DE3214101A1

DE3214101A1 - Gasturbine

Info

Publication number: DE3214101A1
Application number: DE19823214101
Authority: DE
Inventors: Costantino Florenz Vinciguerra
Original assignee: Nuovo Pignone SpA
Current assignee: Nuovo Pignone SpA
Priority date: 1981-04-17
Filing date: 1982-04-16
Publication date: 1982-11-04
Also published as: IT8121243A0; US4516908A; GB2097100B; IT1135752B; SE445059B; CH649132A5; FR2504194B1; FR2504194A1; SE8202387L; GB2097100A; JPS57186024A; CA1178894A; DE3214101C2

Description

Gasturbine

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine, und insbesondere die Leistungsstufe einer Gasturbine, und befaßt sich mit Möglichkeiten, die Leistungsstufe einer Gasturbine bequem und schnell zu überholen und wieder zusammenzubauen.

Es ist bekannt, daß bei den bestehenden Gasturbinen zur Verwendung an Land der Rotor der Leistungsstufe, der im allgemeinen aus zwei oder drei Schaufel-Träger-Scheiben besteht, gegenwärtig von einer festen Welle-vorstehend gehalten ist, die mit den Scheiben eine Einheit bildet und ihrerseits in Lagern gehalten ist, die notwendigerweise in Form von zwei Halbschalen ausgebildet sind, um sie einbauen zu können.

Diese Möglichkeit der Anordnung hat jedoch eine Anzahl von Mangel, beispielsweise, daß im Falle einer Überprüfung der Rotorschaufeln auch eine Überholung der Welle notwendig ist, die in einem Stück mit den Schaufelträgerscheiben ausgebildet ist, wobei dieser Arbeitsvorgang sehr aufwendig und zeitraubend ist, was der beträchtlichen Länge der Anordnung in Längsrichtung zuzuschreiben ist.

Ein weiterer Nachteil besteht in der Schwierigkeit, die Lager der Welle auszutauschen, wenn diese beschädigt sind, was insbesondere der Position des ersten Lagers zuzuschreiben ■ ist, das zur Verminderung der vorstehenden Länge vollständig vom Diffusor verdeckt ist, der am entfernt liegenden Ende der letzten Schaufelgruppen angeordnet ist.

Wie es andererseits bereits oben erwähnt wurde, müssen die

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Lager in Form von zwei Halbschalen ausgebildet sein, was einen komplizierten Aufbau zur Folge hat.

Ein weiteres Problem ist das beträchtliche Gewicht der massiven Welle, die zur Herabsetzung der kritischen Drehzahl in Lagern gelagert werden muß, die vergleichsweise eng aneinander angeordnet sind, so daß die massive Welle notwendigerweise kurz sein muß, was vom Standpunkt der kritischen Drehzahl aus eine fehlerfreie Auslegung der Scheibenwellenanordnung begrenzt.

Da die massive Welle kurz sein muß, muß schließlich das zugehörige Lager, das sich an der am meisten entfernten Stelle vom Rotor befindet, in Übereinstimmung mit dem'darunterliegenden Diffusor, und somit durch eine Konstruktion gehalten sein, die nicht stabil und fest genug sein kann, um den axialen Druck und Schubbelastungen zu widerstehen, so daß sie nicht als Halteelement für einen Drehzahlvervielfacher verwandt werden kann, der von der-darüberliegenden Welle eine beträchtliche Leistung abnehmen kann, wie es zum Betrieb von Hochgeschwindigkeitsexpansoren zur Leistungs- oder Energierückgewinnung von den Abgasen der betrffenden Turbine notwendig ist.

Ein derartiger Antrieb muß daher von einer unabhängigen Vervielfachungsvorrichtung genommen werden, die axial mit der Turbinenwelle gekoppelt wird, was ersichtlich zur Folge hat, daß der Platzbedarf der Turbine erheblich zunimmt.

Durch die Erfindung sollen die oben aufgeführten Mangel beseitigt werden, indem eine Gasturbine geschaffen wird, bei ■ der die Anordnung der Welle und der Lager schnell mit dem Rotor der Leistungsstufe der betreffenden Turbine verbunden und vom Rotor der Leistungsstufe gelöst werden kann.

