DE19600419A1 - Maschinensatz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Maschinensatz, umfassend einen drehbaren Wellenstrang, zwei auf diesem aufsitzende Maschi­ nen, welche durch Rotation des Wellenstranges zwischenein­ ander Energie austauschen, sowie eine Vielzahl von Lagern, deren jedes den Wellenstrang lagert.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Maschinen­ satz mit einer ersten Maschine in Form einer Turbine, insbe­ sondere einer freilaufenden Gasturbine, sowie einer zweiten Maschine in Form eines Generators. Bei einem solchen Maschi­ nensatz überträgt der rotierende Wellenstrang mechanische Energie, die von der Turbine durch Entspannung eines Strö­ mungsmittels gewonnen wird, zu dem Generator, welcher die me­ chanische Energie in Elektrizität umwandelt. Unter einer "freilaufenden Gasturbine" wird in diesem Zusammenhang eine Turbine verstanden, die mit einem Strömungsmittel nach Art eines heißen Rauchgases beaufschlagt ist, wobei das Strö­ mungsmittel nicht vorgesehen ist zur Kondensation hinter der Turbine, und welche Turbine nicht in mechanischer Wirkverbin­ dung mit einer weiteren Maschine nach Art eines Turbokompres­ sors oder dergleichen steht; die Turbine ist lediglich mit der anderen Maschine des Maschinensatzes mechanisch verkup­ pelt. Der Gebrauch des Wortes "Gasturbine" im vorliegenden Zusammenhang entspricht nicht der weit verbreiteten Praxis, gemäß derer eine Gasturbine eine Einheit aus Kompressor zur Bereitstellung verdichteter Luft, Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung eines Brennstoffes in der verdichteten Luft unter Bildung eines Rauchgases und zumindest einer Turbine im eigentlichen Sinne zur Entspannung des Rauchgases ist. Eine solche Kombination wird vorliegend zwecks Unterscheidung als "Gasturbinenanlage" bezeichnet.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Maschinen­ satz mit einer Turbine, welche Bestandteil einer Gasturbinen­ anlage des sogenannten "zweiwelligen Typs" ist. Eine Gastur­ binenanlage des zweiwelligen Typs beinhaltet zwei Turbinen, die auf verschiedenen Wellensträngen aufsitzen. Auf einem er­ sten Wellenstrang sitzen eine der Turbinen sowie ein Korn­ pressor, welcher über den ersten Wellenstrang angetrieben wird. Auf einem zweiten Wellenstrang sitzt die andere Tur­ bine, und diese andere Turbine ist über den zweiten Wellen­ strang mit einer externen Abtriebsmaschine, beispielsweise einem Generator, verbunden. In diesem Zusammenhang bilden die andere Turbine, der zweite Wellenstrang sowie die Abtriebsma­ schine einen Maschinensatz, der wie einleitend angegeben, ausgeführt sein kann.

In einem Maschinensatz, der in der Einleitung genannten Art ist der Wellenstrang in jeder Maschine zweifach gelagert, so daß insgesamt zumindest vier Lager den Wellenstrang lagern. Dies erklärt sich daraus, daß herkömmlicherweise jede Maschi­ ne eine eigene Welle besitzt, welche zumindest zweifach ge­ lagert ist, und der Wellenstrang durch Verkuppeln der Wellen miteinander gebildet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Maschinensatz der eingangs genannten Art wesentlich zu vereinfachen.

Zur Lösung dieser Aufgabe angegeben wird ein Maschinensatz, umfassend einen drehbaren Wellenstrang, zwei auf diesem auf­ sitzende Maschinen, welche durch Rotation des Wellenstranges zwischeneinander Energie austauschen, sowie eine Vielzahl von Lagern, deren jedes den Wellenstrang lagert, wobei nur drei Lager vorhanden sind.

Die Erfindung geht aus von der überraschenden Erkenntnis, daß es ausreichend ist, einen zum Austausch von Energie zwischen zwei Maschinen vorgesehenen Wellenstrang nur dreifach zu la­ gern. In der Tat erweist sich, daß in jedem nach herkömmli­ cher Fachkunst ausgeführten Maschinensatz eines von insgesamt vier Lagern überflüssig ist.

