DE4304482A1

DE4304482A1 - Schmiersystem für eine Turbomaschine

Info

Publication number: DE4304482A1
Application number: DE19934304482
Authority: DE
Inventors: Oskar Erismann
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG
Priority date: 1993-02-15
Filing date: 1993-02-15
Publication date: 1994-08-18

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Schmiersystem für eine Turboma schine, im wesentlichen bestehend aus mindestens einer wech selstromgetriebenen Ölpumpe, welche das Schmiermittel über einen Kühler, einen Filter und eine Drossel in eine Sammel leitung fördert, aus der die verschiedenen Verbraucher versorgt werden.

Stand der Technik

Aus Kostengründen geht man davon ab, wellengetriebene Schmierölpumpen zu verwenden, da sowohl für den Start als auch bei Stillstand der Maschine in der Nachkühlphase ohnehin eine separate Schmierölversorgung gewährleistet sein muß.

Das Schmierölsystem umfaßt deshalb neuerdings wechselstrom getriebene Ölpumpen, von denen jeweils eine in Betrieb ist, während eine zweite Pumpe in Reserve ist. Wird die Turboma schine abgestellt, so wird der Pumpenbetrieb während der Aus laufphase und der anschließenden Kühlphase aufrechterhalten. Als problematisch ist ein gleichzeitiges Havarieren beider Pumpen oder ein Stromausfall anzusehen, der zum einen zu einer Notabschaltung der Turbomaschine führt, zum andern aber auch die wechselstromgetriebenen Ölpumpen stillsetzt.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, diesbezüglich eine Lösung zu finden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Schmiersystem der eingangs genannten Art auch bei einer Notabschaltung die Schmierölversorgung unter allen Umständen aufrechtzuerhalten.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei Ausfall der wechselstromgetriebenen Ölpumpe und daraus resultierendem Maschinentrip eine mittels Batterie gleichstrombetriebene Ölpumpe die Schmiermittelförderung in die Sammelleitung über nimmt,

- wobei während der Auslaufphase der Turbomaschine die Schmierung der Lager mit reduziertem Öldruck vorgenommen wird,
- und daß nach dem Auslaufen zumindest das Endlager der Turbomaschine während einer mehrstündigen Periode mit weiter reduziertem Öldruck gekühlt wird.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die gleichstrombetriebene Ölpumpe eine Zentrifugalpumpe ist, und wenn die Druckminde rung des Schmiermittels in der Auslaufphase und in der Kühl phase durch Drehzahlregelung der Pumpe vorgenommen wird, wobei der Öldruck in der Auslaufphase ca. 1 bar und in der Kühlphase ca. 0.3 bar beträgt.

Der Vorteil der Erfindung ist unter anderem in einem minima len Bedarf an Batteriekapazität zu sehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer einwelligen Gasturbine dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schema des Gasturbinensatzes;

Fig. 2 Öldruck und Drehzahlen in Funktion der Zeit;

Fig. 3 Leistungsbedarf der Notölversorgung zur Bestimmung der Kapazität der Gleichstromquelle.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Vom Schmiersystem nicht gezeigt sind insbesondere die üblichen Temperatur- und Druckmeßstellen, die Einstellblenden sowie die Rückführleitungen. Die Strö mungsrichtung der Arbeitsmittel sind mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die in Fig. 1 dargestellte Turbomaschine besteht im wesentli chen aus einer Gasturbine 1, welcher einen auf einer gemein samen Welle 2 angeordneten Verdichter 3 antreibt. An die Welle ist über eine Kupplung 4 ein Generator 5 angekuppelt. Der Wellenstrang ist mit einer Wellendrehvorrichtung 6 ausge rüstet. Gelagert ist er in den Radiallagern 7, 8, 9 und 10. Der Axialschub wird von einem Axiallager 11 aufgenommen.

Die Lager 7 bis 11 werden mit Schmieröl versorgt über die Zuströmleitungen 7a bis 11a, die alle von einer Sammelleitung 12 abzweigen. In den Zuströmleitungen sind nicht gezeigte Blenden zur individuellen Einstellung der Ölmenge vorgesehen.

