DE3801914A1 - Zugdampfkolben-ausgleichseinrichtung - Google Patents
Zugdampfkolben-ausgleichseinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Turbinentriebwerke und insbeson
dere auf Mittel zum Aufnehmen einer axialen Kraft auf ein Schub
lager, wie es beispielsweise in Verbindung mit einem Rotor ver
wendet wird.
Eine Eigenschaft eines Turbinentriebwerkes besteht darin, daß es
rotierende Komponenten aufweist, die durch stationäre Komponenten
gehalten werden, die Kräfte, die durch die rotierenden Komponen
ten erzeugt werden, aufnehmen oder durch diese beeinflußt werden.
Beispielsweise weist in modernen Gasturbinentriebwerken eine ro
tierende Komponente oder ein Rotor verschiedenen Teile auf, wie
beispielsweise Wellen, Wellenkegel, Scheiben oder Schaufeln tra
gende Trommeln, Strömungsmitteldichtungen und verschiedene tra
gende Verbindungsteile. An verschiedenen Punkten oder Abschnitten
in dem Triebwerk wirken in Abhängigkeit von dem relativen Druck
Schubkräfte in dem Triebwerk axial auf das Triebwerk. In dem Tur
binenabschnitt des Triebwerks, in dem die Drucke der Gasströmung
oder der Strömungsmittelbahn axial stromabwärts von dem Trieb
werk abfallen, ist die resultierende axiale Kraft stromabwärts
gerichtet. Ein durch eine Turbine angetriebener Verdichter kann
bis zu einem gewissen Ausmaß eine derartige resultierende Axial
kraft in stromabwärtiger Richtung in dem Triebwerk kompensieren:
Der höchste Druck in dem Verdichter besteht in seinen letzten
Stufen und hat die Neigung, eine resultierende Axialkraft nach
vorne auszuüben. In einer freilaufenden Leistungsturbine jedoch
wird die stromabwärts gerichtete Axialkraft durch ein Schublager
oder eine komplexe Anordnung von Lagern aufgenommen. Bekannte
Lager können für übliche Gasturbinentriebwerke verwendet werden,
zu denen Standard-Leistungsturbinen gehören.
Die Gasturbinentechnik, soweit sie sich auf industrielle Appli
kationen bezieht, hat sich fortentwickelt durch die Verwendung
von Dampf, um den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern und die
Ausgangsleistung zu vergrößern. Diesbezüglich wird auf die US-Pa
tentschriften 45 69 195 und 46 31 914 verwiesen. Ein Ergebnis ist
eine erhebliche Vergrößerung der Rotorschublasten gewesen, wo
durch Lager erforderlich werden, die bisher nicht zur Verfü
gung stehen.
Ein bisher bekanntes Mittel, um einen derartig hohen resultieren
den Axialschub zu kompensieren, war die Verwendung von unter
einem relativ hohen Druck stehender Luft, die aus dem Verdich
ter abgezweigt und einem Teil des Triebwerks zugeführt wurde.
Ein anderes Mittel, wie es beispielsweise in der US-PS 45 78 018
beschrieben ist, verwendet ein Hydraulikmittel für diesen Zweck.
Jedoch kann die Verwendung von Luft, die das Triebwerk verdich
tet hat, oder von Hydraulikmitteln, wie sie in dem Triebwerk
für Schmierzwecke verwendet werden, Verluste im Triebwerkswir
kungsgrad hervorrufen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes und effi
zientes Mittel zu schaffen, um wenigstens einen Teil des axialen
Rotorschubs in einem Turbinentriebwerk aufzunehmen. Weiterhin
soll ein derartiges Mittel für ein Gasturbinentriebwerk ge
schaffen werden, das Dampf anstelle von Triebwerksluft oder Hy
draulikmittel verwendet. Weiterhin soll ein Gasturbinentrieb
werkssystem geschaffen werden, das eine Dampfquelle und Mittel
aufweist, um den Dampf für ein Dampfkolbengleichgewicht auszunutzen.
