DE2057674A1

DE2057674A1 - Schmiersystem fuer Turbinenanlagen

Info

Publication number: DE2057674A1
Application number: DE19702057674
Authority: DE
Inventors: Berman Paul A
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1969-11-28
Filing date: 1970-11-24
Publication date: 1971-06-09
Also published as: NL7017360A; FR2072390A5; US3658153A; BE759344A; GB1255307A

Description

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W. 502

Augsburg, den 19. November 1970

Westinghouse Electric Corporation, 3 Gateway Center, Pittsburgh, Pennsylvania, V.St.A.

Schmiersystem für Turbinenanlagen

Die Erfindung betrifft ein Schmiersystem für Turbinenanlagen, mit einer das Schmieröl von einem Vorratsbehälter zu den Wellenlagern der Turbinenanlage und von da zurück zum Vorratsbehälter fördernden Schmierölpumpe und mit einem in die Schmierölrückleitung zwischen die Wellenlager und den Vorratsbehälter geschalteten Ölkühler.

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Bei derartigen Schmiersystemen ist es im allgemeinen üblich, das von den Wellenlagern der Turbinenanlage kommende heiße Schmieröl über einen dem ölkühler nachgeschalteten ölfilter dem Vorratsbehälter zuzuführen, von wo das gekühlte öl wieder in die Wellenlager gelangt. Bei Turbinenanlagen, welche keine Kühlwasserversorgung haben, erfolgt die Kühlung des Schmieröls im ölkühler mittels eines Wärmetauschers, welchem mittels eines elektrisch angetriebenen Gebläses Kühlluft zugeführt wird.

Bei Gasturbinenanlagen kommt es vor, daß die einen elektrischen Generator antreibende Gasturbine gestartet werden muß, obwohl keine elektrische Energie zum Antrieb des Ölkühlergebläses zur Verfügung steht. Solche Fälle treten beispielsweise dann auf, wenn das gesamte Verteilernetz überlastet wird, so daß die Hauptnetzschalter der das Netz speisenden Generatoren ausfallen. Tritt dies ein, so wird plötzlich die gesamte Last der den betreffenden Generator antreibenden Turbine weggenommen und es besteht Gefahr, daß die Turbine durchgeht, wenn sie nicht sofort abgestellt wird. Es ist folglich Vorsorge getroffen, daß in solchen Fällen die Turbinenrege!vorrichtung ein sofortiges Abstellen der Turbine bewirkt. Folglich muß die Turbine anschließend wieder neu angelassen werden, doch ist dies

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nicht immer ganz einfach. Gasturbinentriebwerke benötigen nämlich ebenso wie Brennkraftmaschinen mit hin- und hergehenden Teilen zum Starten eine äußere Antriebsquelle, doch muß im Gegensatz zu Brennkraftmaschinen mit hin- und hergehenden Teilen das Anlassen von Gasturbinen mit verhältnismäßig hoher Drehzahl erfolgen, beispielsweise mit einer Drehzahl in der Größenordnung von etwa 45 % der Nenndrehzahl, bevor die Gasturbine in der Lage ist, sich selbst zu betreiben und mit eigener Kraft zu laufen. Außerdem ist eine gewisse zusätzliche Betriebszeit der Gasturbine erforderlich, bevor der Hauptnetzschalter des Generators wieder eingelegt werden kann und folglich die Turbine wieder belastet werden kann.

Bei den meisten Turbinenanlagen wird die Haupt-Schmierölpumpe des Schmiersystems von einer Welle der Turbinenanlage selbst angetrieben. Wird heißes Schmieröl vom Vorratsbehälter in die Wellenlager der Turbinenanlage gepumpt, weil der ölkühler wegen des Fehlens elektrischer Antriebsenergie für das Kühlgebläse nicht arbeitet, so kann das in die Wellenlager der Turbinenanlage eintretende heiße Schmieröl dort Beschädigungen verursachen. Polglich muß bei vielen Gasturbinenanlagen, welche keine eigene Kühlwasserversorgung und statt dessen ein elektrisch ange-

