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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Traglageranordnung einer Gasturbine
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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In
vielen Gasturbinen ist ein Lager zur Lagerung einer Welle im allgemeinen
zwischen einem Kompressor und einer Turbine angeordnet (vgl.
JP-A-2003-314299 ).
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Aus
der Druckschrift
US 4 561 246 ist
ein Gasturbinenmotor mit einem Luftkühlsystem und einem Lagerabteil
bekannt. Untereinander verbundene Gehäuse sind für eine Kompressorsektion, eine
Verbrennungssektion und eine Turbinensektion vorgesehen. Eine Rotorwelle
erstreckt sich axial zum Verbinden der hintersten Kompressorstufen
mit der ersten Turbinenstufe. Ein Lagergehäuse erstreckt sich um die Rotorwelle
herum zur Aufnahme eines Lagers in einem Lagerabteil. Das Lagerabteil
ist axial zwischen dem Kompressor und der Turbine angeordnet und durch
eine Ringverstrebung abgestützt,
die sich von einem inneren Diffusorgehäuse nach radial innen erstreckt.
Das Lager ist radial zwischen der Welle und der Ringabstützung angeordnet.
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Jedoch
ist ein Zwischenraum zwischen dem Kompressor und der Turbine im
allgemeinen sehr schmal, da auch die Brenner in der Nähe angeordnet sind.
Wenn ferner das Lager in dem Zwischenraum zwischen dem Kompressor
und der Turbine angeordnet ist, müssen eine Öl-Speise- und Abführleitung
für die
Schmierung des Lagers und eine Leitung zur Luftabdichtung des Lagers
in dem engen Zwischenraum angeordnet werden. Daher macht die Anordnung
des Lagers zwischen dem Kompressor und der Turbine die Gesamtstruktur kompliziert,
erhöht
die Herstellungskosten und erfordert eine längere Zeit für den Zusammenbau
und die Demontage.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gasturbine zu schaffen,
welche die Zusammenbau- und Demontagearbeiten erleichtern kann.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe enthält
die Gasturbine gemäß der vorliegenden
Erfindung die Merkmale des Anspruchs 1.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
die Zusammenbau- und Demontagearbeiten zu erleichtern und die Zuverlässigkeit
und Stabilität
des Lagers zu vergrößern.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Querschnitt senkrecht zur Axialrichtung an einer Position zwischen
einem Kompressor und einer Turbine in einer Ausführung einer Gasturbine gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine Schnittansicht längs
der Linie II-II in 1;
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3 ist
eine Schnittansicht längs
der Linie III-III in 1;
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4 ist
eine Schnittansicht längs
der Linie IV-IV in 1;
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5 ist
ein Querschnitt einer bekannten Traglagerstruktur in einer Gasturbine
und
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6 ist
eine Schnittansicht längs
der Linie VI-VI in 5.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
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Eine
Ausführung
einer Gasturbine gemäß der vorliegenden
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
eine Schnittansicht einer im Querschnitt dargestellten Gasturbine,
der senkrecht zur Axialrichtung an einer Position zwischen einem
Kompressor und einer Turbine geführt
ist. 2 ist eine Schnittansicht längs der Linie II-II in 1. 3 ist eine
Schnittansicht längs
der Linie III-III in 1 und 4 ist eine
Schnittansicht längs
der Linie IV-IV in 1.
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Unter
Bezugnahme auf die 1-4 enthält eine
Gasturbine dieser Ausführung
ein Kompressorgehäuse 1,
ein Turbinengehäuse 2,
ein zwischen dem Kompressorgehäuse 1 und
dem Turbinengehäuse 2 angeordnetes
Zuführgehäuse 4 zur
Halterung einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Brennern 3,
pfostenförmigen
Streben 5, die einstückig
mit dem Zuführgehäuse 4 ausgebildet
und nur vom Zuführgehäuse 4 getragen
sind, einer durch die Streben 5 von der radialen Außenseite
getragenen Innentrommel 6, einem von der Innentrommel 6 getragenen
Lagerkörper 7 und
einem Lager 11 zur Drehlagerung einer zwischen einem Kompressor 8 und
einer Turbine 9 angeordneten Welle 10, wobei das
Lager 11 von den Verstrebungen 5 über die
Innentrommel 6 und den Lagerkörper 7 getragen wird.
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Die
Welle 10 ist an einer Turbinenwelle 12 der Turbine 9 durch
Steckbolzen 13 integral befestigt. Diese Ausführung stellt
den Fall dar, bei dem die zwischen dem Kompressor 8 und
der Turbine 9 angeordnete Welle 10 eine Kompressorwelle
ist (vgl. 2). Entsprechend der Konstruktion
der Gasturbine kann die Welle 10 zwischen dem Kompressor 8 und
der Turbine 9 die Turbinenwelle 12 oder eine Verbindungswelle
zum Zusammekuppeln jeweiliger Rotoren des Kompressors 8 und
der Turbine 9 sein.
