DE2423913C3

DE2423913C3 - Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE2423913C3
Application number: DE2423913A
Authority: DE
Inventors: Max Baden Hartmann (Schweiz)
Original assignee: Brown Boveri Sulzer Turbomaschinen AG
Current assignee: Brown Boveri Sulzer Turbomaschinen AG
Priority date: 1974-04-09
Filing date: 1974-05-16
Publication date: 1980-09-04
Also published as: CH570549A5; NL7504081A; FR2267455B1; JPS5335203B2; DE2423913B2; IT1034925B; JPS50136508A; SE7503964L; FR2267455A1; BE827645A; DE2423913A1; GB1455974A; SE408211B; CA1022462A

Description

Die Erfindung betrifft eine stationäre Gasturbinenanlage mit einem Lager für den Läufer an der Abgasseite des Gehäuses, wobei der Strömungskanal der Gasturbine in einen Austrittsdiffusorring übergeht, dessen äußere und innere Umfangswände mittels tragflügelförmiger, hohl ausgebildeter Rippen, durch welche Stützen hindurchragen, gegeneinander abgestützt sind und das Lager des Läufers im Hohlraum der inneren Umfangswand vorgesehen ist, wobei die Enden der Stützen einerseits mit dem Lagergehäuse und andererseits mit einem Fundament der Anlage starr verbunden sind.

Aus strömungstechnischen Gründen und zur besseren Beeinflussung des Wirkungsgrades werden bei Gasturbinenanlagen relativ lange, vorzugsweise in axialer Richtung sich erstreckende Austrittsdiffusoren vorgesehen. Aus diesen, die ökonomische Grundlage berücksichtigenden Gründen wird es technisch erforderlich, das abgasseitige Lager des Turbinenläufers am Gehäuse der Turbine abzustützen. Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen zwischen Gehäuse und Läufer (das Gehäuse soll sich frei dehnen können, der Läufer darf sich aber nicht verlagern), werden die Hersteller von Gasturbinen immer wieder vor Probleme gestellt.

Bei einer zum Stand der Technik zu zählenden stationären Gasturbinenanlage wird ein Lager für den Rotor an der Abgasseite des Gehäuses, bei welchem der Strömungskanal der Gasturbine in einen Austrittsdiffusorring übergeht, dessen äußere und innere Umfangswände mittels tragflügelförmiger, hohl ausgebildeter Rippen, durch weiche Stützen hindurchragen, gegeneinander abgestützt sind, im Hohlraum der inneren Umfangswand vorgesehen, wobei die Enden

der Stützen einerseits mit dem Lagergehäuse und andererseits mit einem Fundament der Anlage starr verbunden sind (GB-PS 711528).

Bei dieser bekannten Anordnung ist jedoch von Nachteil, daß für das Turbinengehäuse keine gesonderte Fundamentabstützung vorgesehen ist, sondern dieses über die Lagerkörper abgestützt wird.

Weiterhin ist eine Lagerung von Gehäuse und Rotor stationärer Anlagen auf einem Fundament bekanntgeworden, bei welcher die Grundplatte bis zur horizontalen Trennebene hochgezogen ist und die Turbine auf Lagerpratzen abgestützt ist (DE-AS 1028583).

Derartige Lagerungen können jedoch nur in solchen Anlagen verwendet werden, wo ausreichend Aufstellungs- und Montageraum vorhanden ist, da sich dabei zwischen dem Gehäuse und den Lagerpratzen-Auflagerungen große Abstände ergeben, wodurch sich die Biegemomente stark vergrößern.

Ferner sind separate Lagerabstützungen angewendet worden, bei welchen die hohl ausgebildeten Stützen als Kühlmittelzuführung für das Lager verwendet werden (Zeitschrift »Maschinenbautechnik«, Band 12 [1963], Heft 3, Seite 118, Abb. 4).

Dabei erfolgt jedoch keine Eigenkühlung der Tragelemente, wodurch thermische Dehnungen derselben auftreten können.

Es ist z. B. bekannt, im Auspuffkonus von Jet-Gasturbinen, der mit stromlinienförmigen Speichen ausgerüstet ist, die mit dem äußeren Gehäuse verbunden sind, ein Wellenlager anzuordnen, dessen Tragring über wärmebeweglich im Auspuffkonus eingesetzte Stifte in radialen Ebenen am Außengehäuse abgestützt ist (CH-PS 268648).

Dadurch werden die dynamischen Kräfte, aber auch die Dehnungskräfte vom Abgasdiffusor auf das äußere Gehäuse übertragen. Dieses ist im Kraftwerksbetrieb seinerseits über Pratzen oder auch Pendelstützen am Fundament befestigt, an das normalerweise alle Beanspruchungen abgeleitet werden.

Im instationären Betrieb, wie er bei Gasturbinenkraftwerken zur Spitzenlastdeckung häufig eintritt, treten an den Gehäusen Wärmespannungen und Differenzdrehungen auf, die dann zu Spieländerungen zwischen Läufer und Gehäuse führen und auch die Wellen bzw. Lagerabstützung beeinflussen. Es kann dann zu Beschädigungen der Lager und Stopfbüchsen kommen, aber auch Schaufelschäden können eintreten. Bei hohen Temperaturen und großen Dimensionen der Gehäuse werden diese Nachteile in stärkerem Ausmaß wirksam.

