-
Diese
Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen und insbesondere Verfahren
und eine Vorrichtung zum Regulieren von Lagerlasten in Gasturbinentriebwerk-Lagerbaugruppen.
-
Das
Dokument US-A-1895003 beschreibt eine Dampfturbine mit einem Dampfstoß-Ausgleichskolben.
Gasturbinen enthalten einen Hochdruckverdichter, eine Brennkammer
und eine Hochdruckturbine. Der Hochdruckverdichter weist einen Rotor
und mehrere Stufen auf. Der Rotor wird durch mehrere Lagerbaugruppen
gestützt,
die einen inneren Laufring, einen äußeren Laufring und mehrere
Wälzkörper zwischen
dem inneren und dem äußeren Ring enthalten.
Wenn die Lagerlasten während
des Triebwerkbetriebs innerhalb vordefinierter Grenzen gehalten
werden, ermöglicht
dies eine Verlängerung
der Nutzlebensdauern der Lagerbaugruppe.
-
Zum
Regulieren der Lagerlast nutzen wenigstens einige bekannte Gasturbinenantriebe
Verdichterabluft. Die Abluft wird durch Zuführleitungen geleitet, die Drosselscheibenbaugruppen
aufweisen. Die Drosselscheibenbaugruppen sind mehrteilige Baugruppen,
und jede Drosselscheibenbaugruppe weist eine diskret dimensionierte Öffnung auf,
die eine Menge eines durch die Drosselscheibenbaugruppe hindurchgehenden
Luftstroms begrenzt und dadurch einen Druck/Strom von den Luftquellen
reguliert.
-
Wenn
während
des Motorbetriebs Triebwerksparameter anzeigen, dass die Lagerlast
vordefinierte Grenzen überschreitet,
wird der Motorbetrieb gestoppt, und die Drosselscheibenbaugruppe
wird durch eine andere Drosselscheibenbau gruppe ersetzt, die eine
anders dimensionierte Öffnung
auf weist. Da jede Drosselscheibenbaugruppe diskret dimensioniert
ist, wird häufig
ein großer
Bestand an Scheiben unterhalten. Angesichts der Komplexität der mehrteiligen
Drosselscheibenbaugruppen ist das Ersetzen der Drosselscheibenbaugruppen
häufig
ein zeitraubender und kostspieliger Prozess.
-
In
einer exemplarischen Ausführungsform ermöglicht eine
Drosselscheibenbaugruppe für
einen Gasturbinenantrieb die Verlängerung der Nutzlebensdauer
von Lagerbaugruppen innerhalb des Gasturbinenantriebs. Jede Drosselscheibenbaugruppe ist
im Antrieb in Strömungsverbindung
mit einer Antriebswerkluftquelle verbunden und weist einen ersten
Körper
und einen zweiten Körper
auf. Der erste Körper
enthält
einen Kanal und eine Strömungsöffnung.
Der Kanal ist so dimensioniert, dass er den zweiten Körper aufnimmt,
so dass sich der zweite Körper
in Bezug zu dem ersten Körper
verschieben kann. Genauer gesagt kann der zweite Körper so
positioniert werden, dass ein beliebiger Bereich oder die gesamte
Strömungsöffnung des
ersten Körpers
verdeckt werden.
-
Wenn
während
des Motorbetriebs gemessene Parameter anzeigen, dass sich die Lagerlasten vordefinierten
Grenzen nähern,
kann die Drosselscheibenbaugruppe nach dem Abfahren des Antriebs
zum Regulieren des Luftdrucks und -stroms verstellt werden, um das
Halten der Lagerlasten innerhalb der Grenzen zu ermöglichen.
Genauer gesagt wird zum Verstellen der Drosselscheibenbaugruppe
der zweite Körper
von dem ersten Körper
gelöst
und in Bezug zu dem ersten Körper
neu positioniert. Bei der Neupositionierung des zweiten Körpers wird
ein Strömungsquerschnitt
der Strö mungsöffnung des
ersten Körpers
geändert.