Ferner soll ein verbessertes Verfahren geschaffen werden, um wenig
stens einen Teil der Axialkraft auf ein Schublager während des
Turbinentriebwerksbetriebs aufzunehmen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Dampf
kolbengleichgewichtseinrichtung für ein Turbinentriebwerk ge
schaffen, das eine Druckkammer und Mittel aufweist zum Zuführen
von Dampf in die Druckkammer. Die Kammer wird durch einen inneren
Oberflächenabschnitt eines Teils, der mit einem Rotor verbunden
ist und mit diesem umläuft, ein nicht-rotierendes zweites Teil,
das im Abstand von der inneren Oberfläche angeordnet ist, und
Dichtungsmittel zwischen der umlaufenden inneren Oberfläche und
dem nicht-rotierenden zweiten Teil gebildet. Ferner sind Mittel
vorgesehen, um Dampf in die Kammer einzuführen, damit der Dampf
eine Ausgleichs- oder Gleichgewichtskraft auf den Rotor durch die verbundene inne
re Oberfläche ausüben kann.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel sind Mittel vorgesehen,
um Dampf von der Kammer in die Strömungsbahn des Arbeitsmittels
des Triebwerks einzuführen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbei
spiel wird ein System mit einer derartigen Dampfkolbengleichge
wichtseinrichtung und einer Dampfquelle zusammen mit Mitteln ver
sehen, um der Kammer Dampf zuzuführen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein
Turbinentriebwerk mit einem Schublager gemäß einem Verfahren be
trieben, das unter Druck stehenden Dampf gegen ein Teil, bei
spielsweise einen Teil der Kammer, richtet, der wenigstens einen
Teil der axialen Kraft auf das Schublager aufnimmt.
Die Erfindung ist besonders brauchbar bei industriellen Gastur
binentriebwerken, die von Flugzeug-Gasturbinen abgeleitet und so
ausgelegt sind, daß sie als Versionen mit Dampfinjektion arbeiten.
Im allgemeinen haben diese Triebwerkstypen einen einfachen oder
doppelten Kerntriebwerksrotor mit freilaufenden Leistungstur
binen. Diese Anordnung unterscheidet sich von den üblichen,
schwereren Industrie-Gasturbinentriebwerken zur Erzeugung elektri
scher Energie, da die Standard-Triebwerke im allgemeinen Einwellen
konfigurationen sind die bei einer festen Drehzahl von beispiels
weise 3000 oder 3600 U/min arbeiten. Die axial stromabwärtigen
oder hinteren Turbinenrotorschübe derartiger Triebwerke werden
bis zu einem großen Grad durch axial vordere oder stromaufwärtige
Verdichterrotorkräfte ausgeglichen.
Mit dem Aufkommen von ein hohes Druckverhältnis aufweisenden
Triebwerken mit Dampfinjektion, wie sie beispielsweise in den
vorgenannten US-Patentschriften 45 69 195 und 46 31 914 beschrie
ben sind, kann die spezifische Triebwerksleistung um ein Viel
faches, beispielsweise um einen Faktor 5, vergrößert werden, im
Vergleich zu ihren "trockenen" Versionen, in denen kein Dampf
gespritzt wird. Die Rotorschubwerte der Leistungsturbine sind
auf eine nach hinten gerichtete Kraft bis zu etwa 129 000 kp
(285 000 pounds) angestiegen, was eine 3 bis 5-fache Vergröße
rung der Rotorschublasten zu Folge hat. Diese Lasten überschrei
ten das Leistungsvermögen von bekannten Lagern für die auftre
tenden Wellengrößen. Zusätzlich erfordern gegenwärtige Lager, die
eine sehr große Größe besitzen, sehr große Mengen Öl für den Be
trieb und an ihnen treten große Reibungsverluste auf. Ein Ver
such, die Last in einer duplexen oder anderen komplexen Lager
anordnung zu verteilen, stellt viele Probleme hinsichtlich der
Ausführung und des Wirkungsgrades und der Betriebssicherheit
einer derartigen Verteilung dar. Hierfür schafft die Erfindung
eine einfacherere, wirksamerere, betriebsicherere Alternative.
Die erfindungsgemäße Lösung für das Problem zieht Nutzen aus Hoch
druckdampf, der im allgemeinen auf zweckmäßige Weise von einem
Abwärmeboiler verfügbar ist, der zur Erzeugung von unter Druck
stehendem Dampf für die Einspritzung in das Triebwerk verwendet
wird. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in der vorge
nannten US-PS 45 69 195 beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbei
spiel wird der Dampf verwendet, um eine Druck- oder eine kolben
artige Kraft nach vorne in bezug auf die Leistungsturbine auszu
üben. Eine derartige Kraft wird auf eine Oberfläche eines Teils
ausgeübt, das mit dem Leistungsturbinenrotor verbunden ist und mit
diesem umläuft. Da derartige Teile mit wenigstens einem Teil des
Schublagers verbunden sind, wird eine Zugkraft nach vorne auf
das Schublager ausgeübt. Dadurch wird wenigstens ein Teil der
nach hinten oder stromabwärts gerichteten Lagerkraft aufgenom
men, die aus dem Betrieb der Leistungsturbine resultiert.
