) gezeigt ist, kann in einigen Konfigurationen optional sein. Bei den verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen kann wenigstens eines der Lager 140 ein verlustarmes Monotyp-Lager aufweisen.

[0065] Die Lager 140 weisen Fluide auf, die von einer Lagerfluidversorgungseinheit 150 versorgt werden, was in Fig. 1 veranschaulicht ist. Die Lagerfluidversorgungseinheit 150 ist mit den Buchstaben «A» (für Luft), «G» (für Gas), «F» (für Magnetfluss), «S» (für Dampf) und «0» (für Öl) gekennzeichnet, obwohl verstanden werden sollte, dass eines oder eine Kombination dieser Fluide zur Versorgung der mehreren Lager 140 in dem Antriebsstrang verwendet werden kann. Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Architektur, die wenigstens ein Lager mit einem Fluid sehr geringer Viskosität aufweist, vorgezogen. Bei diesen Architekturen sind die Lager 140 von einem verlustarmen Typ - das heisst Lager, die ein Fluid sehr geringer Viskosität, wie Luft, Gas, Magnetfluss oder Dampf, wie oben beschrieben, aufweisen.

[0066] Die Lagerfluidversorgungseinheit 150 kann ein 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 erforderlichen Leitungen sind in den Figuren durch Pfeile von der Lagerfluidversorgungseinheit 150 zu jedem der Lager 140 dargestellt. In einigen Fällen kann es der Lagerfluidversorgungseinheit 150 möglich sein, zwei oder mehrere Arten von Fluiden (wie beispielsweise Öl und ein oder mehrere der oben beschriebenen Fluide sehr geringer Viskosität) bereitzustellen. Alternativ können in dem Fall, dass zwei oder mehrere unterschiedliche Lagertypen eingesetzt werden, Lagerfluidversorgungseinheiten 150 für jede Fluidart verwendet werden.

[0067] Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass die Wahl der verlustarmen Monotyp-Lager, die für die Lager 140 eingesetzt werden, durch die Konstruktion und Anwendung der Energieerzeugungsanlage, bei der die Antriebsstrangarchitektur arbeitet, variieren können. Beispielsweise können einige oder alle der Lager 140 verlustarme Monotyp-Lager sein. In denjenigen Abschnitten, in denen der Rotorwellenteil durch verlustarme Monotyp-Lager gelagert ist, kann es vorzuziehen sein, Materialien geringer Dichte in dem entsprechenden Abschnitt zu integrieren, um einen Abschnitt zu schaffen, dessen Gewicht leichter zu lagern und zu drehen ist.

[0068] Ausserdem werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass der Übersichtlichkeit wegen die in Fig. 1 gezeigte Antriebsstrangarchitektur und diejenigen, die nachfolgend in den Fig. 2 – 19 gezeigt sind, nur diejenigen Komponenten zeigen, die ein Verständnis der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung bieten. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass zusätzliche Komponenten vorhanden sind, bei denen es sich nicht um diejenigen, die in diese Figuren gezeigt sind, handelt. Beispielsweise könnte eine Gasturbinen- und Generatoranordnung sekundäre Komponenten, wie Gasbrennstoffkreise, eine Gasbrennstoffversorgungseinheit, Flüssigbrennstoffkreise, eine Flüssigkeitsbrennstoffversorgungseinheit, Strömungssteuerventile, ein Kühlsystem usw. aufweisen.

[0069] Bei einer Antriebsstrangarchitektur, wie denjenigen, die hier veranschaulicht sind, die mehrere Lager aufweist, sind die viskosen Anlagebilanz(BoP-)Verluste an jeder Stelle reduziert, wo ein verlustarmes Monotyp-Lager ein herkömmliches Lager mit viskosem Fluid ersetzt. So reduziert das Ersetzen mehrerer – wenn nicht aller – Lager mit viskosem Fluid durch verlustarme Lager, wie beschrieben, wesentlich viskose Verluste, wodurch der Wirkungsgrad des Antriebsstrangs bei einer Betriebsgrundlast und einer Betriebsteillast erhöht wird.

[0070] Die Effizienz und Leistungsausgabe der Antriebsstrangarchitektur kann durch Einsetzen rotierender Komponenten grösserer Radiallänge weiter 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 eines 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 Luft zum Erzeugen von Antriebsfluid zum Antreiben der Gasturbine verwendet werden, und verlustarme Lager können zur Lagerung des Antriebstrangsabschnitts eingesetzt werden, in dem rotierende Komponenten geringer Dichte angeordnet sind.

[0071] Es folgen unten kurze Beschreibungen der Antriebsstrangarchitekturen, die in den Fig. 2 – 13 veranschaulicht sind. Spezielle Gasturbinenarchitekturen, die in den in den Fig. 1 – 13 veranschaulichten Antriebsstrangarchitekturen verwendet werden können, sind in den Fig. 14 – 19 veranschaulicht. Alle diese Figuren veranschaulichen verschiedene Typen von Antriebssträngen, die in einer speziellen Energieerzeugungsanlage realisiert werden können. Obwohl jede Architektur auf eine andere Weise als die Konfiguration von Fig. 1 arbeiten kann, sind sie insofern ähnlich, als die Ausführungsformen von Fig. 2 – 9 wenigstens eine rotierende Komponente geringer Dichte (z.B. die rotierenden Schaufeln 130 und 135 des Verdichters 105 bzw. der Turbine 115) aufweisen können. Auf ähnliche Weise können diese Ausführungsformen wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager für die Lager 140 verwenden. Wie oben bemerkt, können einige oder alle der rotierenden Komponenten 130 und 135 aus einem Material geringer Dichte bestehen. Unter besonderer Bezugnahme auf die Schaufeln in den Verdichter- oder Turbinenabschnitten können rotierende Komponenten aus einem Material geringer Dichte durch Stufung mit rotierenden Komponenten aus einem Material hoher Dichte durchsetzt werden. Ebenso können einige oder alle der Lager 140 verlustarme Monotyp-Lager sein. Auf diese Weise können Lager von einem verlustarmen Lagertyp mit anderen Typen von Lagern, wie beispielsweise Öllagern, durchsetzt sein.

[0072] Ferner soll die Verwendung von rotierenden Komponenten geringer Dichte und verlustarmen Monotyp-Lagern in einem Antriebsstrang einer Energieerzeugungsanlage nicht bedeuten, dass sie auf die in Fig. 1 – 19 veranschaulichten Beispiele beschränkt sind. Stattdessen veranschaulichen diese Beispiele nur einige der möglichen Architekturen, bei denen die Verwendung von rotierenden Komponenten geringer Dichte und verlustarmen Monotyp-Lagern in einem Antriebsstrang einer Energieerzeugungsanlage realisiert werden kann. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass es viele Permutationen möglicher Konfigurationen der hier veranschaulichten Beispiele gibt. Der Umfang und Inhalt der verschiedenen Ausführungsformen sollen diese möglichen Permutationen sowie andere mögliche Antriebsstrangkonfigurationen einschliessen, die in einer Energieerzeugungsanlage, die eine Gasturbine einsetzt, realisiert werden können.

[0073] Ausserdem sind die Beschreibungen, die für die verschiedenen Architekturen mit ihren jeweiligen Generatoranordnungen folgen, auf Generatoren gerichtet, die in der Lage sind, mit verschiedenen Drehzahlen (gemessen in Umdrehungen pro Minute oder UpM) angetrieben zu werden, um mit einer gewünschten Ausgangsfrequenz zu arbeiten. Es ist nicht notwendig, dass der Turbinenabschnitt den Generator direkt mit 3600 UpM antreibt, um mit 60 Hz zu arbeiten, obwohl eine derartige Drehzahl und Leistung für viele Anwendungen erwünscht sein können. Beispielsweise können Mehrwellenanordnungen und/oder Drehmoment ändernde Mechanismen (wie in Fig. 19 ) zum Erreichen der gewünschten Generatorausgabe verwendet werden. Die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollen nicht auf irgendeinen speziellen Typ eines Generators beschränkt sein und sind daher auf eine weite Vielfalt von Generatoren, einschliesslich, jedoch nicht darauf beschränkt, folgende anwendbar: Zweipolgeneratoren, die mit einer Drehzahl von 3600 UpM zum Arbeiten bei 60 Hz rotieren; Vierpolgeneratoren, die mit einer Drehzahl von 1800 UpM zum Arbeiten bei 60 Hz rotieren; Zweipolgeneratoren, die mit einer Drehzahl von 3000 UpM zum Arbeiten bei 50 Hz rotieren; und Vierpolgeneratoren, die mit einer Drehzahl von 1500 UpM zum Arbeiten bei 50 Hz rotieren. Andere Drehzahlen und Ausgangsfrequenzen können für Antriebsstrangarchitekturen erwünscht und geeignet sein, die eine Ausgangsleistung von weniger als 50 MW erzeugen.

[0074] Fig. 2 veranschaulicht eine Einfachzyklus-Antriebsstrangarchitektur 200, die eine Heckantriebsgasturbine 12, einen Generator 120 und eine Lagerfluidversorgungseinheit 150 aufweist. Bei der Architektur 200 ist die Gasturbine 12 derart angeordnet, dass der Generator 120 über die Lastankopplung 104 mit dem Turbinenabschnitt 115 der Gasturbine verbunden ist, wodurch eine «Heckendantriebs»-Gasturbine 12 gebildet wird.