Wenn die Lagerlasten innerhalb der vordefinierten Grenzen wiederhergestellt
sind, wird der zweite Körper
wieder am ersten Körper
befestigt. Infolgedessen ermöglicht
die Drosselscheibenbaugruppe auf äußerst zuverlässige und
kosteneffiziente Weise die Verlängerung
der Nutzlebensdauer der Lagerbaugruppe.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels detaillierter
beschrieben, wobei auf die folgenden Zeichnungen Bezug genommen
wird:
-
1 ist
eine schematische Darstellung eines Gasturbinenantriebs.
-
2 ist
eine Querschnittansicht eines Bereichs des in 1 dargestellten
Gasturbinenantriebs.
-
3 ist
eine Draufsicht auf eine Drosselscheibenbaugruppe, die in dem in 2 dargestellten
Gasturbinenantrieb verwendet wird.
-
4 ist
eine Seitenansicht der in 2 dargestellten
Drosselscheibenbaugruppe.
-
1 ist
eine schematische Darstellung eines Gasturbinenantriebs 10 mit
wenigstens einem Verdichter 12, einer Brennkammer 16,
einer Hochdruckturbine 18, einer Niederdruckturbine 20,
einem Einlass 22 und einer Ausstoßdüse 24, die in Reihe miteinander
verbunden sind. In einer Ausführungsform
handelt es sich bei dem Triebwerk 10 um ein Triebwerk des
Typs LM2500+, das bei der General Electric Company in Cincinnati
(USA) erhältlich
ist. Der Verdichter 12 und die Turbine 18 sind
durch eine erste Welle 26 gekoppelt. Der Antrieb 10 weist
zudem eine Mittelsymmetrieachse 32 auf.
-
Während des
Betriebs strömt
Luft in den Einlass 22 durch den Verdichter 12 und
wird verdichtet. Die verdichtete Luft wird dann der Brennkammer 16 zugeführt, wo
sie mit Brennstoff vermischt und gezündet wird. Der aus der Brennkammer 16 austretende
Luftstrom treibt die rotierenden Turbinen 18 und 20 an
und verlässt
den Gasturbinenantrieb 10 durch die Ausstoßdüse 24.
-
2 ist
eine Querschnittansicht eines Bereichs des Gasturbinenantriebs 10.
Der Verdichter 14 enthält
mehrere Stufen 50, und jede Stufe 50 weist eine
Reihe Rotorschaufeln 52 und eine Reihe Leitschaufeln 56 auf.
Die Rotorschaufeln 52 sind in Umfangsrichtung voneinander
beabstandet und werden üblicherweise
von Rotornaben und Laufrädern 58 getragen,
die mit der Rotorwelle 26 verbunden sind. Die Rotorschaufeln 52 und
Leitschaufeln 56 sind in Bezug zu der Mittelachse 32 koaxial
angeordnet. Zwischen den einzelnen Reihen benachbarter Rotorschaufeln 52 erstreckt
sich eine Reihe in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter Leitschaufeln 56,
die von einem ringförmigen
Antrieb-Außengehäuse 62 getragen
werden.
-
Verdichterabluft
wird von Zwischenstufen 66 des Verdichters 14 aus
dem Hochdruckverdichter 14 abgeführt und zum Regulieren von
Lagerlasten der an einen Triebwerksrahmen 72 gekoppelten
Lagerbaugruppen 70 verwendet. In einer Ausführungsform werden
die Lagerlasten einer #4B-Axiallagerbaugruppe mithilfe von Rekouperator-Verdichterluft 78 des
Hochdruckverdichters reguliert. In einer anderen Ausführungsform
werden die Lagerlasten einer #7B-Axial lagerbaugruppe mithilfe von
Hochdruckverdichterabluft 76 der Stufe 13 reguliert.
