DE1958527B2

DE1958527B2 - Lagerung fuer die abtriebswelle einer gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE1958527B2
Application number: DE19691958527
Authority: DE
Inventors: Jack Blanc Mesml Seine Saint Denis Guillot (Frankreich)
Original assignee: Fa Bennes Marrel, Saint Etienne, Loire (Frankreich)
Priority date: 1968-11-28
Filing date: 1969-11-21
Publication date: 1973-07-19
Also published as: AT306453B; NL6917837A; FR1594315A; CA925135A; CH528013A; US3652178A; ES374206A1; GB1291466A; DE1958527A1

Description

^a5 Die Erfindung betrifft eine Lagerung für die Abtriebswelle einer Gasturbinenanlage mit zwei im Axial-ibstand zueinander innerhalb eines Lagergehäuses angeordneten Lagern, wobei das mit dem Außengehäuse der Gasturbine verbundene Lagergehäuse koaxial innerhalb eines ringförmigen Abgaskanals angeordnet und von diesem thermisch abgeschirmt ist und wobei die als Gleitlager ausgebildeten Wellenlager in einem gesonderten Lagerkörper angeordnet sind.

Bekanntlich sind bei einer Gasturbinenanlage die Lager der Abtriebswelle während der Abgabe von Nutzleistung hohen Beanspruchungen unterworfen. Die Lager arbeiten unter sehr schwierigen Bedingungen, da sie nicht nur mechanischen Beanspruchungen, sondern auch einer beträchtlichen Erwärmung unterworfen sind. Darüber hinaus erfordert die hohe Drehzahl, mit welcher die Abtriebswelle rotiert (für gewöhnlich mehr als 40 000 U/min) eine vollkommene Zentrierung der Abtriebswelle in den Lagern. Die Beherrschung dieser Probleme ist bei kleineren Gasturbinenanlagen für Fahrzeuge, insbesondere Lastkraftwagen, besonders schwierig, da Drehzahl und Belastung solcher Anlagen stark schwanken, während die Lager unter allen vorkommenden Belastungen und bei allen vorkommenden Drehzahlen einwandfrei arbeiten müssen.

Eine bekannte Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art ist diesen Problemen nicht gewachsen da sich der Lagerkörper mit flanschförmigen Anschlä gen gegen die Enden des Lagergehäuses abstützt unc dadurch keinerlei Axialbewegung der Abtriebsweih des Turbinenrades mit dem Lagerkörper innerhalt des Lagergehäuses zuläßt. Da die Temperatur voi außen, nämlich vom Abgaskanal her radial nach ein wärts absinkt, nehmen das Lagergehäuse und der La gerkörper mit den Gleitlagern im Betrieb eine größen Temperatur an als die Welle, und es besteht die Ge fahr einer axialen Verspannung und Verklemmung wenn nicht Sorge dafür getragen wird, daß die Ab triebswelle ein ausreichendes Axialspiel hat.

Nun genügt es aber nicht, etwa nur willkürlich eine der Gleitlager zugleich als Axiallager auszubilden um dem anderen Gleitlager eine Axialbewegung der Ab

triebswelle zu ermöglichen. Es muß darüber hinaus auch in Betracht gezogen werden, daß der die Gleitlager enthaltende Lagerkörper sich um ein anderes Maß in Axialrichtung ausdehnt als das Lagergehäuse, und schließlich muß verhindert werden, daß das vom Türbinenrad in den Abgaskanal strömende heiße Gas mit der Welle und den Lagern in Berührung kommt und dort zu übermäßigen Erwärmungen führt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, «ine Lagerung für die Abtriebswelle einer Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine genaue Zentrierung der drehenden Abtriebswelle unter allen vorkommenden Belastungen und Drehzahlbedingungen sichergestellt ist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Lagerkörper an seinem dem Turbinenrad abgewandten Ende im Lagergehäuse axial und radial festgelegt und nahe dem entgegengesetzten Ende mit Hilfe von mindestens drei im gleichen Umfangsabstand angeordneten und in Führcngsnuten eingreifenden Paßstücken zentrisch, aber axial verschieblich im Lagergehäuse geführt ist, daß das vom Turbinenrad abgelegene Wellenlager ein kombiniertes Radial-Axi<ii-Lagei ist, während das dem Turbinenrad näherliegende Wellenlager ein eine Axialbewegung gestattendes Radiallager ist, und daß das gegen das Turbinenrad gerichtete Ende des Lagerkörpers in der Innenwandung des Abgaskanals dichtend und axial verschieblich geführt ist.