[0075] Wie bei der Architektur 100, die in Fig. 1 gezeigt ist, umfasst die Antriebsstrangarchitektur 200 wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager 140, das mit der Lagerfluidversorgungseinheit 150 in Fluidverbindung steht. Wenigstens eine rotierende Komponente (wie beispielsweise die Verdichterschaufeln 130 oder die Turbinenschaufeln 135) ist aus einem Material geringer Dichte gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt. Da die einzelnen Komponenten der Architektur 200 dieselben sind wie diejenigen der Architektur 100, wird auf die vorherige Erörterung von Fig. 1 Bezug genommen, und die Erörterung jedes Elements wird hier nicht wiederholt.

[0076] Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm einer Antriebsstrangarchitektur 300, die eine Frontantriebsgasturbine 14 mit einem Wiedererhitzungsabschnitt 205 aufweist. Wie in Fig. 3 gezeigt, umfasst der Wiedererhitzungsabschnitt 205 einen zweiten Brennkammerabschnitt 210 und einen zweiten Turbinenabschnitt 215, die auch als Wiedererhitzungs-Brennkammer bzw. Wiedererhitzungsturbine bezeichnet werden, stromabwärts vom ersten Brennkammerabschnitt 110 und dem ersten Turbinenabschnitt 115. Die Antriebsstrangarchitektur 300 umfasst wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager 140, das mit der Lagerfluidversorgungseinheit 150 in Fluidverbindung steht (wie oben beschrieben).

[0077] Bei dieser Ausführungsform können sowohl der Turbinenabschnitt 115 als auch der Turbinenabschnitt 215 rotierende Komponenten (wie beispielsweise die Schaufeln 135 bzw. 220) aufweisen, die wenigstens 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 130 in dem Verdichterabschnitt 105 ein Material geringer Dichte aufweisen. In einer anderen Ausführungsform kann wenigstens 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. einem Material hoher Dichte) bestehen können. Falls erwünscht, kann jede(r) 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, die rotierende Komponenten in dem Generator 120 aufweisen, können zusätzlich zu oder anstatt der rotierenden Schaufeln 130, 135, 220, die hier beschrieben sind, eingesetzt werden.

[0078] Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm einer Einwellen-Dampfturbinen- und Generator(STAG)-Antriebsstrangarchitektur 400, die eine Frontantriebsgasturbine 10, eine mehrstufige Dampfturbine 40, einen Generator 120 und eine Lagerfluidversorgungseinheit 150 enthält. Eine erste Lastankopplung 104 ist zwischen der Gasturbine 10 und dem Generator 120 positioniert. Die Dampfturbine 40 aufweist einen Hochdruck(HD)-Abschnitt 402, einen Zwischendruck(ZD)-Abschnitt 404 und einen Niederdruck(ND)-Abschnitt 406. Alternativ kann die Dampfturbine 40 einen Hochdruckabschnitt 402 und einen Niederdruckabschnitt (oder Abschnitt mit niedrigerem Druck) 406 aufweisen. Somit ist die Offenbarung nicht auf eine spezielle Anordnung der Dampfturbine 40 beschränkt. Eine zweite Lastankopplung 106 verbindet die Dampfturbine 40 mit dem Generator 120, wodurch die vereinigte Welle 125 vervollständigt ist. Verlustarme Monotyp-Lager 140 können zur Lagerung irgendeines oder aller der Abschnitte des Antriebsstrangs eingesetzt werden, wobei die verlustarmen Monotyp-Lager 140 mit der Lagerfluidversorgungseinheit 150 strömungsmässig verbunden sind.

[0079] Ebenfalls in Fig. 4 gezeigt ist ein Wärmetauscher wie beispielsweise ein Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (oder «WRDG») 50. Der WRDG 50 wandelt Wasser (W) in Dampf um, der an den Hochdruckabschnitt 402 der Dampfturbine 40, wie durch die gestrichelten Linien angezeigt, geliefert wird. Die Strömungswege des Dampfs sind durch gestrichelte Pfeile angezeigt, da Dampf der Reihe nach von dem Hochdruckabschnitt 402 zu dem Zwischendruckabschnitt 404 zu dem Niederdruckabschnitt 406 (oder im Falle einer zweistufigen Dampfturbine von dem Hochdruckabschnitt zu dem Niederdruckabschnitt) übermittelt wird. Energie aus einem Teil der Abgase («AG») aus dem Turbinenabschnitt 115 der Gasturbine 10 wird zum Erzeugen von Dampf in dem WRDG verwendet.

[0080] Materialien geringer Dichte können für die rotierenden Komponenten wenigstens eines von dem Verdichterabschnitt 104 der Gasturbine 10, dem Turbinenabschnitt 115 der Gasturbine 10, dem Hochdruckabschnitt 402 der Dampfturbine 40, dem Zwischendruckabschnitt 404 der Dampfturbine 40, dem Niederdruckabschnitt 406 der Dampfturbine 40 und dem Generator 120 verwendet werden. Die Verwendung von Materialien geringer Dichte (z.B. in den Schaufeln 130, 135) reduziert das Gewicht der Stufe, Stufen oder Komponenten, die gedreht werden, wodurch die Verwendung von verlustarmen Lagern 140 für den entsprechenden Abschnitt der Antriebsstrangarchitektur 400 ermöglicht wird.

[0081] Fig. 5 veranschaulicht eine Antriebsstrangarchitektur 500, die eine Variation der Antriebsstrangarchitektur 400, die in Fig. 4 gezeigt ist, ist. In Fig. 5 sind eine Einwellendampfturbine und ein Generator (STAG) mit einer Frontantriebsgasturbine 10, einem Generator 120, einer Kupplung 108, einer mehrstufige Dampfturbine 40, einem Wärmetauscher 50 und einer Lagerfluidversorgungseinheit 150 vorgesehen. Bei dieser Architektur 500 ist der Generator 120 über die Lastankopplung 104 mit dem Frontende (d.h. dem Verdichterabschnitt 105) der Gasturbine 10 verbunden und ferner über die Kupplung 108 mit der Dampfturbine 40 verbunden. Dampf, der von dem Wärmetauscher 50 geliefert wird, wird zu dem Hochdruckabschnitt 402 der Dampfturbine 40 geleitet, wobei der Dampf daraufhin durch den Zwischendruckabschnitt 404 (wenn er vorhanden ist) und den Niederdruckabschnitt 406 (wie durch gestrichelte Pfeile angezeigt) geleitet wird.

[0082] Materialien geringer Dichte können für die rotierenden Komponenten wenigstens eines von dem Verdichterabschnitt 105 der Gasturbine 10 (z.B. in den Schaufeln 130), dem Turbinenabschnitt 115 der Gasturbine 10 (z.B. in den Schaufeln 135), dem Hochdruckabschnitt 402 der Dampfturbine 40, dem Zwischendruckabschnitt 404 der Dampfturbine 40, dem Niederdruckabschnitt 406 der Dampfturbine 40 und dem Generator 120 verwendet werden. Verlustarme Monotyp-Lager 140 können zur Lagerung derjenigen Abschnitte der Antriebsstrangarchitektur 500 verwendet werden, die rotierende Komponenten aufweisen, die aus Materialien geringer Dichte hergestellt sind. Die verlustarmen Monotyp-Lager 140 sind mit der Lagerfluidversorgungseinheit 150, wie oben beschrieben, strömungsmässig verbunden.

[0083] Fig. 6 veranschaulicht eine Antriebsstrangarchitektur 600, die eine andere alternative Anordnung der Antriebsstrangarchitektur 400, die in Fig. 4 gezeigt ist, ist. In Fig. 6 sind eine Einwellendampfturbine und ein Generator (STAG) mit einer Heckantriebsgasturbine 12, einem Generator 120, einer mehrstufige Dampfturbine 40, einem Wärmetauscher 50 und einer Lagerfluidversorgungseinheit 150 versehen. Bei dieser Architektur 600 ist der Generator 120 über eine erste Lastankopplung 104 mit dem Heckende (d.h. dem Turbinenabschnitt 115) der Gasturbine 12 verbunden und ferner über eine zweite Lastankopplung 106 mit der Dampfturbine 40 verbunden. Dampf, der von dem Wärmetauscher 50 geliefert wird, wird zu dem Hochdruckabschnitt 402 der Dampfturbine 40 geleitet, wobei der Dampf daraufhin durch den Zwischendruckabschnitt 404 (wenn er vorhanden ist) und den Niederdruckabschnitt (wie durch gestrichelte Pfeile angezeigt) geleitet wird.

[0084] Materialien geringer Dichte können für die rotierenden Komponenten wenigstens eines von dem Verdichterabschnitt 105 der Gasturbine 12 (z.B. in den Schaufeln 130), dem Turbinenabschnitt 115 der Gasturbine 10 (z.B. in den Schaufeln 135), dem Hochdruckabschnitt 402 der Dampfturbine 40, dem Zwischendruckabschnitt 404 der Dampfturbine 40, dem Niederdruckabschnitt 406 der Dampfturbine 40 und dem Generator 120 verwendet werden. Verlustarme Monotyp-Lager 140 können zur Lagerung derjenigen Abschnitte der Antriebsstrangarchitektur 600 verwendet werden, die rotierende Komponenten aufweisen, die aus Materialien geringer Dichte hergestellt sind. Die verlustarmen Monotyp-Lager 140 sind mit der Lagerfluidversorgungseinheit 150, wie oben beschrieben, strömungsmässig verbunden.