Es ist auch bekannt, den Abgasdiffusor als völlig vom Außengehäuse der Turbine getrenntes Teil auszubilden, wobei die äußere und innere Ringwand des Diffusors über jeweils wärmebewegliche und dehnungsausgleichende Verbindungselemente miteinander verbunden sind und im Inneren der inneren Ringwand des Diffusors das Endlager des Läufers abgestützt ist und gegenüber dem Abgaskanal abgedichtet ist (DE-PS 768036).

Auch bei dieser Bauart können wegen der unterschiedlichen Dehnungen Wellenverlagerungen auftreten. An den wärmebeweglichen Verbindungsstellen zwischen Abgasdiffusor und Außengehäuse treten große Wärmespannungen auf, die die Dichtungsprobleme zusätzlich vergrößern.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art zu

schaffen, die die Abstützung des abgasseitigen Lagers von den Einflüssen aus Wärmebeanspruchung und -dehnung des Außengehäuses und des Austrittsdiffusorringes unabhängig macht.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

— das Gehäuse der Gasturbine abgasseitig an seiner horizontalen Mittelebene über getrennte, als Pendelstützen ausgebildete Tragelemenie mit dem Fundament fest verbunden ist, und

— die Tragelemente und Stützen Kanäle aufweisen, welche von einem Kühlmittel zur Eigenkühlung durchflossen werden.

Daraus ergibt sich der Vorteil der völlig getrennten Abstützung des Außengehäuses von der Abstützung des Läufers gegenüber dem Fundament, so daß die bisher auftretenden Wechselbeziehungen zwischen den beiden Bauteilen von vornherein ausgeschlossen werden können. Die vom Läufer herrührenden dynamischen Kräfte wirken auch nicht mehr auf das Gehäuse der Gasturbine ein. Durch die getrennte Abstützung wird einerseits die Zugänglichkeit einzelner Bauteile verbessert, da bei einer Lagerkontrolle oder Revision nicht mehr das Gehäuse geöffnet werden muß.

Bei einer besonderen Ausführungsform werden die Kanäle der Tragelemente und der Stützen in Serie vom Kühlmittel durchflossen.

Bei einer derart ausgebildeten Gasturbinenanlage ist eine effiziente Kühlung erreichbar, so daß größere Wellengewichte bei hohen Abgastemperaturen ohne Einbuße an Sicherheit zugelassen werden können. Damit wird der Anwendungsbereich von Gasturbinen der eingangs angegebenen Art durch den Erfindungsgegenstand erweitert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Gasturbine an der Abgasseite,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Tragelement oder die Stützen,

Fig. 4 eine andere Ausführungsform zu Fig. 3.

Für einander entsprechende Teile sind in den einzelnen Figuren gleiche Bezugszeichen eingesetzt.

In Fig. 1 ist die Abgasseite einer Gasturbine 1 dargestellt. In das Gehäuse 2 derselben sind die Leitschaufelträger 3 eingesetzt, die zusammen mit der Umfangskontur des Läufers 4 den Strömungskanal 5 bilden. Im Läufer 4 und im Leitschaufelträger 3 sind Schaufeln 6 eingesetzt. An das Gehäuse 1 ist der Abgasringkanal 7 angeschlossen, dessen äuße.-e 8 und innere Ringwand 9 über mehrere radiale Rippen 15 miteinander verbunden sind. Der Abgasringkanal 7 ist mit Dichtleisten 10 und 11 ausgerüstet, die den Strömungskanal S umschließen.

Im Inneriraum der inneren Ringwand 9 ist das Lager 12 für den Läufer 4 vorgesehen. Dieses ist im Lagergehäuse 13 unterge'. rächt.

Die Rippen 15 im Abgasringkanal 7 haben zweckmäßigerweise ein Tragflügelprofil und sind teilweise hohl ausgeführt. Durch die hohlen Rippen 15 im Unterteil des Abgasringkanals 7 reichen Stützen 14, die mit dem Fundament 16 und dem Lagergehäuse 13 fest verbunden sind. In Jen Stützen 14 sind Kanäle 18 für die Kühl- oder Schmiermittelzufuhr durch die

ίο

strichlierten Linien angedeutet.

Das Gehäuse 2 der Gasturbine wird über die Tragelemente 17 direkt am Fundament 16 abgestützt. Die Tragelemente 17 sind in der Art von Pendelstüt- zen ausgeführt, so daß eine Dehnung des Gehäuses 2 in Radialebenen frei und die Dehnung in axialen Ebenen gerichtet erfolgen kann. Am Tragelement 17 ist eine Leitung 27 befestigt, die zur Zufuhr des Kühlmittels dient, das in die Kühlkanäle 19 des Tragelementes 17 strömt. Zwischen dem Tragelement 17 und den Stützen 14 ist eine Verbindungsleitung 20 für das Kühlmittel vorgesehen, die es zum Lagergehäuse 13 bzw. den Kanälen 18 leitet.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Abgasringkanal 7 dargestellt, in dem die klare Trennung zwischen Gehäuseabstützung durch die Tragelemente 17 und Lagerabstützung über die Stützen 14 erkennbar ist. Am Gehäuse 2 ist eine Keilführung 21 für die Fixierung der axialen Mittelebene des Gehäuses angedeutet.