In die Sammelleitung 12 gefördert wird das Schmiermittel aus dem Öltank 13 über eine der beiden Hauptpumpen 14 resp. 15. Es handelt sich bei diesen Pumpen um Zentrifugalpumpen, welche im Beispielsfall bei Nenndrehzahl 3500 U/min eine Ölmenge von 21 Litern/Sekunde bei einem Druck von 6 bar fördern. Die Pumpen werden von aus dem Stromnetz gespeisten Wechselmotoren 16 resp. 17 angetrieben. In der Leitung hinter der jeweiligen Pumpe sind Rückschlagventile 18 resp. 19 ange ordnet. Diese verhindern, daß Drucköl aus der Förderleitung 20, welche beiden Pumpen gemeinsam ist, über die jeweils stillstehende Pumpe in den Tank zurückströmt. In der Förder leitung 20 ist ein Druckspeicher 36 angeordnet, welcher beim Umschalten von einer auf die andere Pumpe die Totzeit über brückt, ohne Beeinträchtigung der Ölversorgung. In der För derleitung 20 ist ein Thermostatventil 21 angeordnet, welches dafür sorgt, daß das Schmiermittel mit der richtigen Tempe ratur zu den Verbrauchern gelangt. Ist die Temperatur beispielsweise zu hoch, so wird Schmiermittel aus der Förder leitung 20 vor dem Thermostatventil 21 abgezweigt, in einem Wärmetauscher 22 gekühlt und in das Thermostatventil 21 zurückgeführt. Es versteht sich, daß die hierzu notwendige und nicht dargestellte Temperaturmessung stromabwärts des Thermostatventils 21 erfolgt. In der Förderleitung befindet sich weiterhin ein Ölfilter 23 und eine Blende 24. In letzte rer wird der Öldruck auf den für die Verbraucher erforderli chen Druck von beispielsweise 1.5 bar reduziert.

Soweit sind Schmierölsysteme bekannt. Es versteht sich, daß bei einem Ausfall der Stromversorgung und damit der Ölversor gung durch die beiden Hauptpumpen ein Notschmiersystem in Betrieb gesetzt werden muß, um das ungefährdete Auslaufen der Maschine zu gewährleisten.

Hierzu ist im Öltank 13 eine weitere Ölpumpe 25 vom gleichen Typ und Größe wie die Hauptpumpen vorgesehen. Diese Notpumpe 25 wird von einem Gleichstrommotor 26 angetrieben, welche aus einer Gleichstromquelle, hier einer Batterie 27 versorgt wird. Die Ölpumpe 25, in welcher ebenfalls ein Rückschlagven til 28 vorgesehen sein muß, fördert das Schmiermittel unter Umgehung der Kühl-und Filteranlage über eine Druckleitung 29 unmittelbar in die Sammelleitung 12 und von dort zu den Ver brauchern 7 bis 11.

Über die Gleichstromquelle 27 wird ein weiterer Gleichstrom motor 30 angespeist, welcher eine Hochdruckpumpe 31 antreibt. Für diese Hochdruckpumpe wird mit Vordruck Schmieröl aus dem Bereich der Sammelleitung 12, hier von einem Knotenpunkt 32 abgezeigt. In der Ansaugleitung 33 zur Hochdruckpumpe befin det sich ebenfalls ein Rückschlagventil 34. Diese Hochdruck pumpe fördert das Öl in eine Sammelleitung 35, aus der die Radiallager 7 bis 10 über Zuführleitungen 7b bis 10b beauf schlagt werden.

Die Betriebsweise des Schmiersystems ist nun folgende:
Vor dem Start der Gasturbine wird eine Funktionsprüfung der am System beteiligten Elemente vorgenommen. Unter der Annahme, daß die Hauptpumpe 14 die Ölförderung übernimmt, werden mit deren Einschalten auch die Reservepumpe 15 und die Notpumpe 25 gestartet. Wenn alle Pumpen über ihre Druckgeber melden, daß sie funktionstüchtig sind, werden Reservepumpe 15 und Notpumpe 25 wieder abgeschaltet und der Maschinenstart wird mit der Hauptpumpe 14 freigegeben. Während des Normalbe triebes beträgt der Ölbedarf der Verbraucher ca. 17 Liter/sec. bei 1.5 bar.