[0085] Fig. 7 veranschaulicht eine Antriebsstrangarchitektur 700, die noch eine andere alternative Anordnung der Antriebsstrangarchitektur 400, die in Fig. 4 gezeigt ist, ist. In Fig. 7 sind eine Einwellendampfturbine und ein Generator (STAG) mit einer Frontantriebsgasturbine 14 mit einem Wiedererhitzungsabschnitt 205, einem Generator 120, einer mehrstufigen Dampfturbine 40, einem Wärmetauscher 50 und einer Lagerfluidversorgungseinheit 150 ausgestattet. Bei dieser Anordnung ist der Generator 120 über eine erste Lastankopplung 104 mit dem Frontende (d.h. dem Verdichterabschnitt 105) der Gasturbine 14 verbunden und ferner über eine zweite Lastankopplung 106 mit der Dampfturbine 40 verbunden. Dampf, der aus dem Wärmetauscher 50 geliefert wird, wird zu dem Hochdruckabschnitt 402 der Dampfturbine 40 geleitet, wobei der Dampf daraufhin durch den Zwischendruckabschnitt 404 (wenn er vorhanden ist) und den Niederdruckabschnitt (wie durch gestrichelte Pfeile angezeigt) geleitet wird.

[0086] Materialien geringer Dichte können für die rotierenden Komponenten wenigstens eines von dem Verdichterabschnitt 105 der Gasturbine 14 (z.B. in den Schaufeln 130), dem Turbinenabschnitt 115 der Gasturbine 14 (z.B. in den Schaufeln 135), dem Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt 215 der Gasturbine 14 (z.B. in den Schaufeln 220), dem Hochdruckabschnitt 402 der Dampfturbine 40, dem Zwischendruckabschnitt 404 der Dampfturbine 40, dem Niederdruckabschnitt 406 der Dampfturbine 40 und dem Generator 120 verwendet werden. Verlustarme Monotyp-Lager 140 können zur Lagerung derjenigen Abschnitte der Antriebsstrangarchitektur 700 verwendet werden, die rotierende Komponenten aufweisen, die aus Materialien geringer Dichte hergestellt sind. Die verlustarmen Monotyp-Lager 140 sind mit der Lagerfluidversorgungseinheit 150, wie oben beschrieben, strömungsmässig verbunden.

[0087] Fig. 8 ist ein schematisches Diagramm einer Kombinationszyklus-Antriebsstrangarchitektur vom Zwei-zu-eins(2:1) -Typ 800, die zwei Frontantriebsgasturbinen 10 (jede mit ihrem eigenen Generator 120, Wärmetauscher 50 und ihrer eigenen Lagerfluidversorgungseinheit 150) und eine mehrstufige Dampfturbine 40 mit ihrem eigenen Generator 120 und ihrer eigenen Lagerfluidversorgungseinheit 150 aufweist. Wie gezeigt, können die Gasturbinen 10 parallel zueinander ausgerichtet sein, obwohl eine derartige Konfiguration nicht erforderlich ist.

[0088] Bei dieser Architektur 800 arbeitet jede Gasturbine 10 an ihrer eigenen Welle 125 und ist über eine erste Lastankopplung 104 mit einem Generator 120 verbunden. Bei einer oder beiden Gasturbinen 10 können Materialien geringer Dichte als die rotierenden Komponenten in dem Verdichterabschnitt 105 (z.B. in den Schaufeln 130) oder dem Turbinenabschnitt 115 (z.B. in den Schaufeln 135) oder in anderen Bereichen (z.B. im Generator 120, wie durch die Kreuzschraffierung angezeigt) verwendet werden. Die Lager 140, die den Generator 120 und verschiedene Abschnitte der Gasturbine 10 lagern, können verlustarme Monotyp-Lager, wie hier beschrieben, sein. Die Lager 140 sind mit der Lagerfluidversorgungseinheit 150 strömungsmässig verbunden.

[0089] Abgasprodukte aus dem Turbinenabschnitt 115 jeder Gasturbine 10 werden zu einem entsprechenden Wärmetauscher 50 (z.B. einem WRDG) geleitet, der Dampf für den Hochdruckabschnitt 402 der Dampfturbine 40 erzeugt. Dampf wird daraufhin durch den Zwischendruckabschnitt 404 (wenn er vorhanden ist) und den Niederdruckabschnitt 406 der Dampfturbine 40 (wie durch gestrichelte Pfeile angezeigt) geleitet. Die Dampfturbine 40 ist über eine Welle 126 mit einem entsprechenden Generator 120 verbunden. Eine Lastankopplung 106 kann zwischen der Dampfturbine 40 und dem Generator 120 eingeschlossen sein.

[0090] Materialien geringer Dichte können als die rotierenden Komponenten in dem Hochdruckabschnitt 402 der Dampfturbine 40, dem Zwischendruckabschnitt 404 der Dampfturbine 40, dem Niederdruckabschnitt 406 der Dampfturbine 40 oder in anderen Bereichen (z.B. in dem der Dampfturbine 40 zugeordneten Generator 120) verwendet werden. Die Lager 140, die den Generator 120 und verschiedene Abschnitte der Dampfturbine 40 lagern, können verlustarme Monotyp-Lager, wie hier beschrieben, sein. Die Lager 140 sind mit der Lagerfluidversorgungseinheit 150, die der Dampfturbine 40 zugeordnet ist, strömungsmässig verbunden.

[0091] Fig. 9 ist ein schematisches Diagramm einer Kombinationszyklus-Antriebsstrangarchitektur vom Zwei-zu-eins(2:1) -Typ 900, die zwei Heckantriebsgasturbinen 12 (jede mit ihrem eigenen Generator 120, Wärmetauscher 50 und ihrer eigenen Lagerfluidversorgungseinheit 150) und eine mehrstufige Dampfturbine 40 mit ihrem eigenen Generator 120 und ihrer eigenen Lagerfluidversorgungseinheit 150 aufweist. Wie gezeigt, können die Gasturbinen 10 parallel zueinander ausgerichtet sein, obwohl eine derartige Konfiguration nicht erforderlich ist.

[0092] Bei dieser Architektur 900 arbeitet jede Gasturbine 12 an ihrer eigenen Welle 125 und ist über eine erste Lastankopplung 104 mit einem Generator 120 verbunden. Bei einer oder beiden Gasturbinen 12 können Materialien geringer Dichte als die rotierenden Komponenten in dem Verdichterabschnitt 105 (z.B. in den Schaufeln 130) oder dem Turbinenabschnitt 115 (z.B. in den Schaufeln 135) oder in anderen Bereichen (z.B. in dem Generator 120, wie durch Kreuzschraffierung angezeigt) verwendet werden. Die Lager 140, die den Generator 120 und verschiedene Abschnitte der Gasturbine 10 lagern, können verlustarme Monotyp-Lager, wie hier beschrieben, sein. Die Lager 140 sind mit der Lagerfluidversorgungseinheit 150 strömungsmässig verbunden.

[0093] Abgasprodukte aus dem Turbinenabschnitt 115 jeder Gasturbine 12 werden zu einem entsprechenden Wärmetauscher 50 (z.B. einem WRDG) geleitet, der Dampf für den Hochdruckabschnitt 402 der Dampfturbine 40 erzeugt. Dampf wird daraufhin durch den Zwischendruckabschnitt 404 (wenn er vorhanden ist) und den Niederdruckabschnitt 406 der Dampfturbine 40 (wie durch gestrichelte Pfeile angezeigt) geleitet. Die Dampfturbine 40 ist über eine Welle 126 mit einem entsprechenden Generator 120 verbunden. Eine Lastankopplung 106 kann zwischen der Dampfturbine 40 und dem Generator 120 eingeschlossen sein.

[0094] Materialien geringer Dichte können als die rotierenden Komponenten in dem Hochdruckabschnitt 402 der Dampfturbine 40, dem Zwischendruckabschnitt 404 der Dampfturbine 40, dem Niederdruckabschnitt 406 der Dampfturbine 40 oder in anderen Bereichen (z.B. in dem der Dampfturbine 40 zugeordneten Generator 120) verwendet werden. Die Lager 140, die den Generator 120 und verschiedene Abschnitte der Dampfturbine 40 lagern, können verlustarme Monotyp-Lager, wie hier beschrieben, sein. Die Lager 140 sind mit der Lagerfluidversorgungseinheit 150, die der Dampfturbine 40 zugeordnet ist, strömungsmässig verbunden.