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triebenes Kühlgebläse für den ölkühler aufweisen, mit dem Wiederanlassen der Gasturbinenanlage so lange gewartet werden, bis sich das im Vorratsbehälter befindliche heiße Schmieröl abgekühlt hat.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Wiederanlassen derartiger Turbinenanlagen ohne eigene Kühlwasserversorgung auch dann zu ermöglichen, wenn für den Betrieb des Kühlluftgebläses des ölkühlers keine elektrische Antriebsenergie zur Verfügung steht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein besonderer, das von den Wellenlagern kommende Schmieröl aufnehmender Auffangbehälter und eine diesen Auffangbehälter mit dem Vorratsbehälter verbindende Überlaufleitung vorgesehen ist, deren Mündungsöffnung im Vorratsbehälter auf einer bestimmten Höhe liegt, und daß dem ölkühler ein ölkühlkreislauf mit einer elektrisch betriebenen Förderpumpe und einem Wärmetauscher zugeordnet ist, der sich vom Auffangbehälter über diese Förderpumpe und diesen Wärmetauscher bis zum Vorratsbehälter erstreckt.

Die Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf die anliegende Zeichnung anhand zweier bevorzugter Ausführungs-

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formen in ihren Einzelheiten beispielsweise beschrieben. Xn der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 einen Schemaplan einer Gas

turbinenanlage mit einem erfindungsgemäßen Schmiersystem und

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt

durch einen Vorratsbehälter gemäß einer abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schmiersystems.

Die in Fig. 1 dargestellte Gasturbinenanlage weist einen Verdichterteil 1O₁ einen Gasturbinenteil 12 und eine zwischen den Verdichterteil 10 und den Gasturbinenteil 12 geschaltete Brennkammer Ik auf. Die in der Zeichnung nicht dargestellten Rotorkonstruktionen des Verdichterteils 10 und des Gasturbinenteils 12 sind jeweils miteinander durch eine Welle 16 verbunden. Aus einer nicht dargestellten Brennstoffquelle bezogener Brennstoff wird über ein Brennstoffregelsystem in die Brennkammer Ik eingespritzt. Die in den Verdichterteil 10 eintretende

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Luft wird verdichtet und in die Brennkammer 14 eingelassen, wo sie sich mit dem eingespritzten Brennstoff vermischt und sodann gezündet wird, worauf die sich bildenden Verbrennungsprodukte die Schaufeln der Rotorkonstruktion des Turbinenteils 12 beaufschlagen und so eine Drehung der Welle 16 verursachen.

Die Welle 16 kann einstückig oder mehrteilig ausgeführt sein und ist in Wellenlagern 18A, 18B, 18C und l8D gelagert. An einem Ende der Welle 16 ist ein Ritzel befestigt, welches mit einem Stirnrad 22 kämmt, das seinerseits an einer Welle 24 befestigt ist, welch letztere einen elektrischen Generator 26 antreibt. Die Welle 24 ist ebenso wie die Welle 16 in entsprechenden Wellenlagern 28A, 28B, 28c und 28D gelagert.

Wie eingangs bereits erwähnt wurde, ist zum Starten einer beispielsweise in Pig. I gezeigten Turbinenanlage ein besonderer Anlasser erforderlich, mit dessen Hilfe die Turbine auf eine Drehzahl von etwa 45 % ihrer Nenndrehzahl gebracht wird, bevor sie aus eigener Kraft laufen kann. Ein solcher Anlasser ist in Pig. I allgemein mit der Bezugsziffer 30 bezeichnet und kann beispielsweise die Form eines Dieselmotors haben. Der Anlasser 30 ist

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mit der Welle l6 über eine Schlupfkupplung gekuppelt, welche beispielsweise die Form eines hydraulischen oder pneumatischen Drehmomentwandlers haben kann. Eine Schlupfkupplung ist deshalb erforderlich, weil zum Anlassen des Turbinenrotors aus dem Stillstand auf die erforderliche Drehzahl ein Drehmoment erforderlich ist, welches der Anlasser, sofern er die Form eines Dieselmotors hat, erst dann aufbringt, wenn seine Drehzahl sich wesentlich über seiner Mindestleerlaufdrehzahl befindet. Folglich wäre eine Kupplung, welche nicht den erforderlichen Schlupf bietet, für derartige Zwecke nicht geeignet.