Tritt nun während des Betriebes ein Stromausfall auf, so erfolgt neben dem Abschalten der Pumpe 14 eine Notabschaltung der Maschine. So wie der Öldruck vor den Lagern infolge der nachlaßenden Ölförderung von den oben genannten 1.5 bar auf ca. 1.2 bar abfällt, wird unter Umgehung jeglicher elektroni scher oder sonstiger Steuerung über einen Druckschalter sofort die Notpumpe 25 eingeschaltet. In der Zeit, die die Pumpe zum Hochlaufen braucht, erfolgt die Ölversorgung aus dem entsprechend dimensionierten Ölspeicher 21.

Die Auslaufzeit der Maschine von Nenndrehzahl, bspw 3600 U/min auf ca. 2% Nenndrehzahl dauert etwa 15 Minuten. Während dieser Zeit reicht es, die Lager mit einem Öldruck von ca. 1.0 bar zu beaufschlagen. Dies bedeutet - da infolge der direkten Einspeisung über die Leitung 29 die Widerstände über Kühler 22, Filter 23 und Blende 24 wegfallen - daß der Gleichstrommotor 26 die Pumpe 25 nur mit ca. 2000 U/min drehen muß. Die Fördermenge beträgt hierbei ca. 14 Liter/sec.

Beim Stillstand der Maschine wird, immer noch ohne Wechsel strom - wie an sich bekannt - die Welle 2 mittels der Wellendrehvorrichtung 6 gleichmäßig oder in Intervallen gedreht, um eine Verkrümmung der Welle zu vermeiden. Dieser Vorgang dauert ca. 2 Stunden. Während dieser Zeit und den nachfolgenden 4 Stunden bleibt das Notölsystem im Betrieb. Allerdings wird hierbei die Drehzahl der Notpumpe 25 auf ca. 1100 U/min reduziert, wodurch noch ein ausreichender Öldruck von 0.3 bar und eine Fördermenge von ca. 8 Liter/sec erreicht wird. Besonders wichtig ist hierbei die Kühlung des sehr heißen gasturbinenseitigen Endlagers 7, wo es gilt, die Nachwärme, die zu einem Auslaufen des Weißmetalls führen könnte, über das Öl abzuführen.

Die zwei unterschiedlichen Drehzahlen während des Notbetriebs haben den Vorteil des sparsamen Gleichstromverbrauches.

Die 2 selbsterklärenden Schaubilder in Fig. 2 verdeutlichen die Zusammenhänge. Die Abzisse bildet jeweils die Zeitachse, wobei der Abschnitt A den Normalbetrieb, der Abschnitt B das Auslaufen der Maschine und der Abschnitt C die Kühlphase bedeuten. Im Zeitpunkt S erfolgt im Beispielsfall der Strom ausfall. Auf der Ordinate ist im oberen Schaubild der Öldruck D (ausgezogene Linien) und die Pumpendrehzahl N_P (strichlier te Linien) aufgetragen. Zu beachten ist, daß im Abschnitt A eine der wechselstromgetriebenen Ölpumpen fördert, während in den Abschnitten B und C die gleichstrombetriebene Ölpumpe fördert. Im unteren Schaubild ist auf der Ordinate die Maschinendrehzahl N_M aufgetragen.

Während des Stillstandes versucht man in Unkenntnis der Dauer des Stromausfalls die Maschine bezüglich eines Wiederstarts zumindest während einer gewissen Zeit betriebsbereit zu hal ten. Dies geschieht unter anderm dadurch, daß die Welle 2 über das System 30 bis 35 und die Leitungen 7b bis 10b mit tels Hochdrucköl angehoben und mit der Wellendrehvorrichtung 6 gedreht wird.

Bei der Bestimmung der erforderlichen Kapazität der Gleich stromquelle gilt es, den nicht unbeträchtlichen Strombedarf für den Antrieb der Hochdruckpumpe und den Bedarf für die Wellendrehvorrichtung 6 mitzuberücksichtigen.

Die beiden Schaubilder in Fig. 3 zeigen hierfür ein Beispiel, wobei zu bemerken ist, daß die angegebenen Absolutwerte selbstverständlich nicht allgemeingültig sind, sondern für eine konkrete Anlage gelten. Auf der Abzisse ist die Zeit in Stunden aufgetragen, wobei im Zeitpunkt 0 der Stromausfall resp. der Maschinentrip angenommen wird. Auf der Ordinate ist die abgegebene Pumpenleistung in KW aufgetragen. Die schraf fierten Flächen stellen den Leistungsbedarf in KWh dar, aus deren Summierung sich die erforderliche Batteriekapazität ergibt.