Das wird im wesentlichen durch eine bestimmte Art der verwandten Hohlwelle erreicht, deren kegelstumpfförmiges Ende in einen entsprechenden Hohlraum eingesetzt ist, der in der Anordnung der Rotorscheiben vorhanden ist, an denen die Welle über einen Zapfen befestigt ist, der durch den Hohlraum der Welle führt, wobei der Zapfen mit einem Ende des Rotors verschraubt ist und über eine Mutter hydraulisch gespannt und festgezogen ist, die auf dem gegenüberliegenden Ende wirksam ist und mit dem anderen Wellenende zusammenarbeitet.

Die Gasturbine umfaßt insbesondere unter anderem ein Maschinengehäuse und eine darin befindliche Leistungsstufe, die aus einem Stator und einem Rotor mit zwei oder drei Schaufelträgerscheiben besteht, wobei die Leistungsstufe vorstehend von einer Leistungswelle gehalten ist, die drehbar auf Lagern im Maschinengehäuse angebracht ist, wobei sich die erfindungsgemäße Gasturbine dadurch auszeichnet, daß die Welle in der Leistungsstufe hohl ausgebildet ist, indem sie aus zwei hohlen geschmiedeten kegelstumpfförmigen Endabschnitten besteht,die ausgehärtetem und gewalztem Stahl über die gesamte Außenfläche bestehen und über ein zentrales Rohr miteinander verbunden sind, wobei die Welle mit einem kegelstumpfförmigen Endabschnitt in einen entsprechenden axialen Hohlraum des Rotors eng eingesetzt ist, an dem die Welle mit einem Zapfen befestigt ist, der durch den Hohlraum der Welle führt und mit einem mit einem Schraubengewinde versehenen Ende in einen entsprechenden konischen Sitz geschraubt ist, der im axialen Hohlraum des Rotors vorgesehen ist und hydraulisch gespannt und durch eine Mutter festgezogen ist, die auf dem anderen, mit einem Schraubengewinde versehenen Ende wirksam ist und mit dem anderen kegelstumpfförmigen Schaftendabschnitt zusammenarbeitet.

Die Vorteile einer derartigen Ausbildung ergeben sich auf den ersten Blick.

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Zunächst erlaubt der spezielle Aufbau der Welle mit zwei hohlen Endabschnitten aus gehärtetem und gewalztem Stahl, die über einen mittleren Schaft in Form eines Rohres verbunden sind, der in einer engen Passung mit den Endabschnitten fest verbunden ist, zusätzlich zu der Möglichkeit, harte und gefräste oder gewalzte Flächen in der Nachbarschaft der Lager zu erhalten, was hauptsächlich aus wirtschaftlichen Gründen mit einer massiven, d.h. nicht hohlen ¥elle nicht erhalten werden könnte, wie es bisher praktiziert wurde, daß die Welle eine beträchtliche Steifigkeit und gleichzeitig ein außerordentlich geringes Gewicht hat. Letztere Eigenschaft erlaubt es, daß lange Wellen verwandt werden können, und daß der Zwischenlagerabstand folglich erhöht werden kann, während sehr zufriedenstellende Verhältnisse an den kritischen Drehzahlen beibehalten werden können, so daß das dem Rotor gegenüberliegende Lager am Turbinenende in einem Bereich angeordnet werden kann, der sehr bequem zugänglich und unter dem ein freier Raum ist, der für einen stabilen Kasten zum Halten der Wellenlager ausreicht. Ein derartiger Kasten kann daher darüberhinaus dazu ausgenutzt werden, in seinem Inneren eine oder mehrere sekundäre Wellen zu halten, die ihre Antriebskräfte von der Leistungswelle über Rädergetriebe erhalten.

Gemäß der Erfindung kann die Leistungswelle ein in der Nähe des dem Rotor gegenüberliegenden Lagers befestigtes Zahnrad aufweisen, das mit einem oder mehreren Zahnrädern kämmt, die auf eine gleiche Anzahl sekundärer Wellen aufgekeilt. sind, die drehbar im Inneren des Aufbaus des Maschinengehäuses gehalten sind, das die Lager für die Leistungswelle trägt.

Die Verwendung eines zentralen Zapfens erlaubt es weiterhin, die Welle und den Rotor schnell zusammenzubauen und aus-

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einanderzubauen, indem lediglich mit einer doppelt wirkenden. hydraulischen Winde auf den Zapfen auf der dem Rotor gegenüberliegenden' Seite und damit an einem sehr bequem zugänglichen Bereich eingewirkt wird.