Bei Verwendung der Erfindung kann ein fortgeschrittenes, ein hohes
Druckverhältnis aufweisendes Triebwerk mit Dampfinjektion mit
einem einzigen Lager aufgebaut werden, das auf einfache Weise
die Rotorschublast aufnimmt, während es trocken - ohne Dampf
injektion - läuft. Gleichzeitig kann ein derartiges Lager eine
angemessene Rotorschublast, beispielsweise die Hälfte, aufnehmen,
wenn das Triebwerk mit Dampfinjektion läuft in Verbindung mit
der Zugdampfkolbengleichgewichts-Einrichtung gemäß der Erfindung,
um einen sicheren effizienten Betrieb zu ermöglichen. Dieses
einzelne Lager braucht nur so ausgelegt zu sein, daß es die in
krementelle Rotorschublast für den trockenen Betrieb aufnimmt,
wobei die Zugdampfkolbengleichgewichts-Einrichtung gemäß der Er
findung so ausgelegt ist, daß sie den Rest der möglichen Rotor
schublast während des Betriebs Dampfinjektion aufnimmt.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen an
hand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung von einem relativ ein
fachen Ausführungsbeispiel eines Gasturbinentriebwerkes
mit einer Leistungsturbine.
Fig. 2 ist eine Teilschnittansicht hauptsächlich von dem Lei
stungsturbinenabschnitt eines Gasturbinentriebwerks ge
mäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 3 ist eine vergrößerte Darstellung von einem Teil des in
Fig. 2 gezeigten Leistungsturbinenabschnitts, um die
Erfindung im Detail darzustellen.
Fig. 1 zeigt schematisch ein relativ einfaches Triebwerk mit
Dampfinjektion. Diese und komplexere Ausführungsformen eines
derartigen Triebwerks sind in der vorgenannten US-PS 45 69 195
beschrieben. Ein derartiges Triebwerk enthält hintereinander
entlang einer Strömungsbahn 10 für das Arbeitsmedium einen Ver
dichter 12, eine Brennkammer 14 und eine Turbine 16, wobei ferner
eine frei rotierende Leistungsturbine 18 vorgesehen ist, die zur
Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie in bekannter
Weise verwendet wird. Der Verdichter 12 ist mit der Turbine 20
verbunden, die den Verdichter 12 durch eine Welle 22 antreibt.
Die Leistungsturbine 18 jedoch, die im allgemeinen von einer sta
tionären Triebwerksstruktur durch vordere und hintere Lager der
Leistungsturbine gehaltert wird, ist frei für eine Rotation als
eine Funktion von Gasen, die durch die Triebwerksschaufeln expan
dieren. Eine Detaildarstellung von einem Typ einer Leistungstur
bine ist in dem Teilschnitt von Fig. 2 gezeigt. Unter Druck ste
hender Dampf aus einer Quelle 23, der im allgemeinen in einem
überhitzten Zustand ist, kann in das Triebwerk hinter der Turbine
20 eingeführt werden, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, enthält eine Leistungsturbine einen
Turbinenrotor 25, der Turbinenschaufeln 24 aufweist, die durch
miteinander verbundene rotierende Räder oder Scheiben 26 getra
gen werden. Wenigstens eine der Scheiben, beispielsweise die
Scheibe 26 a in Fig. 2, wird durch rotierende strukturelle Teile
28 und 30 mit vorderen und hinteren Lager- und Dichtungsanord
nungen, wie sie bei 32 und 34 gezeigt sind, in bekannter Weise
verbunden. Stationäre Schaufeln 36, die durch eine stationäre
äußere Struktur, wie beispielsweise ein äußeres Gehäuse 38, ge
tragen sind, sind zwischen den Laufschaufeln 24 angeordnet. In
dem Triebwerk gemäß Fig. 2 ist eine Niederdruckturbine 40 strom
aufwärts (links von der Figur) von der Leistungsturbine 18 ge
zeigt, wobei die Unterteilung zwischen der Niederdruckturbine 40
und der Leistungsturbine 18 in der Nähe der stationären hohlen
Strebe 44 auftritt.
Ein umlaufendes Strukturteil 30, das in dem hinteren Abschnitt der
Leistungsturbine mit einer rotierenden Scheibe 26 a verbunden ist,
steht mit einem zusätzlichen Strukturteil 50 in Verbindung, das
den rotierenden Abschnitten der Lagereinrichtung 34 zugeordnet
ist. In Fig. 2 ist ein Schublager 52 in der Lagereinrichtung 34
gezeigt. Durch diese allgemeine Art einer bekannten Anordnung
wird der hintere resultierende Axialschub von der Leistungstur
bine durch das Schublager aufgenommen.