-
Genauer
gesagt sind mehrere Luftzuführleitungen 80 in
Strömungsverbindung
an verschiedene Stufen des Verdichters 14 gekoppelt und
dienen zum Zuführen
eines Fluidstroms zum Steuern von Lagerlasten der Lagerbaugruppen 70 und
der Lagerbaugruppen #76. Jede Luftzuführleitung 80 weist
eine Drosselscheibenbaugruppe 82 auf. Die nachfolgend detaillierter
beschriebene Drosselscheibenbaugruppe 82 ist verstellbar
und kann nach dem Abfahren des Triebwerks zum Regulieren des vom
Verdichter 14 kommenden Drucks/Stroms durch die Luftzuführungsleitungen 80 verstellt
werden.
-
In
einer exemplarischen Ausführungsform
ist die Lagerbaugruppe 70 in einer abgedichteten ringförmigen Kammer 90 eingeschlossen,
die radial von der Rotorwelle 26 und dem Stützrahmen 72 begrenzt wird.
Die Lagerbaugruppe 70 enthält ein Laufringpaar 91,
mehrere Wälzkörper 92 und
einen Käfig 94. Genauer
gesagt, enthält
das Laufringpaar 91 einen äußeren Laufring 96 und
einen inneren Laufring 98, der von dem äußeren Laufring 96 radial
nach innen beabstandet ist. Jeder Wälzkörper 92 ist zwischen dem
inneren Laufring 98 und dem äußeren Laufring 96 angeordnet
und steht in Rollkontakt mit dem inneren und dem äußeren Laufring 98 bzw. 96.
Darüber hinaus
sind die Wälzkörper in
Umfangsrichtung zu dem Käfig 94 beabstandet.
-
Während des
Betriebs nutzt das Triebwerk durch Zuführleitungen 80 zugeführte Rekuperatorluft 78 des
Hochdruckverdichters und Abluft 76 des Hochdruckverdichters,
um Lagerlasten zu steuern. Genauer gesagt werden die Lagerlasten
zwischen vordefinierten Grenzen gehalten, um eine Ver längerung
der Nutzlebensdauer zu ermöglichen.
Drosselscheibenbaugruppen 82 regulieren den von den Verdichterquellen 78 und 76 ausgehenden
Druck/Strom. Wenn, genauer gesagt, während des Triebwerkbetriebs
gemessene Parameter anzeigen, dass sich die Lagerlasten vordefinierten
Grenzen nähern,
können die
Drosselscheibenbaugruppen 82 nach dem Abfahren des Triebwerks
zum Steuern der Lagerlasten verstellt werden.
-
3 ist
eine Draufsicht auf die Drosselscheibenbaugruppe 82, die
in dem Gasturbinentriebwerk 10 (dargestellt in den 1 und 2)
verwendet werden kann. 4 ist eine Seitenansicht der Drosselscheibenbaugruppe 82.
Die Drosselscheibenbaugruppe 82 weist einen ersten Körper 100 und einen
zweiten Körper 102 auf.
Der erste Körper 100 weist
eine obere Oberfläche 104,
eine untere Oberfläche 106 und
einen Kanal 108 sowie eine zwischen der oberen und der
unteren Oberfläche 104 bzw. 106 gemessene
Dicke 110 auf. Der erste Körper 100 weist zudem
eine Einlassseite 112 und eine Rückseite 114 auf, die
mit einem Paar Seitenwände 116 und 118 verbunden
sind. Eine Symmetrieachse 119 erstreckt sich von der Einlassseite 112 des
ersten Körpers
zu der Rückseite 114.
-
Der
Kanal 108 des ersten Körpers
ist so dimensioniert, dass er den zweiten Körper 102 in sich aufnehmen
kann. Genauer gesagt erstreckt sich der Kanal 108 von der
oberen Oberfläche 104 des
ersten Körpers über eine
Strecke 120 zu der unteren Oberfläche 106 des ersten
Körpers
in den ersten Körper 100 hinein.
Die Kanaltiefe 120 ist kleiner als die Dicke 110 des
ersten Körpers.
Außerdem
weist der Kanal 108 eine Breite 122 auf, die kleiner
als eine Breite 124 des ersten Körpers 100 ist. Darüber hinaus erstreckt
sich der Kanal 108 auch von der Einlassseite 112 des
ersten Körpers über eine
Länge 126 nach
innen zu der Rückseite 114 des
ersten Körpers.
