DE60034920T2

DE60034920T2 - Doppelwandiger Lagerkonus

Info

Publication number: DE60034920T2
Application number: DE60034920T
Authority: DE
Inventors: Martel Alexander Simpsonville McCallum; Jon Allen Spartanburg Ebacher
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 2000-12-12
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2020-12-13
Also published as: JP2001182503A; DE60034920D1; EP1108858A3; EP1108858B1; US6266954B1; JP4548691B2; EP1108858A2

Description

Die Erfindung betrifft die Kühlung in einer Gasturbine und insbesondere einen doppelwandigen Lagerkonus, der die Öffnung zwischen dem Lagergehäuse und der Abgasgehäusestruktur in einer Gasturbine schließt.
Ein Lagerkonus ist eine Barrierenwand in einer Gasturbine, welche die Öffnung zwischen dem Lagergehäuse und der Abgasgehäusestruktur der Gasturbine schließt. Gemäß Darstellung in 1 erzeugt diese Barrierenwand 100 einen Hohlraum 102 um die hintere Rotorwelle 104 und das Rad 106 der dritten Stufe der Turbine, der mit Spülluft versorgt wird, um ein Eindringen von heißem Turbinengas in den Hohlraum 102 zu verhindern. Normalerweise wird aus dem Ab gasgehäuse-Kühlkreis austretende Luft verwendet, um den Hohlraum 102 an der hinteren Rotorwelle unter Druck zu setzen und zu spülen.
Aus Verschleiß sich ergebende Probleme wurden in dem Rad der dritten Stufe der Turbine und der Falzverbindung der hinteren Rotorwelle aufgrund schädlicher Wärmegradienten in dem Rotor festgestellt, welche durch die Spülluftzustände in dem Hohlraum der hinteren Welle erzeugt werden. Das Auftreffen von Abgasgehäuse-Kühlluft auf die Rückseite des Rades der dritten Stufe und das Eindringen von kalter Lagertunnelluft über dem Lagerkonus in den Hohlraum der hinteren Rotorwelle (siehe Pfeil in 1) sind Hauptbeitragsfaktoren zu den schädlichen Wärmegradienten.
US 2,620,157 offenbart eine Gasturbine mit einem Lager auf der Abgasseite des Rotors.
Um die Wärmeabgrenzungsbedingungen an der hinteren Rotorwelle zu verbessern, ist somit eine Kühlkreismodifikation hilfreich.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Gasturbinen-Lagerkonusanordnung geschaffen, die aufweist: ein Lagergehäuse, das dafür eingerichtet ist, eine Turbinenscheibe einer Gasturbine zu lagern; einen Abgasgehäuse, wobei das Lagergehäuse und der Abgasgehäuse zwischen einander eine Öffnung ausbilden; und einen Lagerkonus, der so angeordnet ist, dass er die Öffnung zwischen dem Lagergehäuse und dem Abgasgehäuse schließt, wobei der Lagerkonus eine konische Platte und eine Nabe aufweist; gekennzeichnet durch: eine konische vordere Platte mit einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser; eine konische hintere Platte, die verschachtelt mit und in Abstand von der konischen vorderen Platte angeordnet ist und einen Innendurchmesser und einem Außendurchmesser aufweist; und die Nabe, welche die Innendurchmesser der vorderen Platte und der hinteren Platte verbindet.
Die Nabe ist bevorzugt mit Löchern versehen, die dazu dienen, einen Luftstrom zwischen der vorderen Platte und der hinteren Platte zu dosieren. Die vorderen und hinteren Platten sind mit vorderen und hinteren Halteplatten an den entsprechenden Außendurchmessern verbunden.
In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der Erfindung ist ein Abgasgehäuse-Kühlkreislauf in dem Lagergehäuse einer Turbine durch einen Kühlluftströmungspfad durch die Lagerkonusanordnung der Erfindung definiert. Der Kühlkreislauf umfasst einen Luftströmungspfad zwischen der vorderen Platte und der hinteren Platte des Lagerkonus.
In noch einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der Erfindung enthält eine Gasturbine eine Lagerkonusanordnung der Erfindung. Der Lagerkonus der Erfindung ist in einer Öffnung zwischen dem Lagergehäuse und dem Abgasgehäuse angeordnet. Das Abgasgehäuse kann einen Schlitz enthalten, der die hintere Halteplatte des Lagerkonus aufnimmt, wobei eine Seilpackungsdichtung zwischen der hinteren Halteplatte des Lagerkonus und dem Schlitz angeordnet ist. Die Nabe steht bevorzugt mit dem Lagergehäuse über eine Wellendichtung in Eingriff. Die konische vordere Platte des Lagerkonus steht mit einer Innentrommel ID des Abgasgehäuses über eine schwimmende Teilringdichtung in Eingriff.
Die Erfindung wird nun detaillierter im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Gasturbine ist, welche einen Lagerkonus und einen Kühlkreis darstellt;
2 eine Querschnittsansicht einer Gasturbine ist, die den doppelwandigen Lagerkonus der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 den Aufbau des doppelwandigen Lagerkonus darstellt;