Vorzugsweise sind die Lager in dem Maschinensatz derart ver­ teilt, daß einer ersten Maschine des Maschinensatzes ein La­ ger unmittelbar benachbart ist und einer zweiten Maschine des Maschinensatzes zwei Lager unmittelbar benachbart sind. Wei­ terhin vorzugsweise hat die erste Maschine zusätzlich einen den Wellenstrang umringenden Führungsring, durch welchen der Wellenstrang bei einer Deformation aus einer Normalform ab­ stützbar ist. Insbesondere diese Weiterbildung gewährleistet ein hohes Maß an Sicherheit gegen unerwünschte Deformationen der Welle, falls es, etwa im Rahmen eines Störfalles, zu starken Deformationen und Schwingungen des Wellenstranges kommt, und sie gewährleistet, daß die erste Maschine in her­ kömmlicher Weise transportabel ausgeführt werden kann, obwohl sie nur ein einziges Lager für ein in der ersten Maschine vorgesehenes Stück des Wellenstranges aufweist. Bei regulärem Betrieb des Maschinensatzes verbleibt zwischen dem Führungs­ ring und dem Wellenstrang ein kleiner Spalt, so daß keine nennenswerte Reibung zwischen dem Führungsring und dem Wel­ lenstrang auftritt. Lediglich im Rahmen eines Störfalls, oder im Rahmen eines Transports, kommt es zu einem Kontakt zwi­ schen dem Wellenstrang und dem Führungsring, wobei allerdings eine ausreichende Lagerung gewährleistet werden kann.

Das der ersten Maschine unmittelbar benachbarte Lager ist insbesondere ein in der ersten Maschine angebracht es internes Lager. In diesem Sinne bedeutet der Begriff "unmittelbar be­ nachbart" nicht, daß die Lager und die Maschinen in dem Ma­ schinensatz voneinander beabstandet sein müßten. Die Lager können sehr wohl integrale Bestandteile der Maschinen sein.

Die erste Maschine ist vorzugsweise eine Turbine, insbeson­ dere eine freilaufende Gasturbine, und die zweite Maschine ist vorzugsweise ein Generator. Diese Wahl ist jedoch keines­ wegs zwingend; je nach den Umständen des jeweiligen Einzel­ falls kann auch die erste Maschine der Generator und die zweite Maschine die Turbine sein. Wie dem auch sei, so kann die Turbine von einer Art sein, daß sie bei ihrem Betrieb auf den Wellenstrang einen Axialschub, also eine in einer Längs­ richtung des Wellenstrangs gerichtete Kraft, ausübt. Diese Kraft muß aufgefangen werden, und hierzu ist insbesondere eines der Lager ein einen solchen Axialschub aufnehmendes La­ ger, also ein Axiallager. Dieses Axiallager kann jedes der drei Lager sein; über die Positionierung des Axiallagers ist nach den Umständen des jeweiligen Einzelfalls entscheidbar. Die beiden anderen Lager können einfache Radiallager sein, welche lediglich Kräfte aufnehmen, die senkrecht zur Längs­ richtung des Wellenstranges gerichtet sind.

Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausgestaltung enthält der Wellenstrang eine zwischen den Maschinen angeordnete und zwischen dem Wellenstrang zugehörige andere Teile eingekup­ pelte Zwischenwelle, die eine Biegesteifigkeit hat, welche wesentlich geringer ist als Biegesteifigkeiten der anderen Teile, sowie jedes Lager lagert den Wellenstrang abseits der Zwischenwelle. Bei dieser Ausgestaltung wird ein eventueller Lagerversatz zwischen den Maschinen im wesentlichen von der Zwischenwelle ausgeglichen, indem diese entsprechend verbogen ist. Durch geeignete Wahl der Biegesteifigkeit kann die Belastung der Lager sowie die Belastung von Kupplungen in dem Wellenstrang in angemessener Höhe begrenzt werden. Die Zwi­ schenwelle kann aus einem Metall oder aus einem faserver­ stärkten, insbesondere glasfaserverstärkten, Kunststoff be­ stehen.

Bei einem Maschinensatz mit einer Zwischenwelle im Sinne der vorstehenden Ausführungen, welche ausgelegt ist zur Rotation des Wellenstranges mit einer vorbestimmten Nennfrequenz, ist jede Eigenfrequenz, die zu einer Biegeschwingung der Zwi­ schenwelle gehört, wesentlich verschieden von der Nennfre­ quenz oder einem ganzzahligen Vielfachen der Nennfrequenz. Diese Ausgestaltung vermeidet es, daß die wie erläutert even­ tuell verbogene Zwischenwelle beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Maschinensatzes zu einer Biegeschwingung angeregt wird. Hinsichtlich jedweder Schwingung, insbesondere jedweder Bie­ geschwingung, ist die Zwischenwelle als gedämpfter Resonator zu betrachten. Um die Zwischenwelle zu einer Biegeschwingung anzuregen, muß daher eine Anregung nicht genau mit einer Ei­ genfrequenz erfolgen, sondern auch eine Anregung mit einer von einer Eigenfrequenz leicht verschiedenen Frequenz kann die Zwischenwelle zu einer erzwungenen Biegeschwingung anre­ gen. Der Umfang, in dem dabei eine Abweichung von der Eigen­ frequenz möglich ist, ist festgelegt durch entsprechende Pa­ rameter des Wellenstranges. "Wesentlich verschieden" bedeu­ tet, daß es bei einer entsprechenden Anregung zu keinerlei maßgeblichen Anregungen einer Biegeschwingung kommt.