Die Kanallänge 126 ist
kleiner als eine zwischen der Einlass- und der Rückseite 112 bzw. 114 gemessene Länge 128 des
ersten Körpers.
-
Der
erste Körper 100 weist
auch eine Strömungsöffnung 130 und
mehrere Befestigungsöffnungen 132 auf.
Die Strömungsöffnung 130 erstreckt sich
von der oberen Oberfläche 104 zu
der unteren Oberfläche 106 des
ersten Körpers.
Genauer gesagt ist die Strömungsöffnung 130 in
Bezug zu dem ersten Körper 100 koaxial
innerhalb des Kanals 108 positioniert. Eine Breite 133 der
Strömungsöffnung 130 ist kleiner
als die Kanalbreite 122, und eine Länge 134 der Strömungsöffnung 130 ist
kleiner als die Kanallänge 126.
In einer Ausführungsform
hat die Strömungsöffnung 130 ein
im Wesentlichen rechteckiges Querschnittsprofil. In einer anderen
Ausführungsform hat
die Strömungsöffnung 130 ein
nicht rechteckiges Querschnittsprofil.
-
Die
Befestigungsöffnungen 132 des
ersten Körpers
erstrecken sich von der oberen Oberfläche 104 zur unteren
Oberfläche 106 des
ersten Körpers durch
den ersten Körper.
Jede Befestigungsöffnung 132 weist
einen Durchmesser 140 auf, der so dimensioniert ist, dass
sie ein Befestigungselement (nicht dargestellt) durch sich hindurch
aufnehmen kann, um jede Drosselscheibenbaugruppe 82 an
dem Triebwerk 10 (dargestellt in den 1 und 2)
zu befestigen. Genauer gesagt erstrecken sich die Befestigungsöffnungen 132 zwischen
dem Kanal 108 und den Seitenwänden 116 und 118 des
ersten Körpers durch
den ersten Körper.
-
Der
erste Körper 100 weist
auch eine Ausrichtungsöffnung 144 auf.
Die Ausrichtungsöffnung 144 befindet
sich innerhalb des Kanals 108 zwischen der Strömungsöffnung 130 und
der Einlassseite 112 des ersten Körpers. Die Ausrichtungsöffnung 144 erstreckt
sich von der oberen Oberfläche 104 zur
unteren Oberfläche 106 des
ersten Körpers
und weist einen Durchmesser 146 auf, der so dimensioniert
ist, dass sie ein Ausrichtungsbefestigungselement 148 durch
sich hindurch aufnehmen kann. Das Ausrichtungsbefestigungselement 148 hält den zweiten
Körper 102 der
Drosselscheibenbaugruppe in Bezug zu dem ersten Körper 100 in
Position. In einer Ausführungsform
handelt es sich bei dem Ausrichtungsbefestigungselement 148 um
einen Gewindebolzen und eine Gegenmutter.
-
Der
zweite Körper 102 der
Drosselscheibenbaugruppe weist eine obere Oberfläche 160 und eine untere
Oberfläche 162 sowie
eine zwischen der oberen und der unteren Oberfläche 160 bzw. 162 gemessene
Dicke 164 auf. Die Dicke 164 des zweiten Körpers ist
kleiner als die Dicke 110 des ersten Körpers. In einer Ausführungsart
ist die Dicke 164 des zweiten Körpers der Drosselscheibenbaugruppe
ungefähr der
Kanaltiefe 120 des ersten Körpers entspricht.
-
Der
zweite Körper 102 der
Drosselscheibe weist eine Einlassseite 166 und eine Rückseite 168, die
mit einem Paar Seitenwände 170 und 172 verbunden
sind, sowie einen Ausrichtungsschlitz 174 auf. Der zweite
Körper 102 weist
zudem eine Symmetrieachse 176 auf, die sich von der Einlassseite 166 zur
Rückseite 168 des
zweiten Körpers
erstreckt. Die Symmetrieachse 176 des zweiten Körpers verläuft im Wesentlichen
kollinear mit der Symmetrieachse 119 des ersten Körpers.