Eine SchrierÖlleitung 34 liefert Schmieröl sowohl zu den Lagerungen der Wellen 16 und 24 als auch zum Anlasser Die Schmierölleitung 34 ist ihrerseits über einen Öldruckregler 36 und einen Filter 38 an eine Schmierölpumpe 40 angeschlossen, welch letztere unmittelbar von der Welle angetrieben wird. Die Schmierölpumpe 40 weist einen an den Ölfilter 38 angeschlossenen Auslaß und einen über eine Leitung 46 an einen Schmieröl-VorratsbehMlter 48 angeschlossenen Einlaß 44 auf. Parallel zur Pumpe 40 ist eine mit Gleichstrom betriebene elektrische Pumpe 50 geschaltet, die aus einer geeigneten Gleichstromquelle gespeist wird, beispielsweise aus einer Batterie 52, an welche die Pumpe mittels eines Schalters 54 anschließbar ist. Die Gleich-

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strompumpe 50 fördert bei geschlossenem Schalter 54 Schmieröl über ein Rückschlagventil 56 zum ölfilter 38. Das Rückschlagventil 56 verhindert einen Rückstrom des Schmieröls von der Auslaßseite 42 der Pumpe 40 her. Die Auslaßseite des ölfilters 38 ist über ein überdruckventil mit dem Vorratsbehälter 48 verbunden, so daß, wenn der in der Leitung 34 herrschende Schmieröldruck eine bestimmte Grenze überschreitet, das überdruckventil 58 öffnet und Schmieröl in den Vorratsbehälter 48 zurückgelangen läßt.

Das durch die Lagerungen l8A ... l8D und 28A ... 28D gepumpte Schmieröl erhitzt sich in diesen Lagerungen. Das heiße Schmieröl fließt dann in den Auffangbehälter ab, wie dies in Fig. 1 durch den Pfeil D angedeutet ist, und wird von dort mittels einer Pumpe 62 durch den Wärmetauscher 64 eines ölkühlers 66 gefördert. Nachdem das Schmieröl den Wärmetauscher 64 durchströmt hat, wird es in nunmehr wieder abgekühltem Zustand über eine Leitung in den Vorratsbehälter 48 zurückgefördert.

Die ölpumpe 62 wird mittels eines Wechselstrommotors angetrieben. Ebenso wird auch das Gebläse 72 des ölkühlers 66 mittels eines weiteren Wechselstrommotors 74 angetrieben. Die beiden Wechselstrommotoren 70 und 74

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können über einen Schalter 75 an den Generator 26 oder an eine andere Wechselstromquelle angeschaltet werden.

Bei normalen Betriebsbedingungen, d.h. wenn die Turbine mit ihrer Nenndrehzahl umläuft, fördert die Pumpe 40 Schmieröl vom Vorratsbehälter 48 durch den ölfilter 38 und von dort über den Druckregler 36 und die Leitung 34 zu den Lagern der Turbinenanlage. Das dort erhitzte öl wird sodann zum Auffangbehälter 60 geleitet, von wo es mittels der Pumpe 62 durch den ölkühler 66 zurück in den Vorratsbehälter gefördert wird. Auf diese Weise befindet sich in dem Vorratsbehälter 48 stets ein bestimmter Vorrat gekühlten Schmieröls. Es sei nun angenommen, daß das gesamte elektrische Versorgungsnetz überlastet werde, so daß der Hauptnetzschalter am Generator 26 abfällt und auch die entsprechenden Schalter anderer Generatoren im Verteilernetz abfallen. Der Regler der Brennkraftturbine bewirkt folglich deren sofortige Abschaltung, damit ein Durchgehen der Turbine infolge der plötzlichen Entlastung ihrer treibenden Welle vermieden wird. Die Turbine muß folglich mittels des Anlassers 30 neu gestartet werden. Vor jedoch die Turbine neu gestartet werden kann, muß durch die Lagerungen der Wellen 16 und eine gewisse Menge kühlen Schmieröles hindurchgepumpt werden. Dies wird zunächst durch Einschaltung der gleichstrombetriebenen Pumpe 50 bewirkt, welche kühles öl vom