Die Lager in dem Maschinensatz jedweder Ausgestaltung können entsprechend den Umständen des jeweiligen Einzelfalls Gleit­ lager oder Wälzlager sein, wobei als Wälzlager insbesondere Rollenlager in Betracht gezogen werden.

Der Maschinensatz jedweder Ausgestaltung ist insbesondere ausgelegt zum Austausch der Energie mit einer Leistung zwi­ schen 25 Megawatt und 250 Megawatt, insbesondere von etwa 200 Megawatt. Dies kommt vor allem in Betracht für den Fall, daß die Maschine eine frei laufende Gasturbine und ein Gene­ rator sind. Ein derartiger Maschinensatz bildet beispiels­ weise einen wesentlichen Bestandteil eines Gasturbinenkraft­ werks oder eines Kombinationskraftwerks, bei dem ein aus der Gasturbine entlassenes Abgas einem Dampfkessel zugeführt wird, wo es zur Bereitstellung eines in einer entsprechend vorgesehenen Dampfturbine zu entspannenden, hochgespannten Dampfes dient.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Die Zeichnung beinhaltet mehrere schematische Darstellungen, und die Erläuterung der Zeichnung wird beschränkt auf die im vorliegenden Zusammenhang wichti­ gen Merkmale. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 Schemazeichnungen von Ausführungs­ beispielen für einen Maschinensatz im Sinne vorstehender Aus­ führungen;

Fig. 4 einen Teil eines Längsschnittes durch eine Gasturbi­ nenanlage mit einer Turbine, die Teil eines entsprechenden Maschinensatzes ist.

In allen Figuren der Zeichnung tragen einander entsprechende Teilmerkmale und Bestandteile jeweils dasselbe Bezugszeichen. In Anbetracht dessen gelten die nachfolgenden Ausführungen entsprechend für alle Figuren.

Zunächst wird Bezug genommen auf die Fig. 1, 2 und 3. De­ ren jede zeigt einen Maschinensatz mit einer ersten Maschine 1 in Form einer freilaufenden Gasturbine 1, einer zweiten Ma­ schine 2, nämlich eines Generators 2, sowie eines Wellen­ stranges 3, auf dem die Maschinen 1 und 2 aufsitzen und über den, wenn er rotiert, die Maschinen 1 und 2 zwischeneinander Energie austauschen. Der Austausch von Energie erfolgt in der Weise, daß die freilaufende Gasturbine 1 über den Wellen­ strang 3 den Generator 2 antreibt; dabei wandelt die freilau­ fende Gasturbine 1 thermodynamische Energie um in mechanische Energie, welche entlang des Wellenstranges 3 dem Generator 2 zufließt und dort in elektromagnetische Energie umgewandelt wird.

Der Wellenstrang 3 ist gelagert in drei Lagern 4 bzw. 5, wo­ bei in unmittelbarer Nachbarschaft der ersten Maschine 1 ein Lager 4 angeordnet ist bzw. in unmittelbarer Nachbarschaft der zweiten Maschine 2 zwei Lager 4 und 5 angeordnet sind. Die Lager 4, 5 umfassen zwei Radiallager 4 zur Aufnahme von Kräften senkrecht zu einer Längsrichtung des Wellenstranges 3 sowie ein Axiallager 5 zur Aufnahme eines dem Wellenstrang 3 mitgeteilte Axialschubs. In den vorliegenden Beispielen hat das Axiallager 5 zusätzlich dieselben Funktionen wie ein Radiallager 4.

Der Wellenstrang 3 ist zusammengekuppelt aus einer zwischen den Maschinen 1, 2 angeordneten Zwischenwelle 7 sowie zwei anderen Teilen 6, deren jedes eine eine der Maschinen 1 oder 2 durchquerende Welle ist. Zusammengekuppelt sind die Teile 6 und 7 an jeweiligen Kupplungen 9. Die Anordnung des einzigen Lagers 4 an der ersten Maschine 1 kann im übrigen den Anfor­ derungen des jeweiligen Einzelfalls Rechnung tragen. Gemäß Fig. 1 befindet sich dieses Lager 4 an einer der Zwischen­ welle 7 abgewandten Seite der ersten Maschine 1. Nach Fig. 2 befindet sich dieses Lager im Inneren der ersten Maschine 1, und nach Fig. 3 befindet sich dieses Lager 4 an einer der Zwischenwelle 7 zugewandten Seite der ersten Maschine 1.