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Das
Lager 11 für
die Lagerung der Welle 10 wird vom Lagerkörper 7 mit
einem bestimmten Spalt zwischen ihnen abgedeckt und wird mit Bezug
auf den Lagerkörper 7 über ein
Tragglied 14 gehalten. Der Lagerkörper 7 hat eine in
vertikaler Richtung zweigeteilte Struktur und wird von der Innentrommel 6 mit
einem bestimmten Spalt zwischen beiden abgedeckt. Der Lagerkörper 7 weist
Flansche 15 auf, die sich längs einer horizontalen Mittellinie
erstrecken, wie in 1 gezeigt. Die Flansche 15 werden
durch Eingriffsteile 16 getragen, die an einer inneren
Umfangsfläche
der Innentrommel 6 angeformt und an den Eingriffsteilen 16 durch
Bolzen 17 befestigt sind, sodass der Lagerkörper 7 an
der Innentrommel 6 befestigt ist. Ebenso wie der Lagerkörper 7 hat
auch die Innentrommel 6 eine in Vertikalrichtung zweigeteilte Struktur
und weist Flansche 18 auf, die sich längs der horizontalen Mittellinie
erstrecken. Die Flansche 18 sind durch Bolzen 19 zusammen
befestigt, sodass die Innentrommel 6 in einer ringartigen
Form ausgebildet ist. Zusätzlich
sind Dichtungen 20 bis 23 in Spalten zwischen
der Innentrommel 6 und der Welle 10 sowie in Spalten
zwischen dem Lagerkörper 7 und der
Welle 10 angeordnet.
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Eine
Mehrzahl von Streben 5 sind mit bestimmten Zwischenabständen in
Umfangsrichtung angeordnet und dienen zur Verbindung des Zuführgehäuses 4 und
der Innentrommel 6 miteinander. In dieser Ausführung sind
die Streben 5 einstückig
mit dem Zuführgehäuse 4 und
der Innentrommel 6 z. B. durch Gießen ausgebildet. Als eine Alternative
können
jedoch das Zuführgehäuse 4,
die Streben 5 und die Innentrommel 6 getrennt
voneinander gegossen und dann z. B. durch Bolzen zu einer integralen Struktur
aneinander befestigt werden. Das Zuführgehäuse 4 ist an dem Kompressorgehäuse 1 und
an dem Turbinengehäuse 2 jeweils
durch Bolzen 24, 25, befestigt.
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Die
Form und die Abmessungen jeder Strebe 5 sind nicht auf
bestimmte beschränkt,
eine axiale Länge
L1 eines Verbindungsteils der Strebe an der Innentrommel 6 ist
aber unter Festigkeitsgesichtspunkten vorzugsweise größer gewählt als
eine axiale Länge
L2 des Lagerkörpers 7.
Bevorzugter ist gemäß 2 der
Lagerkörper 7 in
einem Bereich der axialen Länge
L1 der Strebe 5 angeordnet, sodass der Verbindungsteil
zwischen der Strebe 5 und der Innentrommel 6 die
axiale Länge
des Lagerkörpers 7 vollständig abdeckt.
Ferner, obwohl nicht darauf beschränkt, ist es unter Festigkeitsgesichtspunkten
bevorzugt, dass eine Länge
L3 eines Verbindungsteils der Strebe 5 zum Zuführgehäuse 4 in
dessen Längsrichtung
größer als
ein Durchmesser D (vgl. 3) des Brenners 3 gewählt wird,
um einen montierten Teil des Brenners 3 vollständig abzudecken.
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In
dieser Ausführung
wird eine gerade Anzahl (zum Beispiel 10) von Brennern 3 mit
Bezug auf das Zuführgehäuse 4 unter
bestimmten Zwischenabständen
in Umfangsrichtung gehalten (vgl. 1). Wenn
die gerade Anzahl an Brennern 3 mit Bezug auf das Zuführgehäuse 4 gehalten
wird, sind diese Brenner in im wesentlichen gleichen Zwischenabständen in
Umfangsrichtung angeordnet, sodass – wie in 1 gezeigt – zwei gegenüberliegende
Brenner 3 auf der sich horizontal erstreckenden Mittellinie positioniert
sind. Auch wenn eine ungerade Anzahl an Brennern 3 vorgesehen
wird, sind diese Brenner 3 unter annähernd gleichen Abstanden in
Umfangsrichtung angeordnet, sodass einer der Brenner 3 auf einer
vertikalen Mittellinie in der oberen Hälfte angeordnet ist.