Ein Dampfverteiler 46, der mit einer Druckdampfquelle 23 verbun
den ist, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, führt Dampf durch eine
Leitungseinrichtung 48 und das Innere einer Strebe 44 in ein
Ausführungsbeispiel der Zugdampfkolbengleichgewichts-Einrichtung
gemäß der Erfindung ein, wie es allgemein bei 54 und detailierter
in Fig. 3 gezeigt ist. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2
enthält die Leitung 48 ein Dampfströmungs-Regelventil 49, auf
das später eingegangen wird. Zusätzlich steht die Dampfleitung
48 mit einer Luftleitung 51 in Verbindung, die ein Luftregelventil
53 enthält, das später näher erläutert wird.
In der Detaildarstellung gemäß Fig. 3 enthält die Zugdampfkol
bengleichgewichts-Einrichtung gemäß der Erfindung eine Druckkam
mer 56 mit einer rotierenden inneren Oberfläche 58 von einem Ab
schnitt eines ersten Teils 60, das mit dem Leistungsturbinenro
tor 25, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, durch ein rotierendes
Strukturteil 28 verbunden ist und mit dem Rotor umläuft. Die
Druckkammer 56 wird ferner durch ein nicht-rotierendes statio
näres zweites Teil 62 gebildet, das durch die stationäre Strebe
44 getragen wird und im Abstand von einer Oberfläche 58 des ersten
Teils 60 gehalten ist. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3
sind die ersten und zweiten Teile 60 und 62 im wesentlichen
ringförmige, im Abstand angeordnete Teile. Vervollständigt wird
die Druckkammer 56 gemäß Fig. 3 durch Dichtungsmittel 64 a und
64 b, die in der Zeichnung als entsprechend angeordnete, radial
innere und äußere Fluiddruckabfalldichtungen in der Form von La
byrinthdichtungen gezeigt sind, die allgemein bekannt und in
großer Vielfalt verwendet werden. Zweckmäßigerweise haben diese
Dichtungen eine Ringform.
Unter Druck stehender Dampf, beispielsweise unter einem Druck,
der wenigstens größer als derjenige an der Fluideingangsstation
der Leistungsturbine unmittelbar stromabwärts von der Strebe 44
ist und so groß wie der erforderliche Druck für ein Schubgleich
gewicht aus der Dampfquelle 23 gemäß Fig. 1 ist, wird von dem
Verteiler 46 und der Leitung 48 gemäß Fig. 2 durch den hohlen
Innenraum der Strebe 44 zu einer Dampfleitung 66 gemäß Fig. 3
und dann zur Druckkammer 56 zugeführt. Der Dampf wirkt auf die
Wände der Kammer ein, um eine Kraft in Übereinstimmung mit der
Art und Weise auszuüben, in der ein unter Druck stehendes Strö
mungsmittel innerhalb einer derartigen Kammer wirkt. Da jedoch
das rotierende Teil 60 der Kammer 56 durch den Rotor 25 mit dem
Schublager 52 in Verbindung steht, wie es vorstehend beschrieben
wurde, wird die auf die Innenfläche 58 des ersten Teils 60 ausge
übte Kraft als eine axiale, nach vorne gerichtete Zugkraft auf
das Schublager 52 ausgeübt, um dadurch wenigstens einen Teil der
nach hinten gerichteten Axialkraft auf ein derartiges Lager auf
zunehmen, die aus dem Betrieb des Triebwerks resultiert. Deshalb
übt Dampf, der eine Druckkraft auf die Innenfläche 58 des Teils
60 ausübt, seinerseits eine Zugkraft auf das Schublager aus.
Ein weiteres Merkmal des Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung,
wie es in Fig. 3 gezeigt ist, ist eine Einrichtung zum Leiten von
Dampf aus der Druckkammer 56 in die Strömungsmittelbahn 10 des
Gasturbinentriebwerks für eine Vergrößerung des Wirkungsgrads,
wie es beispielsweise in der eingangs genannten US-PS 45 69 195
beschrieben ist. Dampf aus der Kammer 56 strömt in einer kontrol
lierten Weise, beispielsweise durch Dichtungsmittel 64 a und 64 b,
für einen Eintritt in die Triebwerksströmungsmittelbahn oder die
Gasströmungsbahn 10 in dem Turbinenabschnitt des Triebwerks. Eine
derartige Dampfströmung kann aus den radial inneren und äußeren
Dichtungsmitteln in die Triebwerkskammern 68 bzw. 70 erfolgen und
dann durch verschiedene Triebwerksstrukturen und Komponenten, wie
es durch die Pfeile 72 a und 72 b gezeigt ist.