Bei einer Hochdruck-Dampfturbine war es zwar bereits bekannt, die wärmebewegliche Abstützung und Zentrierung des Leitschaufelträgers im Deckel des Turbinengehäuses mit Hilfe von dort am Umfang verteilten Radialbolzen vorzunehmen, die in Gleitsteine eingreifen, welche in axiale Gleitnuten des Gleitschaufelträgers eingepaßt sind. Die bloße Übertragung einer solchen Maßnahme auf eine Lagerung der eingangs genannten Art zum Zwecke der Zentrierung des Lagerkörpers im Lagergehäuse hätte jedoch nicht genügt. Vielmehr ergibt sich die Lösung der Erfindungsaufgabe erst durch das Zusammenwirken der vorstehend aufgeführten drei Merkmale: Durch die Ausbildung des vom Turbinenrad weiter entfernteren Wellenlagers als Festlager innerhalb des an dieser Stelle auch fest im Lagergehäuse angeordneten Lagerkörpers vermögen sich unter der unvermeidlichen Wärmeeinwirkung sowohl der Lagerkörper mit dem anderen Wellenlager als auch die Welle selbst mit dem Turbinenrad am inneren Ende auszudehnen, wobei das gegen das Turbinenrad gerichtete Ende des Lagerkörpers dank seiner abgedichteten Verschieblichkeit in der Innenwandung des Abgaskanals verhindert, daß die heißen Abgase unmittelbar mit dem Hauptteil des Lagerkörpers und dem Lagergehäuse in Berührung kommen. Gleichzeitig kann der Abstand zwischen der Stirnseite des Lagerkörpers und der Lage des Turbinenrades verhältnismäßig klein ausgebildet sein, so daß auch hier die heißen Gase gehindert werden, unmittelbar mit der Wellenlagerung in Berührung zu kommen. All diese kleinen Abstände und Abdichtungen werden dadurch ermöglicht, daß die Welle infolge der Zentrierung des im Lagergehäuse axial verschieblich angeordneten Lagerkörpers mit Hilfe der Gleitstücke trotz ihrer nicht zu vermeidenden Wärmeausdehnung unter allen Betriebsbedingungen genau zentriert bleibt.

Eine besonders zweckmäßige konstruktive Ausbildung des gegen das Turbinenrad gerichteten Endes des Lagerkörpers und der Abdichtung gegen den Abgaskanal wird in vorteilhafter Weiterbildung der fcrfindung dadurch erreicht, daß das gegen das Turbinenrad gerichtete Ende des Lagerkörpers von einem eine Dichtung tragenden Vorsatzring gebildet ist der mittels die Paßstücke in Bohrungen axial durchsetzender Schrauben unter Zwischenschaltung der FaIistücke gegen den Lagerkörper verspannt ist.

Nach einem anderen Merkmal zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in Hinblick auf die Kühlung und Isolierung des Lagers gegenüber dem Abgaskanal dient ein an sich bekannter Ringraum zwischen dem Abgaskanal und dem Lagergehäuse als Kühlkanal für einen von dem Verdichter der Gasturbine abgezweigten Kühlluftstrom, welcher diesen Kanal axial durchströmt und zum Schluß durch Durchbrechungen in der Innenwandung des Abgaskanals den in diesem strömenden heißen Gasen beigemischt wird. Bei einer solchen Ausgestaltung ist es besonders vorteilhaft, zwischen dem vom Kühlluftstrom des Verdichters durchströmten Ringraum und dem Lagergehäuse einen weiteren Ringraum auszubilden, durch welchen ein zusätzlicher Kühlluftstrom aus der umgebenden Atmosphäre längs der gesamten Außenseite des Lagergehäuses mittels einer von Gewindegängen auf der Abtriebswelle innerhalb einer feststehenden zylindrischen Innenfläche gebildeten Schraubenpumpe saugbar und in das Innere des Lagerkorpers über im Lagergehäuse und im Lagerkorper angeordnete Durchbrechungen einleitbar ist.