Die Zwischenwelle 7 erfüllt in jedem der Ausführungsbeispiele spezifische Funktionen. Zunächst einmal kann dadurch, daß sie vorgesehen wird, zwischen den Maschinen 1 und 2 Platz ge­ schaffen werden, um ein Abgasführungsystem zur Abführung von Abgas aus der freilaufenden Gasturbine 1 in der Nähe des Wel­ lenstrangs 3 vorzusehen. Dies ist im Sinne vieler bekannter Konstruktionen erforderlich, da insbesondere Gasturbinen hö­ herer Leistung eine axiale Abströmung ihrer Abgase erfordern. Im vorliegenden Zusammenhang von Bedeutung ist auch, daß die Zwischenwelle 7 so ausgestaltet werden kann, daß sie leicht verbiegbar ist und einen eventuellen Versatz zwischen den verschiedenen Lagern 4 und 5 im wesentlichen allein aus­ gleichen kann. Hierzu wird die Zwischenwelle 7 mit einer ver­ gleichsweise geringen Biegesteifigkeit, gemessen an den Bie­ gesteifigkeiten der anderen Teile 6, ausgeführt. Von Bedeu­ tung ist auch, die Zwischenwelle 7 so zu gestalten, daß sie bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb des Maschinensatzes nicht zu Biegeschwingungen neigt; solche Biegeschwingungen können sich insbesondere dann ergeben, wenn die Zwischenwelle 7 wegen eines Versatzes zwischen den Lagern 4 und 5 leicht verbogen ist. Zu diesem Zweck wird die Zwischenwelle 7 so ausgelegt, daß jedwede Eigenfrequenz, die einer möglichen Biegeschwingung der Zwischenwelle 7 entspricht, wesentlich verschieden ist im Sinne der bereits früher gemachten Aus­ führungen von einer Nennfrequenz oder einem vielfachen der Nennfrequenz, mit welcher der Wellenstrang 3 beim bestim­ mungsgemäßen Betrieb des Maschinensatzes rotiert. Durch ent­ sprechende Wahl der Biegesteifigkeit sowie anderer Parameter der Zwischenwelle 7, insbesondere ihrer Masse, kann auch die Belastung der Lager 4 und 5 sowie der Kupplungen 9 einge­ stellt werden; es ist beispielsweise möglich und erstrebens­ wert, die Zwischenwelle 7 und ggf. die anderen Teile 6 des Wellenstranges 3 so auszulegen, daß wenigstens eine der Kupp­ lungen 9 selbst bei einer gewissen Verbiegung des Wellen­ stranges 3, womit eventuell schon beim Stillstand des Wellen­ stranges 3 aufgrund der Verteilung der Masse zu rechnen ist, nicht mit Dreh- oder Biegemomenten belastet wird. Im Rahmen solcher Erwägungen kann es auf eine sorgfältige Auswahl des Werkstoffes für die Herstellung der Zwischenwelle 7 ankommen; hierzu kommen nicht nur übliche Metalle, sondern auch Kunst­ stoffe, insbesondere kohle- oder glasfaserverstärkte Kunst­ stoffe, in Betracht.

Fig. 4 zeigt einen Teil eines Längsschnittes durch eine Gasturbinenanlage, welche eine freilaufende Gasturbine 1 be­ inhaltet, welche zu einem Maschinensatz der soeben erläuter­ ten Art gehört. In unmittelbarer Nachbarschaft der freilau­ fenden Gasturbine 1 ist ein Lager 4 vorgesehen entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1. Eine Welle 6 im Inne­ ren der freilaufenden Gasturbine 1 ist gebildet aus miteinan­ der verschraubten und hintereinander angeordneten Scheiben. Dieser Welle 6 zugeordnet sind das Radiallager 4 an der lin­ ken Seite der freilaufenden Gasturbine 1 sowie ein, Führungs­ ring 8 an der rechten Seite der freilaufenden Gasturbine 1, welcher Führungsring 8 die Welle 6 während deren bestimmungs­ gemäßen Betriebs nicht berührt, sondern einen kleinen, in Fig. 4 nicht erkennbaren Spalt freiläßt. Die Welle 6 soll den Führungsring 8 nur dann berühren, wenn sie, beispielsweise im Rahmen eines Störfalls, stark deformiert wird. Ein solcher Störfall kann beispielsweise auftreten, wenn es in der frei­ laufenden Gasturbine 1 zu einem Bruch kommt. An einer Kupp­ lung 9 ist die Zwischenwelle 7 an die Welle 6 angekuppelt.