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Vorratsbehälter 48 so lange über das Rückschlagventil zu den Lagerungen der Turbinenanlage fördert, bis die Turbine eine Drehzahl erreicht, bei welcher die Schmierölpumpe 40 das Schmieröl wieder mit genügend starkem Druck durch die Lager pumpt. Zu diesem Zeitpunkt steht noch keine elektrische Energie zum Antrieb der Pumpe 62 und des Gebläsemotors 74 zur Verfügung, so daß das sich in den Lagerungen der Turbinenanlage erhitzende Schmieröl einfach in den Auffangbehälter 60 abströmt, ohne aus diesem durch die Pumpe 62 herausgepumpt zu werden.

Der Auffangbehälter 60 ist über ein Überlaufrohr großer lichter Weite mit dem Vorratsbehälter 48 verbunden. Dieses Überlaufrohr 71 endigt an einer Stelle im Vorratsbehälter 48, welche sich gerade etwas oberhalb des normalen ölstandes des Vorratsbehälters 48 befindet. Nachdem also eine bestimmte Menge heißen Schmieröls von den verschiedenen Lagerungen in den Auffangbehälter 60 abgeströmt ist, ohne aus diesem von der Pumpe 62 herausgefördert zu werden, läuft das im Auffangbehälter 60 befindliche heiße Schmieröl über die Überlaufleitung 71 in den Vorratsbehälter 48 über. Dieses heiße überlauföl hat natürlich das Bestreben, die Temperatur des in dem Vorratsbehälter 48 befindlichen kühlen Schmieröles,

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welches in die Lagerungen der Turbinenanlage gefördert wird, zu erhöhen. Das Passungsvermögen des Vorratsbehälters 48 ist jedoch mit Bezug auf die überlaufmenge heißen Schmieröls so groß, daß das in dem Vorratsbehälter befindliche kühle öl für eine größere Anzahl von Fehlstarts der Turbine ausreicht, bevor die öltemperatur im Vorratsbehälter 48 so stark ansteigt, daß eine Schmierung mit dem in dem Vorratsbehälter befindlichen Schmieröl nicht mehr zulässig ist. Hat die Turbine einmal ihre Nenndrehzahl erreicht und wird der Generator 26 wieder belastet, so können auch die Motoren 70 und 74 wieder eingeschaltet werden, so daß nunmehr der normale Schmierkreislauf wieder in Gang kommt.

In Fig. 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform des Vorratsbehälters 48 dargestellt. In Fig. 2 sind Teile, welche mit in Fig. 1 dargestellten Teilen identisch sind, jeweils durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet. Bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung sind Prallbleche 76 und zwischen das Überlaufrohr großer lichter Weite und den Einlaß der zum Einlaß der Schmierölpumpe 40 führenden Leitung 46 gesetzt. Diese Prallbleche 76 und 78 verhindern eine schnelle Mischung des über das Überlaufrohr 71 in den Vorratsbehälter 48 eintretenden heißen Schmieröls mit

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dem weiter links im Vorratsbehälter noch befindlichen kühlen Schmieröl. Bei der in Pig. 2 gezeigten Anordnung erhöht sich unter Fehlstartbedingungen die Temperatur des zu den Lagerungen der Turbinenanlage geförderten Schmieröls nicht so schnell als bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ohne Prallbleche.

Ist die Fördermenge der Pumpe 62 größer als diejenige der Pumpe 40 bzw. der Pumpe 50, dann pumpt die Pumpe 62 den Auffangbehälter 60 leer. Damit dies verhindert wird, können der normale Schmierölpegel im Vorratsbehälter 48 und die Mündung des überlaufröhres 71 im Vorratsbehälter so mit Bezug aufeinander eingestellt sein, daß in dem Maße, in welchem Schmieröl aus dem Auffangbehälter 60 in den Vorratsbehälter 48 übergepumpt wird, der ölpegel im Vorratsbehälter 48 ansteigt und schließlich über die Mündung des überlaufrohres 71 steigt, so daß nunmehr Schmieröl vom Vorratsbehälter 48 über das überlaufrohr zurück in den Auffangbehälter 60 strömt. Dieses Merkmal ist insofern wichtig, als es die Anordnung von ölpegelreglern im Auffangbehälter 60 überflüssig macht und außerdem auch die genaue Bemessung der Fördermengen der einzelnen Pumpen erübrigt.