[0095] Fig. 10 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Kombinationszyklus-Antriebsstrangarchitektur 1000 vom Drei-zu-eins(2:1)-Typ, die drei Heckantriebsgasturbinen 12 (jede mit ihrem eigenen Generator 120, Wärmetauscher 50 und ihrer eigenen Lagerfluidversorgungseinheit 150) und eine mehrstufige Dampfturbine 40 mit ihrem eigenen Generator 120 und ihrer eigenen Lagerfluidversorgungseinheit 150 aufweist. Wie oben erörtert, können Materialien geringer Dichte in den rotierenden Komponenten wenigstens eines von dem Verdichterabschnitt 105 wenigstens einer Gasturbine 12, dem Turbinenabschnitt 115 wenigstens einer Gasturbine 12, dem Generatorabschnitt 120 wenigstens einer Gastrubine 12, dem Hochdruckabschnitt 402 der Dampfturbine 40, dem Zwischendruckabschnitt 404 (wenn vorhanden) der Gasturbine 40, dem Niederdruckabschnitt 406 der Dampfturbine 40 und dem Generator 120, der der Dampfturbine 40 zugeordnet ist, verwendet werden. Vorteilhafterweise sind aus den hier angegebenen Gründen diejenigen Abschnitte der Antriebsstrangarchitektur 1000, die die Materialien geringer Dichte in einigen oder allen ihren rotierenden Komponenten aufweisen, durch verlustarme Monotyp-Lager 140 (wie in den vorhergehenden Figuren veranschaulicht) gelagert.

[0096] Fig. 11 ist ein schematisches Diagramm einer mehrwelligen Kombinationszyklus-Antriebsstrangarchitektur 1100, die eine Frontantriebsgasturbine 10 aufweist, die an einer ersten Welle 125 mit einem ersten Generator 120 verbunden ist und eine erste Lagerfluidversorgungseinheit 150 aufweist. Eine erste Lastankopplung 104 kann zum Verbinden der Gasturbine 10 mit dem Generator 120 verwendet werden. Die Antriebsstrangarchitektur 1100 umfasst ferner eine mehrstufige Dampfturbine 40, die an einer zweiten Welle 126 mit einem zweiten Generator 120 verbunden ist und eine zweite Lagerfluidversorgungseinheit 150 aufweist. Eine zweite Lastankopplung 106 kann zum Verbinden der Dampfturbine 40 mit ihrem entsprechenden Generator 120 verwendet werden. Ein Wärmetauscher 50 ist sowohl mit der Gasturbine 10 als auch der Dampfturbine 40, wie vorstehend erörtert, strömungsmässig verbunden. Bei dieser Architektur 1100 wird der Dampf aus dem Wärmetauscher 50 an den Hochdruckabschnitt 402 der Dampfturbine 40 bereitgestellt und daraufhin durch den Zwischendruckabschnitt 404 der Dampfturbine 40 (wenn sie vorhanden ist) und den Niederdruckabschnitt 406 der Dampfturbine 40 geleitet.

[0097] Wiederum können die rotierenden Komponenten in dem Verdichterabschnitt 105 der Gasturbine 10, dem Turbinenabschnitt 115 der Gasturbine 10, dem Generator 120, der der Gasturbine 10 zugeordnet ist, dem Hochdruckabschnitt 402 der Dampfturbine 40, dem Zwischendruckabschnitt 404 der Dampfturbine 40, dem Niederdruckabschnitt 406 der Dampfturbine 40 und/oder dem Generator 120, der der Dampfturbine 40 zugeordnet ist, aus Materialien geringer Dichte hergestellt sein. Die Materialien geringer Dichte können beispielsweise zum Herstellen von Schaufeln 130 in dem Verdichterabschnitt 105 oder der Schaufeln 135 in dem Turbinenabschnitt 115 verwendet werden.

[0098] Das Material geringer Dichte kann für einige oder alle der rotierenden Komponenten in einem gegebenen Abschnitt der Antriebsstrangarchitektur 1100 verwendet werden. Diejenigen Abschnitte, die rotierende Komponenten aufweisen, die aus Materialien geringer Dichte hergestellt sind, können durch verlustarme Lager 140 gelagert sein, die mit einer entsprechenden Lagerfluidversorgungseinheit 150 strömungsmässig verbunden sind. Abschnitte der Antriebsstrangarchitektur 1100, die Komponenten aus Materialien hoher Dichte aufweisen, können durch herkömmliche Lager mit viskosem Fluid (z.B. Öl) gelagert werden. Die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nicht auf irgendeine spezielle Anzahl oder Anordnung von verlustarmen Monotyp-Lagern 140 beschränkt, gleichgültig welche Antriebsstrangarchitektur erörtert wird.

[0099] Fig. 12 ist ein schematisches Diagramm einer mehrwelligen Kombinationszyklus-Antriebsstrangarchitektur 1200, die eine Variation der Architektur 1100, die in Fig. 11 gezeigt ist, ist. In Fig. 12 umfasst die Architektur 1200 eine Heckantriebsgasturbine 12, die an einer ersten Welle 125 mit einem ersten Generator 120 verbunden ist und eine erste Lagerfluidversorgungseinheit 150 aufweist. Eine erste Lastankopplung 104 kann zum Verbinden der Gasturbine 12 mit dem Generator 120 verwendet werden.

[0100] Die Antriebsstrangarchitektur 1200 weist ferner eine mehrstufige Dampfturbine 40 auf, die an einer zweiten Welle 126 mit einem zweiten Generator 120 verbunden ist und eine zweite Lagerfluidversorgungseinheit 150 aufweist. Eine zweite Lastankopplung 106 kann zum Verbinden der Dampfturbine 40 mit ihrem entsprechenden Generator 120 verwendet werden. Ein Wärmetauscher 50 ist sowohl mit der Gasturbine 12 als auch mit der Dampfturbine 40, wie vorstehend erörtert, strömungsmässig verbunden. Bei dieser Architektur 1200 wird der Dampf aus dem Wärmetauscher 50 dem Hochdruckabschnitt 402 der Dampfturbine 40 bereitgestellt und wird daraufhin durch den Zwischendruckabschnitt 404 der Dampfturbine 40 (wenn er vorhanden ist) und den Niederdruckabschnitt 406 der Dampfturbine 40 geleitet.

[0101] Wie vorstehend können die rotierenden Komponenten in dem Verdichterabschnitt 105 der Gasturbine 12, dem Turbinenabschnitt 115 der Gasturbine 12, dem Generator 120, der der Gasturbine 12 zugeordnet ist, dem Hochdruckabschnitt 402 der Dampfturbine 40, dem Zwischendruckabschnitt 404 der Dampfturbine 40, dem Niederdruckabschnitt 406 der Dampfturbine 40 und/oder dem Generator 120, der der Dampfturbine 40 zugeordnet ist, aus Materialien geringer Dichte hergestellt sein. Materialien geringer Dichte können beispielsweise zum Herstellen von Schaufeln 130 in dem Verdichterabschnitt 105 oder Schaufeln 135 in dem Turbinenabschnitt 115 verwendet werden. Das Material geringer Dichte kann für einige oder alle der rotierenden Komponenten in einem gegebenen Abschnitt der Antriebsstrangarchitektur 1200 verwendet werden. Diejenigen Abschnitte, die rotierende Komponenten aufweisen, die aus Materialien geringer Dichte hergestellt sind, können durch verlustarme Monotyp-Lager 140 gelagert sein, die mit einer entsprechenden Lagerfluidversorgungseinheit 150 strömungsmässig verbunden sind.

[0102] Fig. 13 ist ein schematisches Diagramm einer mehrwelligen Kombinationszyklus-Antriebsstrangarchitektur 1300, die eine Variation der Architektur 1100 ist, die in Fig. 11 gezeigt ist. In Fig. 13 enthält die Architektur 1300 eine Frontantrieb-Gasturbine 14 mit einem Wiedererhitzungsabschnitt 205, der an einer ersten Welle 125 mit einem ersten Generator 120 verbunden ist und eine erste Lagerfluidversorgungseinheit 150 aufweist. Eine erste Lastankopplung 104 kann zum Verbinden der Gasturbine 14 mit dem Generator 120 verwendet werden.

[0103] Die Antriebsstrangarchitektur 1300 enthält ferner eine mehrstufige Dampfturbine 40, die an einer zweiten Welle 126 mit einem zweiten Generator 120 verbunden ist und eine zweite Lagerfluidversorgungseinheit 150 aufweist. Eine zweite Lastankopplung 106 kann zum Verbinden der Dampfturbine 40 mit ihrem entsprechenden Generator 120 verwendet werden. Ein Wärmetauscher 50 ist sowohl mit der Gasturbine 14 als auch mit der Dampfturbine 40, wie vorstehend erörtert, strömungsmässig verbunden. Bei dieser Architektur 1300 wird der Dampf aus dem Wärmetauscher 50 dem Hochdruckabschnitt 402 der Dampfturbine 40 bereitgestellt und wird daraufhin durch den Zwischendruckabschnitt 404 der Dampfturbine 40 (wenn er vorhanden ist) und den Niederdruckabschnitt 406 der Dampfturbine 40 geleitet.