In Verbindung mit den vorstehend erwähnten vorteilhaften Ausgestaltungsmerkmalen der Erfindung ist es zur Kühlung und Isolierung des Lagers insbesondere an der gegen das Turbinenrad gerichteten Stirnseite weiterhin zweckmäßig, zwischen dem Lagerkorper und dem Vorsatzring radial gegen die Welle vorstehende Leitscheiben für den in das Innere des Lagerkörpers saugbaren Kühlluftstrom einzuspannen. Schließlich wird nach einem besonderen Ausgesta tungsmerkmal der Erfindung eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Wellenlager zur Erfüllung der durch die Erfindung angestrebten Eigenschaften einschließlich einer günstigen Schmierung dadurch erhalten, daß die Wellenlager von im Lagerkörper unverschieblich angeordneten Lagereinsätzen gebildet sind, von denen der am axial festgelegten Ende des Lagerkörpers befindliche Lagereinsatz zwischen zwei Wellenbunde der Abtriebswelle eingreift, die außenseitig von je einer im Lagerkörper zentrisch befestigten Zentrierscheibe zentriert werden. Zweckmäßig ist dabei ein in einer Längsbohrung des Lagerkörpers angeordnetes und bei Wärmeausdehnung desselben dichtend verschiebliches Kanalrohr zur Verbindung eines im Turbinengehäuse angeordneten Olvorratsraumes mit zu den Wellenlagern führenden Radialbohrungen innerhalb des Lagerkörpers und der Lagereinsätze vorgesehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung naher erläutert. Es zeigt . ..

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Zweiwellengasturbinenanlage mit der erfindungsgemaßen Lagerung für die Abtriebswelle der Nutzleistungsturbine, Fig. 2 einen Schnitt nach Linie II-I in big- «, Fig. 3 einen Schnitt nach Linie IH-II in Fig. 4, Fig. 4 einen Schnitt nach Linie IV-IV in ng. 1,

^UnF i g. 5 in vergrößertem Maßstab eine Einzelheit aus

5 6

Fig. 1 mit Einrichtungen zur axialen Positionierung einem Gehäuseteil 30 des Lagergehäuses 11 aufge-

der Welle sowie zur Schmierung der Lagerflächen. nommen. Da der rückwärtige Lagerblock 21 und der

Die in Fig. 1 dargestellte Gasturbinenanlage be- Lagereinsatz25 mit dem Gehäuseteil 30 des Lagergesteht im wesentlichen aus einer Verdichterstufe 1 und häuses 11 eine steife Einheit bilden, wird auf diesem einer Nutzleistungsstufe 2. Die Verdichterstufe 1 um- 5 Wege eine genaue axiale Positionierung der Abtriebsfaßt ein (nicht dargestelltes) Zentrifugalverdichterrad welle 9 sichergestellt. Da ferner die axiale Länge 31 und ein Hochdruckturbinenrad 3, das mit dem Zentri- der Lagerfläche 24 (Fig. 5) größer ist als die axiale fugalverdichterrad auf einer gemeinsamen Primär- Erstreckung 32 des Lagereinsatzes 23, kann sich die welle 4 angeordnet ist. Die in (nicht dargestellten) Welle 9, wie ohne weiteres erkennbar, ohne Rückwir-Brennkammern unter hohem Druck erzeugten heißen >o kung auf den Lagereinsatz 23 ausdehnen und zusam-Brenngase werden einem Ringraum 5 zugeführt, von menziehen.