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Claims

Patentansprüche

/ 1. ^Schmiersystem für Turbinenanlagen, mit einer das Schmieröl von einem Vorratsbehälter zu den Wellenlagern der Turbinenanlage und von da zurück zum Vorratsbehälter fördernden Schmierölpumpe und mit einem in die Schmierölrückleitung zwischen die Wellenlager und den Vorratsbehälter geschalteten ölkühler, dadurch gekennzeichnet, daß ein besonderer, das von den Wellenlagern (18A... 18D, 28a ... 28D) kommende Schmieröl aufnehmender Auffangbehälter (60) und ein diesen Auffangbehälter mit dem Vorratsbehälter (48) verbindendes Überlaufrohr (71) vorgesehen ist, dessen Mündungsöffnung im Vorratsbehälter auf einer bestimmten Höhe liegt, und daß dem ölkühler (66) ein ölkühlkreislauf (60-62-64-48) mit einer elektrisch betriebenen Förderpumpe (62) und einem Wärmetauscher (64) zugeordnet ist, der sich vom Auffangbehälter über diese Förderpumpe und diesen Wärmeaustauscher bis zum Vorratsbehälter erstreckt.
2. Schmiersystem nach Anspruch 1, dessen Schmierölförderpumpe mit einer Welle der Turbinenanlage gekuppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dieser wellen-

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getriebenen Schmierölförderpumpe (40) eine batteriebetriebene elektrische Schmierölförderpumpe (50) geschaltet ist, die so lange Schmieröl vom Vorratsbehälter (48) zu den Wellenlagern (18A ... l8D, 28A ... 28D) der Turbinenanlage (10 ... 26) fördert, als die Turbine (12) nicht die Drehzahl hat, welche erforderlich ist, damit die wellengetriebene Schmierölförderpumpe das Schmieröl mit dem erforderlichen Druck in die Wellenlager fördert.
3. Schmiersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungsöffnung des überlaufrohres (71) im Vorratsbehälter (48) etwas oberhalb des normalen ölstandes in diesem Vorratsbehälter liegt, so daß, wenn die von der im ölkühlkreislauf (60-62-64-48) befindlichen elektrischen Förderpumpe (62) in den Vorratsbehälter geförderte Schmierölmenge kleiner als die dem Auffangbehälter (60) von den Wellenlagern (l8A ... 18D, 28A ... 28D) zuströmende Schmierölmenge ist, Schmieröl vom Auffangbehälter über das überlaufrohr (71) zum Vorratsbehälter strömt, während, wenn die von der genannten elektrischen Förderpumpe in den Vorratsbehälter geförderte Schmierölmenge größer als die dem Auffangbehälter von den Wellenlagern zuströmende Schmierölmenge ist und folglich der ölpegel im Vorratsbehälter über diese Mündungsöffnung steigt, Schmieröl vom Vorratsbehälter über das überlauf-

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rohr zum Auffangbehälter, strömt.
4. Schmiersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung des überlaufrohres (71) und/oder die Mündung des ölkreislaufes (60-62-64-48-68) im Vorratsbehälter (48) an einer Seite des Vorratsbehälters angeordnet sind und daß zwischen diesen Mündungen und der bzw. den im Vorratsbehälter mündenden Saugöffnungen des zu den Wellenlagern (18A ... l8D, 28A ... 28D) führenden Schmierölkreislaufes (46-44-42-38-36-34 bzw. 56-38-36-34) ein oder mehrere Prallbleche (76, 78) derart angeordnet sind, daß eine Durchmischung des von den Wellenlagern über den Auffangbehälter (60) in den Vorratsbehälter rückströmenden Schmieröls mit dem jenseits dieser Prallbleche im Vorratsbehälter befindlichen Schmieröl erschwert wird.

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