[0104] Die rotierenden Komponenten in dem Verdichterabschnitt 105 der Gasturbine 14, dem Turbinenabschnitt 115 der Gasturbine 14, dem Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt 215 der Gasturbine 14, dem Generator 120, der der Gasturbine 14 zugeordnet ist, dem Hochdruckabschnitt 402 der Dampfturbine 40, dem Zwischendruckabschnitt 404 der Dampfturbine 40, dem Niederdruckabschnitt 406 der Dampfturbine 40 und/oder dem Generator 120, der der Dampfturbine 40 zugeordnet ist, können aus Materialien geringer Dichte hergestellt sein. Die Materialien geringer Dichte können beispielsweise zum Herstellen von Schaufeln 130 in dem Verdichterabschnitt 105, Schaufeln 135 in dem Turbinenabschnitt 115 oder Schaufeln 220 in dem Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt 215 verwendet werden. Das Material geringer Dichte kann für einige oder alle der rotierenden Komponenten in einem gegebenen Abschnitt der Antriebsstrangarchitektur 1100 verwendet werden. Diejenigen Abschnitte, die rotierende Komponenten aufweisen, die aus Materialien geringer Dichte hergestellt sind, können durch verlustarme Monotyp-Lager 140 gelagert sein, die mit einer entsprechenden Lagerfluidversorgungseinheit 150 strömungsmässig verbunden sind.

[0105] Fig. 14 bis 19 veranschaulichen verschiedene Gasturbinenarchitekturen, die in die Antriebsstrangarchitekturen, die in den Fig. 1 bis 13 veranschaulicht sind, integriert sein können. Der Einfachheit halber sind der Generator 120, die Lagerfluidversorgungseinheit 150, der Wärmetauscher 50 und die Dampfturbine 40 (falls zutreffend) aus diesem Satz von Figuren weggelassen.

[0106] Fig. 14 ist ein schematisches Diagramm einer mehrwelligen Gasturbinenarchitektur 1400, die eine Heckantriebsgasturbine 16 aufweist, 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, die sich stromabwärts von dem Turbinenabschnitt 115 befindet. Die Gasturbine 16 von Fig. 14 kann die Gasturbine 12 in der Antriebsstrangarchitektur 200 von Fig. 2 , der Antriebsstrangarchitektur 600 von Fig. 6 , der Antriebsstrangarchitektur 900 von Fig. 9 , der Antriebsstrangarchitektur 1000 von Fig. 10 und der Antriebsstrangarchitektur 1200 von Fig. 12 ersetzen.

[0107] Bei dieser Ausführungsform ist eine Heckantriebsanordnung bereitgestellt, wobei die einzelne Welle (wie in der Gasturbine 12 von Fig. 2 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 Generator 120 (der nicht gezeigt, aber durch den Hinweistext «zum Gen» angezeigt ist) erstreckt.

[0108] Im Betrieb kann die erste Rotorwelle 310 als Eingangswelle dienen, während die zweite Rotorwelle 315 als die Ausgangswelle dienen kann. In einer Ausführungsform bleibt die Ausgangsdrehzahl der Rotorwelle 315 bei einer konstanten Drehzahl (z.B. 3600 UpM), um sicherzustellen, dass der Generator (120) bei konstanter Frequenz (z.B. 60 Hz ) arbeitet, während die Eingangsdrehzahl der Rotorwelle 310 von derjenigen der Rotorwelle 315 verschieden sein kann (z.B. höher als 3600 UpM sein kann).

[0109] Die Lager 140 können die verschiedenen Gasturbinenabschnitte an der Rotorwelle 310 und der Rotorwelle 315 lagern. In einer Ausführungsform kann wenigstens eines der Lager 140 ein verlustarmes Monotyp-Lager, wie hier beschrieben, aufweisen. Die Lager 140 stehen mit der Lagerfluidversorgungseinheit 150 in Fluidverbindung, wie beispielsweise in Fig. 2 gezeigt.

[0110] In einer Ausführungsform kann die Arbeitsturbine 305 wenigstens eine rotierende Komponente 405 (z.B. eine Schaufel) aufweisen, das aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist. Fig. 14 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 1400 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 wenigstens eine rotierende Schaufel, die in dem Antriebsstrang verwendet wird, 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; so ist die Offenbarung nicht auf eine Anordnung beschränkt, wo nur die Schaufeln aus einem Material geringer Dichte hergestellt sind. Bevorzugterweise werden die rotierenden Komponenten 105, 135 und/oder 405 geringer Dichte in einem Abschnitt der Gastrubine 1400 verwendet, der durch die Lager 140 gelagert ist, die verlustarme Monotyp-Lager sind.

[0111] Fig. 15 ist ein schematisches Diagramm einer mehrwelligen Heckantriebs-Gasturbinenarchitektur 1500, die eine Gasturbine 18 mit einem Arbeitsturbinenabschnitt 305 und einem Wiedererhitzungsabschnitt 205 aufweist. Die Gasturbinenarchitektur 1500 enthält ferner wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager 140 und wenigstens eine rotierende Komponente, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, bei Verwendung mit dem Antriebsstrang der Gasturbine gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie bei Fig. 14 kann die Gasturbine 18 von Fig. 15 die Gasturbine 12 in der Antriebsstrangarchitektur 200 von Fig. 2 , der Antriebsstrangarchitektur 600 von Fig. 6 , der Antriebsstrangarchitektur 900 von Fig. 9 , der Antriebsstrangarchitektur 1000 von Fig. 10 und der Antriebsstrangarchitektur 1200 von Fig. 12 ersetzen.

[0112] Die Gasturbinenarchitektur 1500 ist derjenigen ähnlich, die in Fig. 14 veranschaulicht ist, mit der Ausnahme, dass die Gasturbine 18 einen Wiedererhitzungsabschnitt 205 aufweist, der eine Wiedererhitzungsbrennkammer 210 und eine Wiedererhitzungsturbine 215 aufweist. Der Wiedererhitzungsabschnitt 205 wird der Eingangsantriebswelle 310 der Gasturbine 18 hinzugefügt. Fig. 15 zeigt, dass die rotierenden Komponenten (z.B. Schaufeln) 130 des Verdichterabschnitts 105, die rotierenden Komponenten (z.B. Schaufeln) 135 des Turbinenabschnitts 115, die rotierenden Komponenten (z.B. Schaufeln) 220 des Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitts 215 und die rotierenden Komponenten (z.B. Schaufeln) 405 des Arbeitsturbinenabschnitts 305 Materialien geringer Dichte aufweisen können. Dies ist eine mögliche Realisierung und soll den Umfang der Architektur 1500 nicht einschränken. Wie oben erwähnt, kann irgendeine Kombination von Komponenten geringer Dichte mit Komponenten, die andere Materialien aufweisen (z.B. Materialien hoher Dichte) vorliegen, solange wenigstens eine rotierende Komponente in dem Antriebsstrang vorhanden ist, die ein Material geringer Dichte aufweist. Zur grösseren Effizienz umfasst/umfassen der/die Abschnitt(e) der Architektur 1500, der/die durch verlustarme Monotyp-Lager 140 gelagert ist/sind, rotierende Komponenten, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt sind, wobei wenigstens einige der rotierenden Komponenten aus einem Material geringer Dichte hergestellt sind.

[0113] Fig. 16 ist ein schematisches Diagramm einer Frontantriebs-Gasturbinenarchitektur 1600, die eine Gasturbine 20 aufweist, deren Architektur einen Wellenstumpf 620 aufweist, um die Drehzahl von vorderen Stufen 610 eines Verdichters 605 zu reduzieren. Die Gasturbine 20 enthält ferner wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager 140 bei Verwendung mit dem Antriebsstrang der Gasturbine gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Gasturbine 20 von Fig. 16 kann die Gasturbine 10 in denjenigen Antriebsstrangarchitekturen ersetzen, die eine Frontantriebsgasturbine aufweisen, einschliesslich der Antriebsstrangarchitektur 100 von Fig. 1 , der Antriebsstrangarchitektur 400 von Fig. 4 , der Antriebsstrangarchitektur 500 von Fig. 5 , der Antriebsstrangarchitektur 800 von Fig. 8 und der Antriebsstrangarchitektur 1100 von Fig. 11 .

[0114] Bei dieser Ausführungsform ist der Verdichterabschnitt 605 mit zwei Stufen 610 und 615 veranschaulicht, wobei die Stufe 610 die vorderen Stufen des Verdichters 605 darstellt und die Stufe 615 die mittleren und hinteren Stufen des Verdichters 605 darstellt. Dies ist nur eine Konfiguration und Fachleute auf dem Gebiet der Technik werden erkennen, dass der Verdichter 605 mit mehr Stufen veranschaulicht werden könnte. Auf jeden Fall sind die rotierenden Schaufeln, die der Stufe 610 zugeordnet sind, mit einem Wellenstumpf 620 verbunden, während die rotierenden Schaufeln der Stufe 615 und der Turbinenabschnitt 115 entlang der Rotorwelle 125 verbunden sind. In einer Ausführungsform kann der Wellenstumpf 620 radial aussen von der Rotorwelle 125 liegen und die Rotorwelle 125 längs des Umfangs umgeben. In einer Ausführungsform ist wenigstens eine der rotierenden Komponenten (z.B. Schaufeln 710, Schaufeln 715 und Schaufeln 135) aus einem Material geringer Dichte hergestellt.