Ein weiteres Merkmal des Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung,
wie es in Fig. 2 gezeigt ist, ist die Anordnung einer Dampfströ
mungs-Steuereinrichtung, wie beispielsweise eines Ventils 49 in
der Dampfleitung 48 oder an einer anderen Stelle in der Dampfzu
führungsleitung zur Kammer 56, wenn dies zweckmäßiger ist, um
die Strömung von Druckdampf in die Druckkammer 56 einzustellen
oder zu steuern. Ein derartiges Ventil kann beispielsweise wenig
stens teilweise als eine Funktion der Abnutzung der Dichtungs
mittel 64 a und 64 b während des Betriebs arbeiten. Eine derartige
Dichtungsabnutzung würde dazu neigen, daß mehr Dampf aus der Kam
mer 56 strömen kann, wodurch der Druck in der Kammer verkleinert
und dadurch wiederum die Zugkraft oder die Wirkung auf das Schub
lager 52 gemäß Fig. 2 verkleinert wird. Die Funktion einer der
artigen Strömungssteuereinrichtung, wie die des Ventils 49, kann
an eine zentrale Steuer- bzw. Regeleinrichtung weitergeleitet
werden, zu der Signale betreffend die Kraft- oder Beanspruchungs
werte oder andere Zustände auf das Lager 52 übertragen werden
können. Dies kann unter Verwendung bekannter Signalabtast- und
Übertragungstechnologien und Mitteln erfolgen, die in der Gas
turbinentechnik zum Abtasten und Übertragen von Betriebszuständen
und Parametern innerhalb des Triebwerkes und seiner zugeordneten
Systeme bekannt sind.
Ein weiteres Merkmal des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiels
der Erfindung ist die Anordnung einer Luftleitung 51, die durch
eine Luftsteuereinrichtung oder ein Ventil 53 gesteuert wird.
Eine derartige Struktur ist vorgesehen, um den Zustand zu ermög
lichen, bei dem das Triebwerk in dem "trockenen" Zustand betrie
ben wird, d. h. ohne die Einspritzung von Dampf für eine erhöhte
Last und einen verbesserten Wirkungsgrad, wie es in der vorge
nannten US-PS 45 69 195 beschrieben ist. Bei einem derartigen
"trockenen" Betrieb kann das Schublager 52 die axial gerichtete
Schubkraft aufnehmen wie bei einem üblichen Gasturbinentriebwerk.
Es ist jedoch wünschenswert, eine reinigende Luftströmung oder
Druckluft in die Kammer 56 und dann in die Kammern 68 und 70 zu
richten. Wenn beispielsweise das Ventil 49 in der Leitung 48 ge
schlossen ist und kein Dampf durch die Leitung 48 strömt, kann
das Ventil 53 bis zu einem gewünschten Grad geöffnet werden, um
Druckluft, die zweckmäßigerweise stromaufwärts in dem Triebwerk,
beispielsweise von dem Verdichter, abgezweigt wird, durch die
Leitung 51 und in die Kammern 56, 68 und 70 zu leiten.
Die Koordination und das Ausmaß des Betriebs der Ventile 49 und
53 kann durch relativ einfache Strömungssteuereinrichtungen er
reicht werden, wie beispielsweise durch eine Schalt- oder Ventil
steuereinrichtung 55 in Fig. 2. Beispielsweise kann eine Um
schaltung in einer Triebwerksregelung enthalten sein, die einen
Betrieb zwischen "Trocken"- und Dampfinjektion wählt, wobei
eine in der Regeltechnik von Gasturbinentriebwerken bekannte
Technologie verwendet wird. Weiterhin kann diese Teil- oder Voll
umschaltung von Dampf auf Luft in der Strömungsregeleinrichtung
55 auf verschiedenen Wegen programmiert sein. Beispielsweise kann
sie als eine Funktion des Ölpumpendruckes des Schublagers des
Leistungsturbinenrotors verändert werden, d. h. der Dampf zum
Dampfkolben kann verkleinert werden, wenn die Schublagerlast
der Leistungsturbine unterhalb von Sollwerten liegt. In einem
anderen Ausführungsbeispiel kann das Verhältnis des Dampfkammer
druckes zum Einlaßgasströmungsdruck der Leistungsturbine durch
eine Dampfventildrosselung eingestellt werden, um die Anforde
rungen des Zugrotorschubs zu steuern.