4 die Schnittstellendichtungen des Lagerkonus der Erfindung darstellt;
5 eine Vergrößerungsansicht der in 4 dargestellten Seildichtung ist;
6 eine Vergrößerungsansicht der in 4 dargestellten Wellendichtung ist; und
7 eine Vergrößerungsansicht der in 4 dargestellten Teilringdichtung ist;
Gemäß den 2 bis 4 ist der doppelwandige Lagerkonus 10 der Erfindung aus zwei verschachtelten und in Abstand angeordneten konischen Platten aufgebaut, nämlich einer hinteren Platte 12 und einer vorderen Platte 14. Die Platten 12, 14 sind durch nur eine Nabe 16 an den entsprechenden Innendurchmessern der Platten 12, 14 verbunden.
Die verschachtelten konischen Platten 12, 14 sind mit entsprechenden hinteren und vorderen Halteplatten 18, 19 an ihren Außendurchmessern verbunden. Knotenbleche 20 verbinden die hinteren und vorderen Halteplatten 18, 19, um die Beanspruchung aus einer Druckbelastung zu minimieren.
Gemäß Darstellung in 3 ist die Nabe 16 mit Löchern 22 darin versehen, die so bemessen sind, dass sie den Luftstrom durch den Hohlraum der hinteren Rotorwelle dosieren.
Gemäß den 4 und 5 bildet der Außendurchmesser der hinteren Halteplatte 18 des Lagerkonus eine Verbindung mit einem Schlitz 23 in dem Abgasgehäuse, der derselbe Schlitz ist, der die herkömmliche Lagerkonusanordnung hält. Ein axialer Freiraum an dieser Schlitzschnittstelle ist reduziert, und eine Seilpackungsdichtung 24 (3) oder eine andere geeignete Dichtung ist zwischen der hinteren Halteplatte 18 des Lagerkonus und dem Schlitz angeordnet.
An der Verbindungsstelle der Nabe 16 mit dem Lagergehäuse ist ein radialer Abstand minimiert, und einer Metalldichtung 26 (6) wie zum Beispiel eine Wave Seal^TM, die von EG&G Aerospace and Engineered Products Division of Beltsville, Maryland beziehbar ist, ist zwischen dem Lagergehäuse und der Nabe 16 angeordnet. Die Wellendichtung Wave Seal^TM von EG&G wird aufgrund ihrer Fähigkeit eine Relativbewegung aufzunehmen bevorzugt, obwohl auch andere Dichtungen geeignet sein können.
Die vordere Halteplatte 19 des doppelwandigen Lagerkonus verwendet eine schwimmende Teilringdichtung 27 (7) zur Verbindungsherstellung mit dem Innendurchmesser (ID 28) der Innentrommel des Abgasgehäuses. Obwohl andere Dichtungen geeignet sein können, ermöglicht die Teilringdichtung einen relativ guten Sitz, während gleichzeitig die Nicht-Konzentrizität des Lagergehäuses in Bezug auf das Abgasgehäuse aufgenommen wird. Die Teilringdichtung ermöglicht auch den Einbau des doppelwandigen Lagerkonus der Erfindung in ein bestehendes Abgasgehäuse ohne die Notwendigkeit einen zweiten Verbindungsstellenschlitz einzuarbeiten.
Mit der Anordnung der vorliegenden Erfindung stellt der Doppelwandlagerkonus eine Dichtung gegen das Eindringen von Tunnelluft in den hinteren Wellenhohlraum des Rotors an der Abgasgehäuse-Verbindungsstelle bereit, indem er einen Luftüberdruck im Bezug auf die Lagertunnelluft erzeugt. Mit der Druckluft aus dem Abgasgehäuse-Kühlkreislauf, die in den Doppelwandlagerkonus strömt, findet jedes Eindringen von Luft bei dem Lagerkonus in die Abgasgehäuseschnittstelle in den Lagertunnel statt, statt dass die kältere Lagertunnelluft in den hinteren Hohlraum des Rotors eindringt. Zusätzlich wird Abgasgehäuse-Kühlluft zurückgeleitet, um das Auftreffen auf die Hinterseite des Rades der dritten Stufe der Turbine zu beseitigen, und um die Spülluft bei dem ID des hinteren Wellenhohlraums des Rotors einzuführen, um eine besser bestimmten Satz von Strömungs- und Wärmebegrenzungs-Bedingungen durch den Hohlraum der hinteren Welle zu erzeugen. Die Dosierungslöcher in der Nabe reduzieren den Gesamtluftstrom durch das Abgasgehäuse und führen zu einer zusätzlichen Wärmeaufnahme welche für die thermische Reaktion der hinteren Rotorwelle günstig ist.
Gemäß Darstellung in 2 wird somit ein Kühlkreislauf mit einem Kühlluftstrom quer zu dem heißen Verbrennungsgas in dem Abgasgehäuse zwischen der vorderen Platte und der hinteren Platte des Lagerkonus und durch die Löcher in der Nabe definiert. Der Lagerkonus erzeugt einen Überdruck gegenüber dem Eindringen von Lagertunnelluft in den hinteren Wellenhohlraum des Rotors. Mit dem Doppelwandlagerkonus der Erfindung ist die Lufttemperatur des hinteren Wellenhohlraums des Rotors um angenähert 55°C (100°F) höher, um dadurch die Falzdurchmesseröffnung zu beseitigen, welche das Verschleißmuster erzeugte, das zwischen dem Rad der dritten Stufe der Turbine und der hinteren Rotorwelle beobachtet wurde.