[0115] Die Lager 140 sind um den Verdichterabschnitt 605, den Turbinenabschnitt 115 und den Generator 120 (nicht gezeigt) herum angeordnet, um die verschiedenen Abschnitte an dem Wellenstumpf 620 und der Rotorwelle 125 zu lagern. Alle, einige oder wenigstens eines der Lager in dieser Konfiguration kann/können verlustarme Monotyp-Lager, wie hier beschrieben, sein, wobei derartige verlustarme Lager 140 zur Lagerung derjenigen Abschnitte der Architektur 1600, die rotierende Komponenten aufweisen, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt sind, besonders gut geeignet sind.

[0116] Im Betrieb ermöglicht die Rotorwelle 125 es, dass der Turbinenabschnitt 115 den Generator 120 (beispielsweise in Fig. 1 gezeigt) antreibt. Der Wellenstumpf 620 kann mit einer geringeren Arbeitsdrehzahl rotieren als die Rotorwelle 125, was verursacht, dass die Schaufeln 710 der vorderen Stufe 610 mit einer geringeren Drehzahl rotieren als die Schaufeln 715 in den mittleren und hinteren Stufen der Stufe 615 (die mit der Rotorwelle 125 verbunden sind). 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 verwendet werden. Indem man die Schaufeln 710 der Stufe 610 mit einer geringeren Drehzahl und/oder in eine andere Richtung als die rotierenden Schaufeln 715 der Stufe 615 drehen lässt, kann dem Wellenstumpf 620 ermöglichen, die Drehzahl der vorderen Stufen der Schaufeln (z.B. auf etwa 3000 UpM) zu verlangsamen, während die Rotorwelle 125 die Drehzahl der rotierenden Schaufeln 135 des Turbinenabschnitts 115 und somit die Drehzahl des Generators 120 aufrechterhalten kann, um mit einer konstanten Drehzahl (z.B. 3600 UpM) zu laufen.

[0117] Das Verlangsamen der Drehzahl der vorderen Stufen der Schaufeln 710 in der Stufe 610 im Verhältnis 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 Verdichter 605 im Vergleich zu einem herkömmlichen Verdichter erhöht, was bedeutet, dass eine grössere Luftströmung durch den Gasturbinen-Antriebsstrang 1600 strömt. Mehr Luftströmung durch den Gastrubinen-Antriebsstrang 1600 führt zu einer höheren Leistungsausgabe der Antriebsstrangarchitektur.

[0118] Ferner können, weil die Laufschaufeln der vorderen Stufen mit einer reduzierten 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 vorderen Stufe 610 es den Laufschaufeln der vorderen Stufen, in grösseren Grössen hergestellt zu werden und dennoch innerhalb der vorgeschriebenen AN2-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 (GEEN-0458), die gleichzeitig mit der vorliegenden eingereicht worden ist und hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist, liefert weitere Einzelheiten zu der Verwendung eines Wellenstumpfs zum Erreichen einer langsameren Drehzahl in den vorderen Stufen eines Verdichters.

[0119] Fig. 17 ist ein schematisches Diagramm einer Gasturbinenarchitektur 1700, die eine Frontantriebsgasturbine 24 mit einem Wiedererhitzungsabschnitt 205 aufweist. Die Architektur 1700 enthält ferner einen Wellenstumpf 620 zum Reduzieren der Drehzahl von vorderen Stufen eines Verdichters 605, wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager 140 und wenigstens eine rotierende Komponente, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform kann der Wiedererhitzungsabschnitt 205 der in Fig. 16 veranschaulichten Konfiguration zugefügt werden. Auf diese Weise können die rotierenden Schaufeln 710 und 715 in den Stufen 610 bzw. 615 des Verdichterabschnitts 605, die rotierenden Schaufeln 135 der Turbine 115 und die rotierenden Schaufeln 220 der Wiedererhitzungsturbine 215 Schaufeln aufweisen, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt sind.

[0120] Erneut ist dies eine mögliche Realisierung, und sie soll den Umfang der Architektur 1700 nicht einschränken. Beispielsweise kann eine beliebige Anzahl von Schaufeln geringer Dichte in Kombination mit Schaufeln anderer Materialtypen (z.B. Materialien hoher Dichte) in dem Antriebsstrang vorliegen, solange wenigstens eine rotierende Komponente vorliegt, die aus einem Material geringer Dichte hergestellt ist. 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 24 von Fig. 17 kann die Gasturbine 14 in denjenigen Antriebsstrangarchitekturen ersetzen, die eine Gasturbine mit einem Wiedererhitzungsabschnitt 205 aufweisen, einschliesslich der Antriebsstrangarchitektur 300 von Fig. 3 , der Antriebsstrangarchitektur 700 von Fig. 7 und der Antriebsstrangarchitektur 1300 von Fig. 13 .

[0121] Fig. 18 ist ein schematisches Diagramm einer Gasturbinenarchitektur 1800, die eine Heckantriebsgasturbine 22 aufweist, deren Architektur einen Wellenstumpf 620 zum Reduzieren der Drehzahl des Verdichters 605, eine Arbeitsturbine 905 und wenigstens ein Lager 140 aufweist, das ein verlustarmes Monotyp-Lager ist, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist eine Mehrwellenanordnung hinzugefügt worden, um in Verbindung mit dem Wellenstumpf 620 zu arbeiten. Wie in Fig. 18 gezeigt, erstreckt sich eine erste einzelne Rotorwelle 910 durch den Verdichterabschnitt 605 und den Turbinenabschnitt 115, während eine zweite einzelne Rotorwelle 915, die von der Rotorwelle 910 und dem Wellenstumpf 620 getrennt ist, sich von dem Arbeitsturbinenabschnitt 905 zu einem Generator 120 (wie in Fig. 2 gezeigt) erstreckt. Lager 140 können die Rotorwelle 910, die Rotorwelle 915 und den Wellenstumpf 620 lagern. In einer Ausführungsform kann wenigstens eines der Lager 140 ein verlustarmes Monotyp-Lager aufweisen.

[0122] Im Betrieb können die Rotorwelle 910 und der Wellenstumpf 620 als Eingangswellen dienen, während die Rotorwelle 915 als die Ausgangswelle dienen kann, die den Generator 120 antreibt. In einer Ausführungsform ist die Ausgangsdrehzahl der Rotorwelle 915 eine konstante Drehzahl (z.B. 3600 UpM), um sicherzustellen, dass der Generator mit einer konstanten Frequenz (z.B. 60 Hz) arbeitet, während die Eingangsdrehzahl der Rotorwelle 910 und des Wellenstumpfs 620 von der Drehzahl verschieden ist, mit der die Rotorwelle 915 läuft (z.B. weniger als 3600 UpM beträgt).

[0123] Fig. 18 zeigt, dass die rotierenden Schaufeln 710 und 715 der Verdichterabschnitte 610, 615, die rotierenden Schaufeln 135 des Turbinenabschnitts 115 und die rotierenden Schaufeln 1005 des Arbeitsturbinenabschnitts 905 aus Materialien geringer Dichte hergestellt sein können. Dies ist eine mögliche Realisierung und soll den Umfang der Architektur 1800 nicht einschränken. Wiederum kann irgendeine Kombination von rotierenden Komponenten geringer Dichte (z.B. Schaufeln) bei Verwendung mit rotierenden Komponenten (z.B. Schaufeln), die aus anderen Zusammensetzungen (z.B. Materialien hoher Dichte) hergestellt sind, vorliegen, solange wenigstens eine rotierende Komponente in dem Antriebsstrang verwendet wird, die ein Material geringer Dichte aufweist. In wenigstens einer Ausführungsform werden die Materialien geringer Dichte in rotierenden Komponenten des Abschnitts/der Abschnitte der Gasturbinenarchitektur 1800 verwendet, der/die durch verlustarme Monotyp-Lager 140 gelagert ist/sind.

[0124] Fig. 19 ist ein schematisches Diagramm einer Gasturbinenarchitektur 1900, die eine Mehrwellengasturbine 26 mit einer Niedergeschwindigkeitstrommel 1205 und einer Hochgeschwindigkeitstrommel 1210 aufweist. Die Gasturbine 26 enthält ferner wenigstens ein verlustarmes Monotyp-Lager 140 bei Verwendung mit dem Antriebsstrang der Gasturbine, gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Gasturbine 26 von Fig. 19 kann die Gasturbine 10 in denjenigen Antriebsstrangarchitekturen ersetzen, die eine Frontantriebsgasturbine aufweisen, zu denen die Antriebsstrangarchitektur 100 von Fig. 1 , die Antriebsstrangarchitektur 400 von Fig. 4 , die Antriebsstrangarchitektur 500 von Fig. 5 , die Antriebsstrangarchitektur 800 von Fig. 8 und die Antriebsstrangarchitektur 1100 von Fig. 11 gehören.

[0125] In dieser Ausführungsform umfasst ein Verdichter 1215 einen Niederdruckverdichter 610 und einen Hochdruckverdichter 615, der von dem Niederdruckverdichter 610 durch Luft getrennt ist. Ausserdem weist die Gasturbinenarchitektur 1900 eine Turbine 1230 auf, die eine Niederdruckturbine 1250 und eine Hochdruckturbine 1245 aufweist, die von der Niederdruckturbine 1250 durch Luft getrennt ist. Die Niedergeschwindigkeitstrommel 1205 kann den Niederdruckverdichter 610 aufweisen, der durch die Niederdruckturbine 1250 angetrieben wird. Die Hochgeschwindigkeitstrommel 1210 kann den Hochdruckverdichter 615 aufweisen, der durch die Hochdruckturbine 1245 angetrieben wird. Bei dieser Architektur 1900 kann die Niedergeschwindigkeitstrommel 1205 den Generator 120 mit einer gewünschten Drehzahl (z.B. 3600 UpM) antreiben, um mit einer gewünschten Frequenz (z.B. 60 Hz) zu arbeiten, während die Hochgeschwindigkeitstrommel 1210 mit einer Drehzahl arbeiten kann, die höher ist als diejenige der Niedergeschwindigkeits-trommel (z.B. grösser als 3600 UpM), wobei eine Doppeltrommelanordnung gebildet ist.