Wenn insbesondere die doppelt wirkende hydraulische Winde auf das freie Ende der Welle aufgesetzt und mit ihrem Preßkolben mit dem Zapfen verbunden ist, wird sie so betrieben, daß sie den Zapfen elastisch streckt, um das Festziehen oder Lösen der Mutter zu erleichtern. Letztere v/eist Löcher auf, die in ihrem äußeren diametralen Teil ausgebildet sind, um einen Mutterschlüssel einsetzen zu können. Anschließend wird die Winde im entgegengesetzten Sinn betätigt, damit der Rotor von der kegelstumpfförmigen Welle nach außen gleitet, wodurch der Rotor oder sogar die Rotorstatoranordnung, nachdem sie über eine geeignete Zwischenverbindungsein'richtung aneinander befestigt worden sind, freigesetzt wird.

In dieser Weise kann die Rotorstatoranordnung schnell und bequem in eine geeignete Werkstatt zur Überholung gebracht' oder sogar durch eine andere identische Einheit ersetzt werden, die bereits auf Lager ist. Die Arbeitszeit wird dadurch auf einen vernachlässigbaren Bruchteil der bisher erforderlichen Zeit herabgesetzt.

Es ist auch möglich, die Wellenlageranordnung zur Überprüfung und zum Austausch dadurch zu Überholen, daß lediglich das mit einem Schraubengewinde versehene Zapfenende auf der Rotorseite gelöst wird, nachdem vorher.in der oben beschriebenen Weise die Mutter gelöst worden ist, und nachdem gleichfalls eine Halterung für den Rotor vorgesehen ist, um ihn in einer zentrierten Lage zu halten. Die Verwendung eines zentralen Zapfens hat den zusätzlichen Vorteil, daß eine beträchtliche Zuverlässigkeit in der Ver-

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bindung zwischen der Welle und dem Rotor erzielt wird, da der fragliche Zapfen auch während des Betriebs festgezogen gehalten wird, so daß die Wellenrοtüranordnung wie bei den bekannten Turbinen eine Einheit darstellt, jedoch aufgrund der Tatsache, daß sie sehr lang sein kann, eine beträchtliche Menge an Elastizitätsenergie aufnehmen kann.

Die somit bestehende.Möglichkeit des leichten Ausbaus der Leistungswelle erlaubt es schließlich, die Drucklager auf der Seite nahe dem Rotor im Gegensatz zu den bisher verwandten Möglichkeiten anzuordnen, bei denen das Drucklager notwendigerweise immer auf der dem Rotor gegenüberliegenden Seite, d.h. in einem Bereich angeordnet werden mußte, der aufgrund der Tatsache eher zugänglich war, daß es nicht möglich war, die Welle auszubauen.

Diese andere Anordnung des Drucklagers ist derart,' daß gleichfalls das von einem derartigen Lager benötigte Ölvolumen in den sehr heißen Bereich in der Nähe des Rotors geleitet werden kann., so daß die davon abgeführte Wärmemenge erhöht werden und dadurch die Zuverlässigkeit des Betriebs. beträchtlich verbessert werden kann.

Gemäß der Erfindung besteht die Einrichtung zum Halten des Rotors in der zentrierten Lage beim Lösen des oben genannten Zapfens aus einer Anordnung von drei oder mehr Haltenocken, die in gleichen Abständen voneinander um eine Umfangsnut herum angeordnet sind, die am Ende des Rotors ausgebildet ist, wobei die Nocken in die Nut durch eine Drehung eingesetzt werden können und drehbar durch parallele horizontale Halteelemente gehalten sind, die am Maschinengehäuse befestigt und exzentrisch mit Verbindungsstangen mit einem einzigen Kopplungsring verbunden sind, der koaxial zum Turbinenrotor angeordnet ist.

Durch ein von Hand aus erfolgendes Drehen mit Hilfe eines geeigneten Schlüssels oder Werkzeugs eines dieser drei Nocken, bis die Nockennase in die Rotornut eingesetzt ist, erfolgt eine entsprechende Drehung des Kopplungsringes als Folge der Wirkung der Verbindungsstange, die zu dem Nocken gehört -,der gedreht worden ist. Eine derartige Drehung des Kopplungsringes hat zur Folge, daß sich eine entsprechende Drehung der übrigen Nocken ergibt,.so daß diese mit ihren Nasen in die Nut eingesetzt v/erden und dadurch der Rotor festgehalten ist.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes- Ausführungsbeispiel der Erfindung näher .beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in einer schematisehen, teilweise

geschnittenen Längsansicht ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gasturbine;

Fig. 2 · . eine Längsschnittansicht in vergrößertem Maßstab der in Fig. 1 dargestellten Gasturbine; und

Fig. 3 in einer perspektivischen Ansicht in

vergrößertem Maßstab die spezielle Einrichtung gemäß der Erfindung zum Halten des Rotors in seiner richtigen zentralen Lage immer dann, wenn es erforderlich ist, die Leistungswelle auszubauen.