Zweckmäßigerweise werden zur Abstützung des Lagergehäuses 13 zwei Stützen 14 herangezogen. Doch könnten auch eine oder mehrere Stützen 14 vorgesehen werden, wobei die Abstimmung der Stützen 14 zueinander und gegenüber dem Fundament 16 zu berücksichtigen ist. Am Gehäuse 2 sind in der Nähe der Teilungsebene 22 die Tragelemente 17 befestigt, die mit ihrem anderen Ende am Fundament 16 verankert sind.

In Fig. 3 ist ein Querschnitt der Stütze 14 gemäß Fig. 1 wiedergegeben. Die Stütze 14 ist in der hohlen Rippe 15 untergebracht, wobei die Stütze 14 von einem Mantelrohr 23 umgeben ist. Zwischen dem Mantelrohr 23 und der Stütze 14 ist ein Spalt 24 ausgebildet, der den Kühlkanal 18 für das Kühlmedium bildet.

Der verbleibende Raum zwischen Mantelrohr 23 und dem Profil der Rippe 15 ist mit Isolationsmaterial

25 ausgefüllt.

In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform gezeigt, jedoch sind dabei die Kühlkanäle 18 durch Bohrungen

26 im Querschnitt der Stütze 14 gebildet. Der zwischen der hohlen Rippe 15 und der Stütze 14 verbleibende Raum ist vollständig mit Isolationsmateiial 25 erfüllt.

Die vorteilhafte Wirkungsweise der Lagerabstützung 12,14 ergibt sich aus der Zuführung des Kühlmittels durch die Kanäle 18 bzw. die Verbindung mit den entsprechenden Kühlkanälen 19 der Tragelemente 17. Das über die Zufuhrleitung 27 herangeführte Kühlmittel durchströmt den Kühlkanal 19 des Tragelementes 17 und gelangt über die Verbindungsleitung 20 und die Kanäle 18 zum Lagergehäuse 13.

Bei Verwendung von Luft als Kühlmittel wird diese in den durch die innere Ringwand 9 umschlossenen Raum ausgeblasen und kühlt neben dem Lager 12 auch den Abgasringkanal 7. Die erwärmte Luft kann danach in den nicht gezeigten Kamin abgeführt werden oder eine andere Verwendung finden, z. B. zum Abführen der durch die Isolation oder durch Stopfbüchsenleckagegas in den durch die Ringwand 9 umschlossenen Raum eindringenden Wärme.

Die notwendige Kühlluftmenge wird zweckmäßigerweise entweder der Rotorkühlluft oder Stopfbüchsensperrluft bei luftgekühlter Bauart der Gasturbine entnommen. Es kann aber auch Umgebungsluft oder Fremdluft von einem vorhandenen Druckluftnetz zur Kühlung herangezogen werden. Es ist aber auch ohne weiteres möelich, anstatt Luft das Schmiermittel des

Lagers 12 zur Kühlung heranzuziehen. Die Zuführung des Schmiermittels zum Lager 12 über die Kanäle 18 der Stützen 14 ist jedoch auch ohne gleichzeitige Verwendung des Schmiermittels als Kühlmedium möglich und bietet den Vorteil, keine getrennten Zu- und Abfuhrleitungen erstellen zu müssen.

Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, die Stützen 14 oder die Tragelemente 17 aus Invar-Stahl herzustellen, da hierdurch auf die instationären Dehnungsdifferenzen Einfluß genommen werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stationäre Gasturbinenanlage mit einem Lager für den Läufer an der Abgasseite des Gehäuses, wobei der Strömungskanal der Gasturbine in einen Austrittsdiffusorring übergeht, dessen äußere und innere Umfangswände mittels tragflügelförmiger, hohl ausgebildeter Rippen, durch welche Stützen hindurchragen, gegeneinander abgestützt sind und das Lager des Läufers im Hohlraum der inneren Umfangswand vorgesehen ist, wobei die Enden der Stützen einerseits mit dem Lagergehäuse und andererseits mit einem Fundament der Anlage starr verbunden sind, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- das Gehäuse (2) der Gasturbine (i) ist abgasseitig an seiner horizontalen Mittelebene über getrennte, als Pendelstützen ausgebildete Tragelemente (17) mit dem Fundament (16) fest verbunden,

- die Tragelemente (17) und Stützen (14) weisen Kanäle (18, 19) auf, welche von einem Kühlmittel zur Eigenkühlung durchflossen werden.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (18,19) der Tragelemente (17) und der Stützen (14) in Serie vom Kühlmittel durchflossen werden.