Claims

Gasturbinen-Lagerkonusanordnung, aufweisend: ein Lagergehäuse, das dafür eingerichtet ist, eine Turbinenscheibe einer Gasturbine zu lagern; ein Abgasgehäuse, wobei das Lagergehäuse und das Abgasgehäuse zwischen einander eine Öffnung ausbilden; und einen Lagerkonus, der so angeordnet ist, dass er die Öffnung zwischen dem Lagergehäuse und dem Abgasgehäuse schließt, wobei der Lagerkonus eine konische Platte und eine Nabe aufweist; gekennzeichnet durch: eine konische vordere Platte (14) mit einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser; eine konische hintere Platte (12), die verschachtelt mit und in Abstand von der konischen vorderen Platte angeordnet ist und einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser aufweist; und die Nabe (16), welche die Innendurchmesser der vorderen Platte und der hinteren Platte verbindet.
Lagerkonusanordnung nach Anspruch 1, wobei in der Nabe (16) Löcher vorgesehen sind, die dazu dienen, einen Luftstrom zwischen der vorderen Platte (14) und der hinteren Platte (12) zu dosieren.
Lagerkonusanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die vordere Platte (14) und die hintere Platte (12) an den entsprechenden Außendurchmessern mit vorderen und hinteren Halteplatten (18) verbunden sind.
Lagerkonusanordnung nach Anspruch 3, welche ferner Knotenbleche (20) aufweist, die die vorderen und hinteren Halteplatten (18) verbinden.
Abgasgehäuse-Kühlkreislauf in dem Lagergehäuse einer Turbine, wobei der Kühlkreislauf durch die Lagerkonusanordnung hindurch einen Kühlluftströmungspfad gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist, wobei der Kühlkreislauf einen Luftströmungspfad zwischen der vorderen Platte und der hinteren Platte des Lagerkonus aufweist.
Abgasgehäuse-Kühlkreislauf nach Anspruch 5, wobei in der Nabe (16) Löcher vorgesehen sind, die dazu dienen, um einen Luftstrom zwischen der vorderen Platte (14) und der hinteren Platte (12) zu dosieren, und wobei sich der Luftströmungspfad durch die Löcher in der Nabe hindurch erstreckt.
Gasturbine mit der Lagerkonusanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.
Gasturbine nach Anspruch 7, wobei die vordere Platte (14) und die hintere Platte (12) an den entsprechenden Außendurchmessern mit vorderen und hinteren Halteplatten (18) verbunden sind.
Gasturbine nach Anspruch 8, wobei der Abgasgehäuse einen Schlitz (23) aufweist, der die hintere Halteplatte (12) des Lagerkonus aufnimmt, und wobei eine Seildichtungspackung (24) zwischen der hinteren Halteplatte des Lagerkonus und dem Schlitz angeordnet ist.
Gasturbine nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei die Nabe (16) mit dem Lagergehäuse in Eingriff steht, und wobei eine metallische Dichtung (26) zwischen dem Lagergehäuse und der Nabe angeordnet ist.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die konische vordere Platte (14) des Lagerkonus mit einer Innentrommel ID (28) des Abgasgehäuses in Eingriff steht, und wobei zwischen der konischen vorderen Platte und der Innentrommel ID eine schwimmende Teilringdichtung (27) angeordnet ist.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Nabe (16) Löcher darin aufweist, die dazu dienen, einen Luftstrom zwischen der vorderen Platte (14) und der hinteren Platte (12) zu dosieren.
Gasturbine nach Anspruch 12, wobei der Kühlkreislauf durch einen Kühlluftstrom quer zu dem heißen Verbrennungsgas in dem Abgasgehäuse zwischen der vorderen Platte (14) und der hinteren Platte (12) des Lagerkonus (10) und durch die Löcher in der Nabe (16) definiert ist.