Links neben der freilaufenden Gasturbine 1 ist eine andere Gasturbine 11 angeordnet, welche einen (nicht dargestellten) Turboverdichter treibt, aus dem verdichtete Luft einer (ebenfalls nicht dargestellten) Verbrennungsanlage zugeführt wird, wo in dieser Luft ein Brennstoff unter Bildung eines Rauchgases verbrennt, welches Rauchgas zunächst der anderen Turbine 11 und dann der freilaufenden Gasturbine 1 zugestellt wird. Zur Lagerung beider Gasturbinen 1 und 11 ist ein ge­ meinsames Lagergehäuse 10 vorgesehen. Beide Gasturbinen 1 und 11 sind außerdem von einem gemeinsamen Turbinengehäuse 12 umgeben.

Die Erfindung stellt einen Maschinensatz mit zwei über einen Wellenstrang 3 verkuppelten Maschinen 1 und 2 bereit, welcher im Hinblick auf die notwendige Lagerung des Wellenstranges 3 besonders einfach und somit kostengünstig gestaltet ist.

Claims (12)

1. Maschinensatz, umfassend einen drehbaren Wellenstrang (3), zwei auf diesem aufsitzende Maschinen (1, 2), welche durch Rotation des Wellenstranges (3) zwischeneinander Energie austauschen, sowie eine Vielzahl von Lagern (4, 5), deren jedes den Wellenstrang (3) lagert, dadurch gekennzeichnet, daß nur drei Lager (4, 5) vorhanden sind.

2. Maschinensatz nach Anspruch 1, bei dem die Maschinen (1, 2) eine erste Maschine (1) und eine zweite Maschine (2) sind, wobei der ersten Maschine (1) ein Lager (4, 5) unmittelbar benachbart ist und wobei der zweiten Maschine (2) zwei Lager (4, 5) unmittelbar benachbart sind.

3. Maschinensatz nach Anspruch 2, bei dem die erste Maschine (1) zusätzlich einen den Wellenstrang (3) umringenden Füh­ rungsring (8) aufweist, durch welchen der Wellenstrang (3) bei einer Deformation aus einer Normalform abstützbar ist.

4. Maschinensatz nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das der ersten Maschine (1) unmittelbar benachbarte Lager (4, 5) ein in der ersten Maschine (1) angebrachtes internes Lager (4, 5) ist.

5. Maschinensatz nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die erste Maschine (1) eine Turbine (1), insbesondere eine freilaufende Gasturbine (1), und die zweite Maschine (2) ein Generator (2) ist.

6. Maschinensatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Maschinen (1, 2) eine Turbine (1), insbesondere eine freilaufende Gasturbine (1), sowie ein Generator (2) sind.

7. Maschinensatz nach Anspruch 5 oder 6, bei dem eines der Lager (4, 5) ein einen Axialschub aufnehmendes Lager (5) ist.

8. Maschinensatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wellenstrang (3) eine zwischen den Maschinen (1, 2) angeordnete und zwischen dem Wellenstrang (3) zugehörige andere Teile (6) eingekuppelte Zwischenwelle (7) aufweist, die eine Biegesteifigkeit hat, welche wesentlich geringer ist als Biegesteifigkeiten der anderen Teile (6), sowie jedes Lager (4, 5) den Wellenstrang (3) abseits der Zwischenwelle (7) lagert.

9. Maschinensatz nach Anspruch 8, bei dem die Zwischenwelle (7) aus einem Metall oder aus einem faserverstärkten, insbe­ sondere glasfaserverstärkten, Kunststoff besteht.

10. Maschinensatz nach Anspruch 8 oder 9, welcher ausgelegt ist zur Rotation des Wellenstranges (3) mit einer vorbestimm­ ten Nennfrequenz, und bei dem jede Eigenfrequenz, die zu einer Biegeschwingung der Zwischenwelle (7) gehört, wesent­ lich verschieden von der Nennfrequenz oder einem ganzzahligen Vielfachen der Nennfrequenz ist.

11. Maschinensatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lager (4, 5) Gleitlager (4, 5) oder Wälzlager (4, 5) sind.

12. Maschinensatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Maschinen (1, 2) ausgelegt sind zum Austausch der Energie mit einer Leistung zwischen 25 MW und 250 MW, insbe­ sondere von etwa 200 MW.