In der Zeichnung ist eine Gasturbine· mit einem Maschinengehäuse 1 dargestellt, an dem ein Luftansaugkasten 2 be-

festigt ist, der das vordere Ende des Gasgenerators 3 trägt, dessen hinteres Ende am Statorgehäuse 4 der Leistungsstufe 5 befestigt ist. Das Statorgehäuse 4 ist an einen Haltekonus 6 angeflanscht, der an einem Abgaskasten mit einem vertikalen Auslaß 7 befestigt ist, in den der Konus 6 vollständig eingesetzt ist,und dem das Abgas von einem konischen Ringdiffusor 8 zugeführt werden. Der Rotor 9 der Leistungsstufe 5/der in der in der Zeichnung dargestellten Weise aus zwei Schaufelträgerscheiben besteht, ist umgekehrt auslegerartig von der Leistungswelle 10 gehalten. Das heißt im einzelnen, daß die Leistungswelle 10 mit zwei hohlen kegelstumpfförmigen Endabscnitten 11 und 12 jeweils versehen ist, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, die geschmiedet sind und deren Außenflächen aus anlaßgehärtetem Stahl bestehen und gewalzt oder gefräst sind, wobei die Endabschnitte 11 und 12 miteinander über ein zentrales Rohr 12 verbunden sind, das unter Druck auf die Endabschnitte aufgesetzt ist.

Das kegelstumpfförmige Ende 11 der Welle 10 ist anschliessend in einen entsprechenden axialen Hohlraum 14 eingesetzt, der in der in Fig.3 dargestellten Weise in der Nabe 9¹ des Rotors 9 ausgebildet ist, an der die Welle 10 über einen Zapfen 15 fest angebracht ist. Dieser Zapfen 15 führt durch das Innere der hohlen Welle 10 und ist über eine Schraubverbindung mit seinem, mit einem Schraubengewinde versehenen Ende 15' an einem entsprechend konisch verlaufenden Teil befestigt, der in Fig. 3 dargestellt .und im axialen' Hohlraum 14 der Nabe 9^f ausgebildet ist. Der Zapfen wird über die Spannung festgehalten, die ihm hydraulisch über eine Winde gegeben wird, und wird in dieser Weise über eine Mutter 17 gehalten, die auf das andere, mit einem Schraubengewinde versehene Ende 15" des Zapfens 15 wirkt, wobei die Mutter mit dem vorderen Rand des kegelstumpfförmigen

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Endes 12 der Welle 10 zusammenarbeitet.

Um das Festziehen und Lösen zu erleichtern, ist die Mutter 17 zu diesem Zweck mit Löchern 18 an ihrem Außenumfang versehen, in die die Spitze eines Schlüssels eingesetzt werden kann.

Die Welle 10 ist drehbar von zwei Lagern 19 und 20 und von einem Axialdrucklager 20· gehalten, die ihrerseits über den Aufbau 21 des Maschinengehäuses 1 gehalten sind. Insofern andererseits die Hohlwelle 10 lang genug ausgebildet werden kann, so daß sie vom Einflußbereich des Diffusors 8 austritt und der darunterliegende Aufbau 21 widerstandsfähig und stabil ausgebildet werden kann, kann dieser auch dazu benutzt werden, in seinem Inneren drehbar sekundäre Wellen

22 zu halten, von denen nur eine in der Zeichnung dargestellt ist und die ihre Antriebskräfte von einem Zahnrad

23 bekommen, das an der Leistungswelle 10 befestigt ist und mit Zahnrädern 24 kämmt, von denen nur eines in der Zeichnung dargestellt ist und die ihrerseits in einem Stück mit den sekundären Wellen 22 ausgebildet sind.