[0126] Wahlweise kann ein Drehmoment ändernder Mechanismus 1208, wie beispielsweise ein Getriebe, ein Drehmomentwandler, ein Getriebesatz oder dergleichen entlang der Niedergeschwindigkeitstrommel 1205 zwischen der Gasturbine 26 und dem Generator (nicht gezeigt, aber durch «zu Gen» angezeigt) positioniert sein. Wenn ein Drehmoment ändernder Mechanismus 1208 enthalten ist, so stellt der Drehmoment ändernde Mechanismus 1208 eine Ausgabekorrektur bereit, so dass die Niedergeschwindigkeitstrommel 1205 mit einer Drehzahl, die höher als 3600 UpM ist, arbeiten und den Generator mit einer geringeren Drehzahl von 3600 UpM antreiben und dennoch eine Arbeitsleistung von 60 Hz erreichen kann. In Fig. 19 kann wenigstens eines der Lager 140, die den Antriebsstrang 1900 lagern, ein verlustarmes Monotyp-Lager sein. Die Lager 140 stehen mit der Lagerfluidversorgungseinheit 150 in Fluidverbindung, wie beispielsweise in Fig. 1 gezeigt.

[0127] Fig. 19 zeigt, dass die rotierenden Schaufeln 1220 und 1225 der Verdichterabschnitte 610, 615 und die rotierenden Schaufeln 1235, 1240 der Turbinenabschnitte 1245,1250 aus Materialien geringer Dichte hergestellt sein können. Dies ist eine mögliche Realisierung und soll den Umfang der Architektur 1900 nicht einschränken. Wiederum kann irgendeine Kombination von rotierenden Komponenten geringer Dichte (z.B. Schaufeln) bei Verwendung mit rotierenden Komponenten (z.B. Schaufeln), die aus anderen Zusammensetzungen (z.B. Materialien hoher Dichte) hergestellt sind, vorliegen, solange wenigstens eine rotierende Komponente in dem Antriebsstrang verwendet wird, die ein Material geringer Dichte aufweist. In wenigstens einer Ausführungsform werden die Materialien geringer Dichte in rotierenden Komponenten in dem Abschnitt/den Abschnitten der Gasturbinenarchitektur 1900 verwendet, der/die durch verlustarme Monotyp-Lager 140 gelagert ist/sind.

[0128] Wie hier beschrieben, beschreiben Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verschiedene Antriebsstrangarchitekturen mit Gasturbinenarchitekturen, bei denen verlustarme Hybridlager und Materialien geringer Dichte als Teil eines Antriebsstrangs in einer Energieerzeugungsanlage eingesetzt werden können. Diese Gasturbinenarchitekturen mit verlustarmen Monotyp-Lagern und Materialien geringer Dichte können eine hohe Luftströmungsrate im Vergleich zu anderen Antriebssträngen, bei denen Öllager und Materialien hoher Dichte verwendet werden, liefern. Ausserdem erfolgt diese Lieferung einer höheren Luftströmungsrate, während viskose Verluste, die typischerweise durch Verwendung von ölbasierten Lagern in den Antriebsstrang eingebracht werden, reduziert werden. Eine ölfreie Umgebung, die durch Verwendung der verlustarmen Monotyp-Lager entsteht, wird in eine Reduktion der Wartungskosten umgesetzt, da Komponenten, die zu den Öllagern gehören, entfernt werden können.

[0129] Die hier verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck der Beschreibung besonderer Ausführungsformen und soll die Offenbarung nicht einschränken. Wie hier verwendet, sollen die Fomen im Singular «ein», «eine» und «der/die/das» auch die Formen im Plural einschliessen, es sei denn, der Zusammenhang weist eindeutig auf etwas anderes hin. Man wird sich ferner im Klaren darüber sein, 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 Vorliegen oder die Aufnahme eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschliessen. Man sollte sich ferner im Klaren darüber sein, dass die Ausdrücke «vordere» bzw. «Front-» und «hintere» bzw. «Heck-» nicht einschränkend sein sollen und, wo angebracht, austauschbar sein sollen.

[0130] Während die Offenbarung speziell im Zusammenhang mit einer bevorzugten Ausführungsform davon gezeigt und beschrieben worden ist, wird man erkennen, dass Variationen und Modifikationen Fachleuten auf dem Gebiet der Technik einfallen werden. Daher sollte verständlich sein, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen und Änderungen, wie sie innerhalb des wahren Geists der Offenbarung fallen, mit umfassen sollen.

[0131] Es sind Antriebsstrangarchitekturen mit verlustarmen Monotyp-Lagern und Materialien geringer Dichte offenbart. Die bei diesen Architekturen verwendete Gasturbine kann einen Verdichterabschnitt, einen Turbinenabschnitt und einen Brennkammerabschnitt aufweisen. Ein Generator, der mit der Rotorwelle verbunden ist, wird durch den Turbinenabschnitt angetrieben. Der Verdichterabschnitt, der Turbinenabschnitt und der Generator weisen rotierende Komponenten auf, wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in einem von dem Verdichterabschnitt, dem Turbinenabschnitt und dem Generator ein Material geringer Dichte enthält. Lager lagern die Rotorwelle innerhalb des Verdichterabschnitts, des Turbinenabschnitts und des Generators, wobei wenigstens eines der Lager ein verlustarmes Monotyp-Lager ist.

Claims (15)

1. Antriebsstrangarchitektur, die aufweist: eine erste Gasturbine, die einen Verdichterabschnitt, einen Turbinenabschnitt und einen Brennkammerabschnitt aufweist, der mit dem Verdichterabschnitt und dem Turbinenabschnitt betriebsmässig verbunden ist; eine erste Rotorwelle, die sich durch den Verdichterabschnitt und den Turbinenabschnitt der ersten Gasturbine erstreckt; einen ersten Generator, der mit der ersten Rotorwelle verbunden ist und durch den Turbinenabschnitt der ersten Gasturbine angetrieben ist; und mehrere Lager zur Lagerung der ersten Rotorwelle innerhalb des Verdichterabschnitts und des Turbinenabschnitts der ersten Gasturbine und des ersten Generator, wobei wenigstens eines der Lager ein verlustarmes Monotyp-Lager ist; und wobei der Verdichterabschnitt der ersten Gasturbine, der Turbinenabschnitt der ersten Gasturbine und der erste Generator mehrere rotierende Komponenten aufweisen, wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in einem von dem Verdichterabschnitt der ersten Gasturbine, dem Turbinenabschnitt der ersten Gasturbine und dem ersten Generator ein Material geringer Dichte aufweist.

2. Antriebsstrangarchitektur nach Anspruch 1, wobei die erste Rotorwelle eine Einwellenanordnung aufweist, die einen Verdichterrotorwellenteil und einen Turbinenrotorwellenteil aufweist; und/oder wobei die erste Gasturbine eine Heckantriebsgasturbine aufweist; und/oder wobei die erste Gasturbine 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 rotierender Komponenten aufweist; und wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in dem Verdichterabschnitt, dem Turbinenabschnitt, dem ersten Generator und dem ersten Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt das Material geringer Dichte aufweist.

3. Antriebsstrangarchitektur nach Anspruch 1 oder 2, die ferner aufweist: eine Dampfturbine, die einen Hochdruckabschnitt und einen Niederdruckabschnitt aufweist; und einen ersten Wärmetauscher, der mit der ersten Gasturbine und der Dampfturbine strömungsmässig verbunden ist; wobei jeder von dem Hochdruckabschnitt und dem Niederdruckabschnitt mehrere rotierende Komponenten aufweist; und wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in wenigstens einem von dem Verdichterabschnitt der ersten Gasturbine, dem Turbinenabschnitt der ersten Gasturbine, dem ersten Generator, dem Hochdruckabschnitt der Dampfturbine und dem Niederdruckabschnitt der Dampfturbine das Material geringer Dichte aufweist.

4. Antriebsstrangarchitektur nach Anspruch 3, wobei die Dampfturbine mehrere Lager zur Lagerung eines Dampfturbinenrotorwellenteils innerhalb des Hochdruckabschnitts und des Niederdruckabschnitts aufweist, wobei wenigstens eines der Lager das verlustarme Monotyp-Lager ist; und/oder wobei die Antriebsstrangarchitektur ferner ein Lastankopplungselement zur Verbindung des Dampfturbinenrotorwellen-teils der Dampfturbine mit der ersten Gasturbine entlang der ersten Rotorwelle aufweist; und/oder wobei die Antriebsstrangarchitektur ferner eine Kupplung aufweist, die an der ersten Rotorwelle zwischen der Dampfturbine und der ersten Gasturbine angeordnet ist.