Das obere Schaubild zeigt die 15minutige Schmierölförderung während des Maschinenauslaufs (schräg schraffiert). Daran schließt sich die bis zu 6 Stunden dauernde Kühlphase an (vertikal schraffiert). Dem überlagert ist eine 1½-stündige Phase, während der das Hochdrucksystem und die Wellendreh vorrichtung 6 für die Betriebsbereitschaft der Maschine in Funktion ist (horizontal schraffiert). Diese Phase setzt ca. 15 Minuten nach dem Auslaufen ein.

Aus dem unteren Schaubild ist der Kapazitätsbedarf für den schlimmstmöglichen Fall errechenbar. Hierunter wird ein Stromausfall, ein Wiederstart nach 2 Stunden und ein nochma liger Stromausfall verstanden. Man erkennt hier, daß nach 2 Stunden, während deren Notsystem und Hochdrucksystem mit Wel lendrehen in Betrieb waren, die Stromrückkehr ein Wiederan fahren der Maschine gestattet. Unmittelbar nach Beendigung der Startphase erfolgt ein neuer Stromausfall, was eine erneute Auslauf- und Kühlphase zur Folge hat. Ein Batteriela den, welches zum Neustart unabdingbar ist, erfolgt bei diesem Szenario erst 8 Stunden nach den ersten Stromausfall.

Bezugszeichenliste

1 Gasturbine
2 Welle
3 Verdichter
4 Kupplung
5 Generator
6 Wellendrehvorrichtung
7 Radiallager
8 Radiallager
9 Radiallager
10 Radiallager
11 Axiallager
7a bis 11a Zuströmleitungen zu 7 bis 11
7b bis 10b Zuströmleitungen zu 7 bis 10
12 Sammelleitung
13 Öltank
14 Hauptpumpe
15 Hauptpumpe
16 Wechselstrommotor
17 Wechselstrommotor
18 Rückschlagventil
19 Rückschlagventil
20 Förderleitung
21 Thermostatventil
22 Wärmetauscher
23 Ölfilter
24 Blende
25 Ölpumpe
26 Gleichstrommotor
27 Batterie
28 Rückschlagventil
29 Druckleitung
30 Gleichstrommotor
31 Hochdruckpumpe
32 Knotenpunkt
33 Ansaugleitung
34 Rückschlagventil
35 Sammelleitung
36 Druckspeicher

Claims

1. Schmiersystem für eine Turbomaschine, im wesentlichen bestehend aus mindestens einer wechselstromgetriebenen Ölpumpe (14,15), welche das Schmiermittel über einen Kühler (22), einen Filter (23) und eine Drossel (24) in eine Sammelleitung (12) fördert, aus der die verschie denen Verbraucher (7-11) versorgt werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall der wechselstromgetriebenen Ölpumpe (14, 15) und daraus resultierendem Maschinentrip eine mittels Batterie (27) gleichstrombetriebene Ölpumpe (25) die Schmiermittelförderung in die Sammelleitung (12) übernimmt,

- wobei während der Auslaufphase der Turbomaschine die Schmierung der Lager (7 bis 11) mit reduziertem Öldruck vorgenommen wird,
- und daß nach dem Auslaufen zumindest das Endlager (7) der Turbomaschine während einer mehrstündigen Periode mit weiter reduziertem Öldruck gekühlt wird.

2. Schmiersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichstrombetriebene Ölpumpe (25) eine Zentri fugalpumpe ist, und daß die Druckminderung des Schmier mittels in der Auslaufphase und in der Kühlphase durch Drehzahlregelung der Pumpe vorgenommen wird, wobei der Öldruck in der Auslaufphase ca. 1 bar und in der Kühl phase ca. 0.3 bar beträgt.

3. Schmiersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auslaufphase die Turbomaschine hinsichtlich eines Wiederstarts betriebsbereit gehalten wird einer seits durch Anheben der Lager mittels Hochdrucköl, wel ches unter Vordruck im Bereich der Sammelleitung (12) entnommen wird und mittels einer von der Batterie (27) gleichstrombetriebenen Hochdruck-Ölpumpe (31) in die Radiallager (7-10) gefördert wird und andererseits durch gleichmäßiges oder intervallmäßiges Drehen der Welle.