wo aus sie durch die festen Schaufeln eines ersten Gemäß der Darstellung in F i g. 3 und 4 ist der rück-Leitschaufelkranzes 6 und daraufhin durch die dreh- wärtige Lagerblock 21 mit vier Schrauben 22 am vorbaren Schaufeln des Hochdruckturbinenrades 3 hin- deren Lagerblock 12 befestigt. Der vordere Lagerdurchtreten. Im Anschluß an das Hochdruckturbi- '5 block 12 muß in der Lage sein, in heißem Zustand nenrad 3 strömen die heißen Gase zu einem innerhalb des Lagergehäuses 11 unter dem Einfluß Niederdruckschaufelkranz und dann zu den drehba- der Wärmeausdehnung der Lageranordnung zu gleiren Schaufeln eines Niederdruckturbinenrades 7, an ten, während gleichzeitig eine genaue Zentrierung des dessen Auslaßseite sie sich in einem Abgaskanal 8 Lagereinsatzes 23 ungeachtet der Temperatur sichersammeln und von dort in die Atmosphäre abströmen. *° gestellt sein muß. Zu diesem Zwecke sind drei axiale

Das Niederdruckturbinenrad 7 sitzt auf einer Se- Schrauben 33 vorgesehen, deren jede mit ihrem Kopf

kundär- oder Abtriebswelle 9, über welche die vom den Lagerblock 12 erfaßt, während das Gewindeende

Gasstrom am Hochdruckturbinenrad 3 erzeugte in die Gewindebohrung eines Vorsatzringes 35 an der

Nutzleistung beispielsweise zu einem Untersetzungs- Auslaßseite des Niederdruckturbinenrades 7 ein-

getriebe 10 geleitet wird, das in Fig. 1 nur schema- ²5 greift. Zwischen den Schraubenköpfen 34 und dem

tisch angedeutet ist. Vorsatzring 35 sind eine Anzahl Leitscheiben 36 unter

Zwischen dem Niederdruckturbinenrad 7 und dem Zwischenschaltung von drei als Abstandshalter zwi-Untersetzungsgetriebe 10 ist die Abtriebswelle 9 in sehen dem Lagerblock 12 und den Leitscheiben 36 einem Lagergehäuse 11 mit einem darin enthaltenen dienenden Paßstücken 37 verspannt. Die drei Paß-Lagerblock 12 gelagert. 3° stücke 37 sind im Winkelabstand von 120° um die

Das Lagergehäuse 11 ist extrem steif ausgebildet Abtriebswelle 9 verteilt. Ein jedes Paßstück hat eine und hierzu vorzugsweise in einem Stück gegossen. axiale Erstreckung und überragt in radialer Richtung Hierdurch bildet es einen besonders festen Sitz für die äußere Mantelfläche des Lagerblocks 12, um in den Lagerblock 12. Zur Sicherstellung einer guten eine Führungsnut 38 am vorderen Ende des festen thermischen Isolation ist der Abgaskanal 8 mit einer 35 Lagergehäuses 11 einzugreifen.
Umkleidung 13 versehen (Fig. 1). Unter geringem Die Wandung des Abgaskanals 8 und der Stahl-Druck stehende Luft streicht über die Außenseite die- mantel 16 sind gegenüber dem Lagerblock 12 mit ser Umkleidung 13, wobei diese Luft von der Leck- Hilfe von Dichtungen 39 bzw. 40 abgedichtet, die ein luftströmung des Zentrifugalverdichterrades aus ei- relatives Gleiten innerhalb des Abgaskanals bzw. des nem Sammelraum 14 der Verdichterstufe abgezweigt *o Stahlmantels unter Wärmeausdehnung gestatten,
wird und in Richtung der Pfeile 15 zwischen der Um- Zur inneren Abdichtung dienen auf der Abtriebskleidung 13 und einem Stahlmantel 16 entlangströmt, welle 9 angeordnete Schraubengänge 41, die innerum sich schließlich mit den Abgasen im Abgaskanal 8 halb der glatten zylindrischen Innenfläche 42 der eiüber Durchbrechungen 17 zu vereinigen, die in der nen der festen Leitscheiben 36 drehen, wodurch die Wandung des Abgaskanals 8 unmittelbar hinter dem 45 Wirkung einer Schraubenpumpe entsteht, mittels Niederdruckturbinenrad 7 vorgesehen sind. welcher Frischluft aus der Kammer 18 durch die