Es sind Vergleichsberechnungen angestellt worden zwischen der
vorliegenden Erfindung und der erwarteten Leistungsfähigkeit
von komplexeren mechanischen Lagern, wie beispielsweise angepaß
ten Paaren von Last aufteilenden Lagern, die für die oben be
schriebenen großen Lastbedingungen während des Dampfinjektions
betriebs verwendet werden müßten. Vergleichsberechnungen haben
gezeigt, daß die erfindungsgemäße Einrichtung etwa den gleichen
thermischen Wirkungsgrad hat ohne die Risiken und Leistungsver
luste, die bei den komplexen mechanischen Lagereinrichtungen
auftreten. Weiterhin haben Vergleichsberechnungen gezeigt, daß
die erfindungsgemäße Einrichtung etwa den gleichen thermischen
Wirkungsgrad hat, wie komplexe mechanische, konische Rollenlager-
Lastverteilungsvorrichtungen, die einen Leistungsverlust von et
wa 1% haben, aber ohne die Risiken. Es ist ein betriebssichereres
System mit zuverlässigeren Voraussagen hinsichtlich der Lebens
dauer; es eliminiert auch die Handhabung einer großen Ölversor
gung und von Pumpen, die bei anderen Systemen erforderlich sind.
Die Verwendung der Strömungssteuereinrichtung 55 und ihrer Koor
dination der Strömung des Druckdampfes, wie beispielsweise aus
der Quelle 23 in Fig. 1, durch die Leitung 48 und die Strömung
von Druckluft durch die Leitung 51 ist im allgemeinen eine Funk
tion des Triebwerksbetriebs. Ein Beispiel ist das Ereignis, daß
die Triebwerksleistung gesenkt wird, beispielsweise durch Zurück
ziehen des Gashebels, von Dampfinjektion in Richtung auf "trocken"
oder Betrieb ohne Dampf. Die Steuereinrichtung 55 kann auf das
Luftventil 53 und das Dampfventil 49 einwirken, um die entspre
chenden Drucke einzeln zu drosseln, so daß der Dampfdruck bei
konstanter Gesamtenthalpie gesenkt wird und die Dampfüberhitzung
ansteigt. Auf diese Weise wird eine Mischung des unter Druck
stehenden, überhitzten Dampfes und kälterer Luft keine Kondensa
tion bewirken. Ein anderes Beispiel ist das Ereignis, daß die
Triebwerksleistung vergrößert wird, beispielsweise durch Vor
schieben des Gashebels, von "trockenem" Betrieb mit Reinigungs
luft in Richtung auf einen Dampfeinspritzbetrieb. Die Quelle
oder Versorgung von Druckluft kann so gewählt werden, daß sie
auf einer ausreichend hohen Temperatur ist, um eine Kondensation
zu verhindern, wenn überhitzter Dampf zugesetzt wird. Eine der
artige Regelung und Koordination kann ausgeführt werden unter
Verwendung von üblichen Technologien, die in der Turbinentrieb
werkstechnik allgemein bekannt sind.
Claims (18)
1. Zugdampfkolben-Ausgleichseinrichtung für das Schub
lager eines Gasturbinentriebwerkes zur Aufnahme wenig
stens eines Teils der axialen Kraft von dem Schubla
ger,
gekennzeichnet durch :
eine Druckkammer (56) mit einer umlaufenden inneren Oberfläche (58), die durch wenigstens einen Abschnitt eines ersten Teils (60) gebildet ist, das mit einem rotierenden Abschnitt des Schublagers (52) verbunden ist und mit diesem umläuft, und
Mittel zum Zuführen von unter Druck stehendem Dampf zu der Kammer (56) und gegen die Innenfläche (58) zum Ausüben einer Druckkraft auf die Innenfläche und da durch einer Zugkraft auf das Schublager (52).
eine Druckkammer (56) mit einer umlaufenden inneren Oberfläche (58), die durch wenigstens einen Abschnitt eines ersten Teils (60) gebildet ist, das mit einem rotierenden Abschnitt des Schublagers (52) verbunden ist und mit diesem umläuft, und
Mittel zum Zuführen von unter Druck stehendem Dampf zu der Kammer (56) und gegen die Innenfläche (58) zum Ausüben einer Druckkraft auf die Innenfläche und da durch einer Zugkraft auf das Schublager (52).