Die Nabe 9' des Rotors 9 der Leistungsstufe 5 weist schließlich eine Umfangsnut 25 auf, die in Fig. 2 und mehr im einzelnen in Fig. 3 dargestellt ist und in die durch eine Drehung die vorstehenden Teile einer Gruppe von Haltenocken 26 eingesetzt werden kann, von denen drei in der Zeichnung dargestellt sind, deren Achsen 27 drehbar durch entsprechende parallele horizontale Lager 28 gehalten sind, die am Maschinengehäuse 1 befestigt sind.

An den Achsen 27 der Nocken 26 sind kurze Kurbelstücke 29 befestigt, die durch entsprechende Verbindungsglieder 30 an einem einzigen Kopplungsring 31 angelenkt sind, der koaxial

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zur Leistungswelle 10 angeordnet ist, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.

Die Haltenocken 26 werden alle gemeinsam dadurch gedreht, daß in die Richtung des Pfeiles 32 ein Schlüssel oder Werkzeug 33 gedreht wird, das in eine geeignete Kammer 34 in Fig. 2 einer der Achsen oder Drehzapfen 27 der Nocken eingesetzt wird.

Leerseite

Claims

Il I " I j ······ · · Dr. F. Zumstein sen. - Dr. E. Aösirisnn -»Dr. ft. KbeHiijsberger Dipl.-Ing. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun.

PATENTANWÄLTE

ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE

3/Li

Case 1381

Nuovo Pignone S.p.A., Florenz/Italien

Gasturbine

PATENTANSPRÜCHE :

Gasturbine mit einem Maschinengehäuse und einer Leistungsstufe, die aus einem Stator und einem Rotor mit zwei oder drei Schaufelträger scheiben besteht, der vorstehend von der Leistungswelle gehalten ist, die drehbar in Lagern gelagert ist, die vom Maschinengehäuse gehalten werden,

dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungswelle (10) der Leistungsstufe (5) hohl aus zwei kegelstumpfförmigen hohlen geschmiedeten Endabschnitten (11 und 12) aus Stahl besteht, der auf der gesamten Außenfläche einsatzgehärtet und gewalzt ist, und die über ein zentrales Rohr (13) miteinander verbunden sind, das unter Druck aufgesetzt ist, wobei die Welle (10) mit einem kegelstumpfförmigen Endabschnitt

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(11) in einem entsprechenden axialen Hohlraum (14) des Rotors (9) eingesetzt ist, an dem sie über einen Zapfen (15) fest angebracht ist, der durch den Hohlraum der Welle führt und mit einem mit einem Schraubengewinde versehenen Ende (15¹) in einen entsprechenden konisch verlaufenden Teil (16) geschraubt ist, der im axialen Hohlraum des Rotors .ausgebildet ist, und hydraulisch gespannt und über eine Mutter (17) festgezogen ist, die auf das andere mit einem Schraubengewinde versehene Ende (15") des Zapfens wirkt und mit dem anderen kegelstumpfförmigen Endabschnitt (12) der Welle (10) zusammenarbeitet, wobei weiterhin eine Einrichtung (19,20,2O¹) zum Halten des Rotors (9) in seiner korrekten zentralen Lage, wenn der Zapfen (15) gelöst ist,und gleichfalls eine Einrichtung (22,23*24) vorgesehensind, die Antriebsenergie von der Leistungswelle (10) abnimmt.
2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (19,20,20') zum Halten des Rotors (9) in seiner korrekten zentralen Lage, wenn der Zapfen (15) gelöst ist, aus einer Anordnung von mehreren Haltenocken (26) besteht, die in gleichen Abständen voneinander um eine Umfangsnut (25) angeordnet sind, die am Ende des Rotors (9) ausgebildet ist, wobei die Nocken (26) über eine Drehung in die Nut (25) eingesetzt werden können und drehbar in parallelen horizontalen Lagern (28) gehalten sind, die am Maschinengehäuse (1) befestigt und exzentrisch über Kurbelglieder (30) mit einem einzigen Kopplungsring (31) verbunden sind, der koaxial zum Rotor (9) angeordnet ist.
3. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Abnehmen von Antriebsenergie

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von der Leistungswelle aus einem Zahnrad (23) besteht, das auf die Leistungswelle (10) in der Nähe des dem Rotor gegenüberliegenden Lagers aufgekeilt ist und mit einem oder mehreren Zahnrädern (24) kämmt, die in einem Stück mit einer gleichgroßen Anzahl sekundärer Wellen (22) ausgebildet sind, die drehbar im Inneren des Maschinengehäuses (1) gelagert sind, das die Lager für die Leistungswelle (10) trägt.