Zwischen dem Stahlmante! 6 und dem Lagerge- Durchbrechungen 2 (Fig. 3) im Lagergehäuse 11

häuse 11 ist eine Kammer 18 in der Form eines Ke- sowie durch als Bohrungen ausgebildete Durchbre-

gelstumpfes gebildet, die mit der umgebenden Atmo- chungen 43 an der Vorderseite des Lagerblocks 12

sphäre durch eine Anzahl von radialen Durchbre- 50 in Richtung auf den Lagereinsatz gefördert wird, wie

chungen 19 verbunden ist. Die Kammer 18 steht dies die Pfeile 44 in den Fig. 1, 2 und 3 andeuten,

ferner mit dem Innenraum des Lagergehäuses 11 über Die vorbeschriebene Anordnung arbeitet wie folgt:

Durchbrechungen 20 (Fig. 3) in der Nähe der Aus- Wenn die Turbine rotiert, wird das Lagergehäuse

laßseite des Niederdruckturbinenrades 7 in Verbin- 11 durch die verschiedenen Luftströmungen gemäß

dung. 55 den Pfeilen 15 und 44 in den Fi g. 2 und 3 kühl gehal-

Der Lagerblock 12 ist mit einem rückwärtigen ten, wobei diese Kühlwirkung durch die Umkleidung

Block 21 zu einem massiven Lagerkörper vereinigt. 13 unterstützt wird. Die Luftumwälzung wird dabei

Ferner weist der Lagerblock 12 eine zylindrische zn einem TeQ von der Schraubenpumpe 41, 42, die

Außenform auf, mit welcher er im kalten Zustand in gleichzeitig eine Dichtung bildet, dergestalt bewirkt,

das vordere Ende des Lagergehäuses 11 eingepreßt 60 daß Frischluft in Richtung auf den Lagereinsatz 23

ist. Der Lagerblock 12 nimmt einen Lagereinsatz 23 geblasen wird. Der Lagerblock 12, der innerhalb des

auf, der mit einer Lagerfläche 24 der Abtriebswelle 9 Lagergehäuses 11 bei thermischer Ausdehnung glei-

zusammenarbeitet- Weiterhin ist der Lagerblock 21 ten kann, wird durch die Paßstücke 37 zentriert,

gemäß der Darstellung in F i g. 5 mit einem Lagerein- Um die Zentrierung des vorderen Lagerblocks 12

satz 25 versehen, der zwischen Weflenbunde 26 und 6₅ am rückwärtigen Lagerblock 21 sicherzustellen, sind

27der Abtriebswelle 9 eingreift. Zentrierscheiberi 28 zwei Zentriereinsätze 45 (Fig. 4) vorgesehen,

und 29 zentrieren die Flansche 26 und 27 an ihren DieSchmierungderLagerflächenandenTeflen25,

zylindrischen Außenflächen. Das Widerlager 21 ist in 28,29,23 erfolg! nut Hilfe von öl aus einem ringför-

migen ölvorratsraum 46 (Fig. 5). Ein sich im rückwärtigen Lagerblock 21 längs erstreckendes Kanalrohr 47 dient der Verteilung des Öls in Radialkanäle 48 innerhalb des Lagerblocks 21, die zwischen dem Lagereinsatz 25 und einer die Flanschen 26 und 27 verbindenden Zylinderfläche 49 an der Abtriebswelle 9 münden. Weiterhin steht das Kanalrohr 47

über einen Kanal 50 innerhalb des vorderen Lage blocks 12 mit einer zur Lagerfläche 24 offene Schmiernut 51 innerhalb des Lagereinsatzes 23
Verbindung. Das Kanalrohr 47 vermag innerhalb di Lagerblocks 12 zu gleiten und ist gegen dessen BoI rungswandung mit Hilfe einer Dichtung 52 abgedicl tet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309 529/2

Claims

Patentansprüche:

1. Lagerung für die Abtriebswelle einer Gasturbinenanlage mit zwei im Axialabstand zueinander innerhalb eines Lagergehäuses angeordneten Lagern, wobei das mit dem Außengehäuse der Gasturbine verbundene Lagergehäuse koaxial innerhalb eines ringförmigen Abgaskanals angeordnet und von diesem thermisch abgeschirmt ist und wobei die als Gleitlager ausgebildeten Wellenlager in einem gesonderten Lagerkörper angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerkörper (12,21) an seinem dem Turbinenrad (7) abgewandten Ende im Lagergehäuse (11) axial und radial festgelegt und nahe dem entgegengesetzten Ende mit Hilfe von mindestens drei im gleichen Umfangsabstand angeordneten und in Führungsnuten (38) eingreifenden Paßstücken (37) zentrisch, aber axial verschieblich im Lagergehäuse (11) geführt ist, daß das vom Turbinenrad (7) abgelegene Wellenlager (25,28, 29) ein kombiniertes Radial-Axial-Lager ist, wahrend das dem Turbinenrad (7) näherliegende Wellenlager (23) ein eine Axialbewegung gestattendes Radiallager ist, und daß das gegen das Turbinenrad (7) gerichtete Ende (35) des Lagerkörpers (12, 21) in der Innenwandung des Abgaskanals dichtend und axial verschieblich geführt ist.

2. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gegen das Turbinenrad (T) gerichtete Ende des Lagerkörpers (12,21) von einem eine Dichtung (39) tragenden Vorsatzring

(35) gebildet ist, der mittels die Paßstücke (37) in Bohrungen axial durchsetzender Schrauben (33) unter Zwischenschaltung der Paßstücke gegen den Lagerkörper (12, 21) verspannt ist.

3. Lagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein an sich ■bekannter Ringraum zwischen dem Abgaskanal (8) und dem Lagergehäuse (11) als Kühlkanal für einen von dem Verdichter (1) der Gasturbine abgezweigten Kühlluftstrom (15, 44) dient, welcher diesen Kanal axial durchströmt und zum Schluß durch Durchbrechungen (17) in der Innenwandung des Abgaskanals (8) den in diesem strömenden heißen Gasen beigemischt wird.

4. Lagerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem vom Kühlluftstrom des Verdichters durchströmten Ringraum und dem Lagergehäuse (11) ein weiterer Ringraum (18) ausgebildet ist, durch welchen ein zusätzlicher Kühlluftstrom aus der umgebenden Atmosphäre längs der gesamten Außenseite des Lagergehäuses mittels einer von Gewindegängen (41) auf der Abtriebswelle (9) innerhalb einer feststehenden zylindrischen Innenfläche (42) gebildeten Schraubenpumpe saugbar und in das Innere des Lagerkörpers über im Lagergehäuse und im Lagerkörper angeordnete Durchbrechungen (20 bzw. 43) einleitbar ist.

5. Lagerung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Lagerkörper (12, 21) und dem Vorsatzring (35) radial gegen die Welle vorstehende Leitscheiben

(36) für den in das Innere des Lagerkörpers (12, 21) saugbaren Kühlluftstrom eingespannt sind.

6. Lagerung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlager von im Lagerkörper (12, 21) unverschieblich angeordneten Lagereinsätzen (23, 25) gebildet sind, von denen der am axial festgelegten Ende (21) des Lagerkörpers (12, 21) befindliche Lagereinsatz (25) zwischen zwei Wellßnbunde (26, 27) der Abtriebswelle (9) eingreift, die außenseitig von je einer im Lagerkörper zentrisch befestigten Zentrierscheibe (28, 29) zentriert werden.

7. Lagerung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein in einer Längsbohrung des Lagerkörpers (12,21) angeordnetes und bei Wärmeausdehnung desselben dichtend verschiebliches Kanalrohr (47) zur Verbindung eines im Turbinengehäuse angeordneten ölvorratsraumes (46) mit zu den WeI-lenlagern führenden Radialbohrungen (48, 50) innerhalb des Lagerkörpers (12, 21) und der Lagereinsätee (23, 25).