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Druckkammer (56) durch wenigstens einen Ab
schnitt des ersten Teils (60), das mit dem Rotor ver
bunden ist und mit diesem umläuft, ein nicht-umlaufen
des zweites Teil (62), das im Abstand von der Innen
fläche (58) angeordnet ist, und Dichtungsmittel (64)
zwischen der umlaufenden Innenfläche und dem nicht-um
laufenden zweiten Teil gebildet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß Mittel vorgesehen sind zum Leiten von Dampf von
der Druckkammer in die Strömungsbahn des Arbeitsmediums
des Turbinentriebwerks.
4. Einrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß Dampf aus der Druckkammer durch die Dichtungsmit
tel geleitet ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dichtungsmittel zwei Labyrinth-Druckabfall
dichtungen aufweisen.
6. Einrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten und zweiten Teile (60, 62) im wesentli
chen ringförmige, im Abstand angeordnete Teile sind,
die auf entsprechende Weise durch eine rotierende und
eine nicht-rotierende Struktur getragen sind, die mit
den Dichtungsmitteln eine im wesentlichen ringförmige
Druckkammer bilden, und die Dichtungsmittel radial
innere und äußere Strömungsmittel-Druckabfalldichtun
gen aufweisen, durch die die Dampfströmung aus der
Druckkammer steuerbar ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel zum Zuführen von Druckdampf zu der Druck
kammer eine Dampfströmungssteuereinrichtung aufweisen
zum Steuern der Dampfströmung in die Druckkammer wenig
stens als eine Funktion des Triebwerksbetriebs.
8. Einrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß Mittel zum Zuführen von Druckluft zu der Druckkam
mer, eine Luftströmungs-Steuereinrichtung zum Steuern
der Strömung der Druckluft in die Druckkammer und eine
Strömungsmittel-Steuereinrichtung vorgesehen sind, die
mit der Dampfströmungs-Steuereinrichtung und der Luft
strömungs-Steuereinrichtung verbunden ist zum Koordi
nieren der Strömung von Dampf und Luft in die Druckkam
mer als eine Funktion des Triebwerksbetriebs.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gasturbinentriebwerk in Strömungsrichtung hin tereinander einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine und ferner eine Leistungsturbine mit einem frei umlaufenden Leistungsturbinenrotor aufweist, der axial durch wenigstens ein Rotorschublager gehaltert ist,
die Druckkammer radial innen von der Strömungsbahn der Leistungsturbine angeordnet ist und eine umlaufende Innenfläche aufweist, die durch wenigstens einen Ab schnitt eines ersten Teils, das mit dem Rotor verbun den ist und mit diesem umläuft, ein nicht-rotierendes zweites Teil, das im Abstand von der Innenfläche ange ordnet ist, und Dichtungsmittel zwischen der rotieren den Innenfläche und dem nicht-rotierenden zweiten Teil gebildet ist, und
Mittel vorgesehen sind zum Zuführen von unter Druck stehendem Dampf zu der Druckkammer und gegen die Innen fläche, um eine Druckkraft auf die Innenfläche und so mit eine Zugkraft auf das Schublager auszuüben.
daß das Gasturbinentriebwerk in Strömungsrichtung hin tereinander einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine und ferner eine Leistungsturbine mit einem frei umlaufenden Leistungsturbinenrotor aufweist, der axial durch wenigstens ein Rotorschublager gehaltert ist,
die Druckkammer radial innen von der Strömungsbahn der Leistungsturbine angeordnet ist und eine umlaufende Innenfläche aufweist, die durch wenigstens einen Ab schnitt eines ersten Teils, das mit dem Rotor verbun den ist und mit diesem umläuft, ein nicht-rotierendes zweites Teil, das im Abstand von der Innenfläche ange ordnet ist, und Dichtungsmittel zwischen der rotieren den Innenfläche und dem nicht-rotierenden zweiten Teil gebildet ist, und
Mittel vorgesehen sind zum Zuführen von unter Druck stehendem Dampf zu der Druckkammer und gegen die Innen fläche, um eine Druckkraft auf die Innenfläche und so mit eine Zugkraft auf das Schublager auszuüben.
10. Einrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß Mittel zum Leiten von Dampf von der Druckkammer in
die Strömungsbahn der Turbine vorgesehen sind.
11. Einrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten und zweiten Teile im wesentlichen ring
förmige, im Abstand angeordnete Teile sind, die auf
entsprechende Weise durch eine rotierende Struktur und
eine nicht-rotierende Struktur der Turbine gehalten
sind, die mit den Dichtungsmitteln eine im wesentli
chen ringförmige Druckkammer bilden, und
Dichtungsmittel vorgesehen sind, die radial innere und
äußere Strömungsmittel-Druckabfalldichtungen aufweisen,
durch die die Dampfströmung aus der Druckkammer steuer
bar ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß Mittel zum Zuführen von Druckluft aus dem Verdich
ter zu der Druckkammer, eine Luftströmungs-Steuerein
richtung zur Steuerung der Strömung von Druckluft in
die Druckkammer und eine Strömungsmittel-Steuereinrich
tung vorgesehen sind, die mit der Dampfströmungs-Steuer
einrichtung und der Luftströmungs-Steuereinrichtung ver
bunden ist zum Koordinieren der Strömung von Dampf und
Luft in die Druckkammer als eine Funktion des Trieb
werksbetriebs.
13. Gasturbinentriebwerkssystem mit einer Dampfquelle auf
einem ersten Druck, einem Gasturbinentriebwerk mit in
einer Arbeitsmittel-Strömungsbahn hintereinander ange
ordneten Verdichter, einer Brennkammer und einer Tur
bine, wobei das Triebwerk einen Rotor aufweist, der
axial durch wenigstens ein Rotorschublager gehaltert
ist, und mit Mitteln zum Einführen von Dampf in das
Triebwerk,
gekennzeichnet durch
eine mit dem Schublager verbundene Zugdampfkolben-
Ausgleichseinrichtung zum Aufnehmen wenigstens
eines Teils der axialen Kraft von dem Schublager, wo
bei die Dampfkolben-Ausgleichseinrichtung auf
weist:
- a) eine Druckkammer mit einer rotierenden Innenfläche, die durch wenigstens einen Abschnitt eines ersten Teils, das mit dem Rotor verbunden ist und mit die sem umläuft, einem nicht-rotierenden zweiten Teil, das im Abstand von der Innenfläche angeordnet ist, und Dichtungsmitteln zwischen der rotierenden Innen fläche und dem nicht-rotierenden zweiten Teil ge bildet ist,
- b) Mittel zum Zuführen des Dampfes zu der Druckkammer und gegen die Innenfläche, um eine Druckkraft auf die Innenfläche und somit eine Zugkraft auf das Schublager auszuüben, und
- c) Mittel zum Einführen von Dampf aus der Druckkammer in einen gewählten Abschnitt der Strömungsbahn des Arbeitsmittels stromabwärts von dem Verdichter, wobei das Arbeitsmittel in der Strömungsbahn an dem gewählten Abschnitt auf einem zweiten Druck ist, der kleiner als der erste Druck ist.
14. Verfahren zum Betreiben eines Turbinentriebwerks mit
einer Strömungsbahn für das Arbeitsmittel und einem
Schublager, das während des Betriebs einer axialen
Kraft ausgesetzt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß:
eine Versorgung für unter Druck stehendem Dampf ausge bildet wird und
der Dampf gegen ein Teil gerichtet wird, das mit dem Schublager verbunden ist, um eine Druckkraft auf das Teil in einer Richtung auszuüben, die wenigstens einen Teil der axialen Kraft aufnimmt bzw. entspannt.
eine Versorgung für unter Druck stehendem Dampf ausge bildet wird und
der Dampf gegen ein Teil gerichtet wird, das mit dem Schublager verbunden ist, um eine Druckkraft auf das Teil in einer Richtung auszuüben, die wenigstens einen Teil der axialen Kraft aufnimmt bzw. entspannt.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Dampf, nachdem er gegen das Teil geströmt ist,
in die Arbeitsmittel-Strömungsbahn gerichtet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Teil wenigstens einen Abschnitt einer Druckkam
mer bildet und der Dampf in die Druckkammer und gegen
das Teil gerichtet wird, eine Versorgung von Druckluft
und Mittel zum Richten der Luft in die Druckkammer aus
gebildet wird und die Strömung der Druckluft und des
Druckdampfes in die Druckkammer als eine Funktion des
Triebwerksbetriebs koordiniert gesteuert wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Strömung der Luft und die Strömung des Dampfes
gesteuert und koordiniert werden, wenn die Triebwerks
leistung gesenkt wird, um den Dampfdruck bei einer kon
stanten Gesamtenthalpie zu senken und die Dampfüber
hitzung zu vergrößern.
18. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Strömung der Luft und die Lufttemperatur und
die Strömung des Dampfes gesteuert und koordiniert wer
den, wenn die Triebwerksleistung erhöht wird, um eine
Kondensation aus dem Dampf zu verhindern.
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