-
Der
zweite Körper 102 der
Drosselscheibe weist eine zwischen den Seitenwänden 170 und 172 gemessene
Breite 180 auf, die kleiner als die Breite 124 des
ersten Körpers
der Drosselscheibe ist. Die Breite 180 des zweiten Körpers ist
geringfügig
kleiner als die Kanalbreite 122 des ersten Körpers, sodass der
zweite Körper 102 gleitend
in dem Kanal 108 des ersten Körpers aufgenommen wird. In
einer Ausführungsform
entspricht die Länge 182 des
zweiten Körpers
der Drosselscheibe ungefähr
der Kanallänge 126 des
ersten Körpers.
Dementsprechend ist der Kanal 108 des ersten Körpers zur
Aufnahme des zweiten Körpers 102 dimensioniert,
sodass die obere Oberfläche 160 des
zweiten Körpers
im Wesentlichen koplanar zu der oberen Oberfläche 104 des ersten
Körpers
angeordnet ist. Darüber
hinaus erlaubt der Kanal 108 des ersten Körpers dem
zweiten Körper 102,
in Bezug zu dem ersten Körper 100 in
den Kanal hineinzugleiten.
-
Der
Ausrichtungsschlitz 174 des zweiten Körpers der Drosselscheibe ist
koaxial an der Symmetrieachse 176 ausgerichtet. Der Ausrichtungsschlitz 174 weist
eine Breite 186 auf, die ungefähr dem Durchmesser 146 der
Ausrichtungsöffnung
des ersten Körpers
entspricht. Daher ist der Ausrichtungsschlitz 174 so dimensioniert,
dass er das Ausrichtungsbefestigungselement 148 durch sich
hindurch aufnehmen kann. Der Ausrichtungsschlitz 174 weist
eine zwischen einem Einlassende 190 und einem hinteren
Ende 192 gemessene Länge 188 auf.
-
Das
Einlassende 190 des Ausrichtungsschlitzes ist in einem
Abstand 194 von dem Einlassende 166 des zweiten
Körpers
angeordnet, und das hintere Ende 192 ist in einem Abstand 196 von
der Rückseite 168 des
zweiten Körpers
ange ordnet. Die Länge 188 des
Ausrichtungsschlitzes ist länger
als die Länge 134 der
Strömungsöffnung des
ersten Körpers.
-
Mehrere
Teilstriche 200 erstrecken sich von der Seitenwand 170 zu
der Seitenwand 172 des zweiten Körpers. Genauer gesagt erstrecken
sich die Teilstriche von dem Ausrichtungsschlitz 174 des zweiten
Körpers
zu der entsprechenden Seitenwand 170 bzw. 172,
um Referenzmarkierungen zu schaffen, die dazu dienen, den zweiten
Körper 102 in
Bezug zu dem ersten Körper 100 auszurichten.
In einer Ausführungsform
weist der zweite Körper 102 auch Referenzziffern
(nicht dargestellt) auf, die dazu dienen, den zweiten Körper 102 in
Bezug zu dem ersten Körper 100 auszurichten.
-
Beim
Zusammenbau der Drosselscheibenbaugruppe 82 werden die
Befestigungselemente durch die Befestigungsöffnungen 132 des ersten
Körpers
gesteckt, um die Drosselscheibenbaugruppe 82 in Strömungsverbindung
mit einer entsprechenden Luftzuführleitung 80 (dargestellt
in 2) zu befestigen. Genauer gesagt wird die Drosselscheibenbaugruppe 82 so
befestigt, dass die Strömungsöffnung 130 des
ersten Körpers
in Strömungsverbindung
zu einer Luftzuführleitung 80 angeordnet
ist. Der zweite Körper 102 wird
anschließend
an den ersten Körper 100 gekoppelt.