5. Antriebsstrangarchitektur nach Anspruch 3 oder 4, wobei die erste Gasturbine eine Heckantriebgasturbine aufweist; und/oder wobei die erste Gasturbine 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; und wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in dem Verdichterabschnitt, dem Turbinenabschnitt, dem ersten Generator, dem Hochdruckabschnitt der Dampfturbine, dem Niederdruckabschnitt der Dampfturbine und dem Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt das Material geringer Dichte aufweist.

6. Antriebsstrangarchitektur nach einem beliebigen der Ansprüche 3–5, die ferner eine zweite Rotorwelle, einen zweiten Generator und eine Dampfturbinenlager-Fluidversorgungs-einheit aufweist; wobei die Dampfturbine an der zweiten Rotorwelle mit dem zweiten Generator verbunden ist und die Dampfturbinenlager-Fluidversorgungseinheit mit der Dampfturbine strömungsmässig verbunden ist.

7. Antriebsstrangarchitektur nach Anspruch 6, wobei die erste Gasturbine eine Heckantriebsgasturbine aufweist; und/oder wobei die erste Gasturbine 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; und wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in dem Verdichterabschnitt, dem Turbinenabschnitt, dem ersten Generator, dem Hochdruckabschnitt der Dampfturbine, dem Niederdruckabschnitt der Dampfturbine, dem zweiten Generator und dem Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt das Material geringer Dichte aufweist.

8. Antriebsstrangarchitektur nach Anspruch 6 oder 7, die ferner eine dritte Rotorwelle, einen dritten Generator und eine zweite Gasturbine aufweist; wobei die zweite Gasturbine an der dritten Rotorwelle mit dem dritten Generator verbunden ist.

9. Antriebsstrangarchitektur nach Anspruch 8, die ferner einen zweiten Wärmetauscher aufweist, der mit der zweiten Gasturbine und der Dampfturbine strömungsmässig verbunden ist, und wobei jede von der ersten und der zweiten Gasturbine mit einer gesonderten Gasturbinenlager-Fluidversorgungseinheit strömungsmässig verbunden ist; und/oder die ferner eine vierte Rotorwelle, einen vierten Generator und eine dritte Gasturbine aufweist; wobei die dritte Gasturbine an der vierten Rotorwelle mit dem vierten Generator verbunden ist.

10. Antriebsstrangarchitektur nach Anspruch 9, die ferner einen dritten Wärmetauscher aufweist, der mit der dritten Gasturbine und der Dampfturbine strömungsmässig verbunden ist; und wobei die dritte Gasturbine mit einer anderen Gas-turbinenlager-Fluidversorgungseinheit strömungsmässig verbunden ist, die von denjenigen einzelnen, die mit der ersten Gasturbine und der zweiten Gasturbine verbunden sind, gesondert ist.

11. Antriebsstrangarchitektur nach Anspruch 1, wobei die erste Gasturbine ferner einen Arbeitsturbinenabschnitt aufweist; wobei die erste Rotorwelle eine Mehrwellenanordnung aufweist, die eine Rotorwelle, die sich durch den Verdichterabschnitt und den Turbinenabschnitt erstreckt, und eine weitere Rotorwelle aufweist, die sich durch den Arbeitsturbinenabschnitt und den ersten Generator erstreckt, wobei jede der Rotorwellen durch die mehreren Lager gelagert ist; und wobei die eine Rotorwelle zum Arbeiten mit einer Drehzahl konfiguriert ist, die von einer Drehzahl der weiteren Rotorwelle, die mit einer konstanten Drehzahl läuft, verschieden ist.

12. Antriebsstrangarchitektur nach Anspruch 11, wobei der Arbeitsturbinenabschnitt mehrere rotierende Komponenten aufweist; und wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in dem Verdichterabschnitt, dem Turbinenabschnitt, dem ersten Generator und dem Arbeitsturbinenabschnitt das Material geringer Dichte aufweist; wobei die erste Gasturbine ferner einen Wiedererhitzungsabschnitt aufweisen kann, der mit dem Turbinenabschnitt entlang der einen Rotorwelle betriebsmässig verbunden ist, wobei der Wiedererhitzungsabschnitt einen Wiedererhitzungs-Brennkammerabschnitt und einen Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt aufweist, die mehrere rotierende Komponenten aufweisen; und wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in dem Verdichterabschnitt, dem Turbinenabschnitt, dem ersten Generator, dem Arbeitsturbinenabschnitt und dem Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt das Material geringer Dichte aufweisen kann.

13. Antriebsstrangarchitektur nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Verdichterabschnitt der ersten Gasturbine vordere Stufen distal zu dem Brennkammerabschnitt, hintere Stufen proximal zu dem Brennkammerabschnitt und mittlere Stufen aufweist, die dazwischen angeordnet sind, wobei jede von den vorderen Stufen, den hinteren Stufen und den mittleren Stufen mehrere rotierende Komponenten aufweist; wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in den vorderen Stufen des Verdichterabschnitts, den mittleren Stufen des Verdichterabschnitts, den hinteren Stufen des Verdichterabschnitts, dem Turbinenabschnitt, dem ersten Generator und dem Arbeitsturbinenabschnitt das Material geringer Dichte aufweist; und wobei die erste Gasturbine ferner einen Wellenstumpf aufweist, der sich durch die vorderen Stufen erstreckt, wobei die rotierenden Komponenten der vorderen Stufen um den Wellenstumpf angeordnet sind, um mit einer niedrigeren Drehzahl als die rotierenden Komponenten der mittleren und hinteren Stufen, die um die Rotorwelle angeordnet sind, zu arbeiten; wobei die mehreren Lager die mehreren Lager jede(n) von der einen Rotorwelle, der weiteren Rotorwelle und dem Wellenstumpf lagern können, wobei wenigstens eines der mehreren Lager, die die eine Rotorwelle, die weitere Rotorwelle und den Wellenstumpf lagern, das verlustarme Monotyp-Lager sein kann.

14. Antriebsstrangarchitektur nach Anspruch 13, wobei der Verdichterabschnitt der ersten Gasturbine vordere Stufen distal zu dem Brennkammerabschnitt, hintere Stufen proximal zu dem Brennkammerabschnitt und mittlere Stufen aufweist, die dazwischen angeordnet sind, wobei jede von den vorderen Stufen, den hinteren Stufen und den mittleren Stufen mehrere rotierende Komponenten aufweist, wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in den vorderen Stufen des Verdichterabschnitts, den mittleren Stufen des Verdichterabschnitts, den hinteren Stufen des Verdichterabschnitts, dem Turbinenabschnitt und dem ersten Generator das Material geringer Dichte enthält und wobei die erste Gasturbine ferner einen Wellenstumpf aufweist, der sich durch die vorderen Stufen erstreckt, wobei die rotierenden Komponenten der vorderen Stufen um den Wellenstumpf angeordnet sind, um mit einer geringeren Drehzahl zu arbeiten als die rotierenden Komponenten der mittleren und hinteren Stufen, die um die Rotorwelle angeordnet sind; wobei die mehreren Lager Wellenstumpflager zur Lagerung des Wellenstumpfs aufweisen können und wenigstens eines der Wellenstumpflager das verlustarme Hybridlager aufweisen kann; und/oder wobei die erste Gasturbine ferner einen Wiedererhitzungsabschnitt aufweisen kann, 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; und wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in den vorderen Stufen des Verdichterabschnitts, den mittleren Stufen des Verdichterabschnitts, den hinteren Stufen des Verdichterabschnitts, dem Turbinenabschnitt, dem ersten Generator und dem Wiedererhitzungs-Turbinenabschnitt das Material geringer Dichte aufweist.

15. Antriebsstrangarchitektur nach Anspruch 1, wobei der Verdichterabschnitt der ersten Gasturbine einen Niederdruckverdichterabschnitt und einen Hochdruckverdichterabschnitt aufweist, die jeweils mehrere rotierende Komponenten aufweisen; wobei der Turbinenabschnitt der ersten Gasturbine einen Niederdruckturbinenabschnitt und einen Hochdruckturbinenabschnitt aufweist, die jeweils mehrere rotierende Komponenten aufweisen; wobei die erste Rotorwelle eine Doppeltrommelwellenanordnung aufweist, die eine Niedergeschwindigkeitstrommel und eine Hochgeschwindigkeitstrommel aufweist; und wobei der Hochdruckturbinenabschnitt den Hochdruckverdichterabschnitt über die Hochgeschwindigkeitstrommel antreibt und der Niederdruckturbinenabschnitt den Niederdruckverdichterabschnitt und den ersten Generator über die Niedergeschwindigkeitstrommel antreibt; wobei die Niedergeschwindigkeitstrommel und die Hochgeschwindigkeitstrommel durch die mehreren Lager gelagert sein können, wobei wenigstens eines der Lager das verlustarme wobei Monotyp-Lager aufweist; und wobei wenigstens eine der rotierenden Komponenten in wenigstens einem von dem Niederdruckverdichterabschnitt, dem Hochdruckverdichterabschnitt, dem Niederdruckturbinenabschnitt, dem Hochdruckturbinenabschnitt und dem ersten Generator das Material geringer Dichte aufweisen kann.