Genauer gesagt wird der zweite Körper 102 in
den Kanal 108 des ersten Körpers so eingesetzt, dass die
Rückseite 168 des
zweiten Körpers zuerst
in den Kanal 108 eindringt. Anschließend wird der zweite Körper 102 zur
Rückseite 114 des
ersten Körpers
geschoben, so dass die obere Oberfläche 160 des zweiten
Körpers
im Wesentlichen koplanar zu der oberen Oberfläche 104 des ersten
Körpers
angeordnet ist.
-
Nachdem
der zweite Körper 102 in
Bezug zu dem ersten Körper 100 schiebend
ausgerichtet wurde und sich an einer gewünschten Position befindet, die
durch die Trennstriche 200 des zweiten Körpers angezeigt
wird, kann ein Bereich 210 der Strömungsöffnung 130 von dem
zweiten Körper 102 verdeckt werden.
Der Bereich 210 ist unbegrenzt variabel und wird durch
eine relative Position des zweiten Körpers 102 in Bezug
zu dem ersten Körper 100 bestimmt. Genauer
gesagt gestattet es die Länge 188 des
Ausrichtungsschlitzes des zweiten Körpers, dass der zweite Körper so
positioniert werden kann, dass jeder prozentuale Anteil der Strömungsöffnung 130 von ungefähr Null
Prozent bis ungefähr
einhundert Prozent von dem zweiten Körper 102 verdeckt
werden kann.
-
Wenn
ein gewünschter
Prozentsatz der Strömungsöffnung 130 des
ersten Körpers
von dem zweiten Körper 102 verdeckt
wird, wird das Ausrichtungsbefestigungselement 148 durch
die Ausrichtungsöffnung 144 des
ersten Körpers
und den Ausrichtungsschlitz 174 des zweiten Körpers gesteckt.
Das Ausrichtungsbefestigungselement 148 wird anschließend angezogen,
damit der zweite Körper 102 in
relativer Position zu dem ersten Körper 100 befestigt wird.
-
Wenn
während
des Triebwerkbetriebs gemessene Parameter anzeigen, dass sich die
Lagerlasten den vordefinierten Grenzen nähern, kann die Drosselscheibenbaugruppe
nach dem Abfahren des Triebwerks zum Regulieren des Drucks und Stroms verstellt
werden, damit die Lagerlasten innerhalb der Grenzen gehalten werden,
um das Verlängern
der Nutzlebensdauer der Lagerbaugruppe zu ermöglichen. Genauer gesagt wird
das Ausrich tungsbefestigungselement 148 gelöst, und
der zweite Körper 102 der
Drosselscheibenbaugruppe wird in Bezug zu dem ersten Körper 100 neu
positioniert, um sicherzustellen, dass ein Strömungsquerschnitt durch die Strömungsöffnung 130 des
ersten Körpers
eine geeignete Lagerlast aufrechterhält. Da der zweite Körper 102 in
Bezug zu dem ersten Körper 100 verschoben
wird, sind die Drosselscheibenstellungen unbegrenzt variabel. Da
die Drosselscheibenbaugruppe 82 variabel verstellbar ist,
kann die Drosselscheibenbaugruppe 82 darüber hinaus
zur Feineinstellung der Lagerlasten verwendet werden, wenn es während der
Nutzlebensdauer des Triebwerks 10 zu einer Leistungsparameter-
und Lagerlastdrift kommt.
-
Die
oben beschriebene Drosselscheibenbaugruppe für ein Gasturbinentriebwerk
ist kosteneffizient und äußerst zuverlässig. Die
Drosselscheibenbaugruppe enthält
einen zweiten Körper,
der in einen ersten Körper
aufgenommen wird. Zum Regulieren von Lagerlasten ist die Position
des zweiten Körpers in
Bezug zu dem ersten Körper
unbegrenzt variabel. Darüber
hinaus kann die Drosselscheibenbaugruppe nach dem Abfahren des Triebwerks
verstellt werden. Infolgedessen ermöglicht die Drosselscheibenbaugruppe
auf zuverlässige
und kosteneffiziente Weise die Verlängerung der Nutzlebensdauer
der Triebwerk-Lagerbaugruppen.