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Die
vorstehend beschriebene Anordnung der Brenner 3 ergibt
einen Zustand, in welchem sich kein Hindernis (Brenner 3)
auf der sich vertikal erstreckenden Mittellinie zumindest in der
oberen Hälfte
be findet. Danach wird bei dieser Ausführung eine Öl-Speise- und -Ablassleitung 26 zum
Zu- und Abführen
eines Schmiermittels zu und von dem Lager 11 mit dem Lagerkörper 7 von
unten in Vertikalrichtung verbunden, wie in 1 gezeigt,
wodurch das Schmiermittel von unten in Vertikalrichtung dem Lager 11 zugeführt und
aus diesem abgelassen werden kann. Weiterhin sind in dieser Ausführung eine
Einlassleitung 27 zum Einleiten von Lagerdichtungsluft
und eine Auslassleitung 28 zum Abführen der Lagerdichtungsluft
in der oberen Hälfte
des Turbinengehäuses 2 an
zur Querrichtung symmetrischen Positionen angeordnet. Daher sind
die Öl-Speise-
und -Ablassleitung 26, die Einlassleitung 27,
die Auslassleitung 28 in einer ausgewogenen Anordnung in
Umfangsrichtung vorgesehen. Während
die Einlassleitung 27 und die Auslassleitung 28 in
diesem Ausführungsbeispiel
voneinander unabhängig
angeordnet sind, können
diese Leitungen auch als eine integrale Leitung mit Doppelwandstruktur, ähnlich wie
die Öl-Speise-
und -Ablassleitung 26, ausgebildet sein. In diesem Fall
kann beispielsweise die integrale Leitung mit der Innentrommel 6 und
dem Lagerkörper 7 in
vertikaler Richtung von oben verbunden sein, um eine ausgewogene
Anordnung in Umfangsrichtung mit Bezug auf die Öl-Speise- und -Ablassleitung 26 zu
erhalten.
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In
der so ausgebildeten Gasturbine dieser Ausführung wird angesaugte Außenluft
vom Kompressor 8 verdichtet und die als Kompressor-Hauptstrom
strömende
komprimierte Luft 30 wird den Brennern 3 zugeführt. Die
komprimierte Luft 30 wird in den Brennern 3 zusammen
mit Kraftstoff verbrannt und die sich ergebenden Verbrennungsgase
werden der Turbine 9 zugeführt, wodurch Bewegungsleistung zum
Drehantrieb der Welle der Turbine 9 zur Verfügung gestellt
wird.
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5 zeigt
im Vertikalschnitt eine bekannte Traglagerstruktur in einer Gasturbine
und 6 ist ein Schnitt längs der Linie VI-VI in 5.
In den 5 und 6 sind zu den in den 1 bis 4 gleiche
Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und von
ihrer Beschreibung wird abgesehen.
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In
der bekannten Traglagerstruktur in der Gasturbine nach 5 und 6 sind
allgemein Streben 50 zur Abstützung des Lagers 11 an
ihren aufstromseitigen Enden integral mit dem Zuführgehäuse 4 verbunden
und an ihren Abstromenden am Turbinengehäuse 2 durch Bolzen 51 befestigt.
Daher ist die Anzahl an Einzelteilen erhöht und zum Zusammenbau und
zur Demontage müssen
lästige
Arbeiten ausgeführt
werden, inklusive der Ausfluchtung der Bolzenlöcher in dem Turbinengehäuse 2 und
den Streben 50, Anziehen der Bolzen 51 etc.
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Daneben
sind bei dieser Ausführung
die Streben 5 zur Abstützung
des Lagerkörpers 7 integral mit
dem Zuführgehäuse 4 und
der Innentrommel 6 ausgebildet und werden nur von dem Zuführgehäuse 4 getragen.
Verglichen mit der bekannten Traglagerstruktur wird daher die Anzahl
an Einzelteilen vermindert. Da ferner keine Notwendigkeit einer
Verbolzung der Streben 5 an dem Turbinengehäuse 2 besteht, sind
aufwändige
Arbeiten, wie die Ausfluchtung der Bolzenlöcher und das Festziehen der
Bolzen nicht länger
erforderlich, wodurch die Arbeit des Zusammenbaus und der Demontage
erleichtert werden kann. Als Konsequenz wird eine Verkürzung der
Herstellungs- und Wartungszeiten der Gasturbine erreicht und die
Herstellungs- und Wartungskosten werden vermindert.
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Wenn
in einer normalen Gasturbine eine Mehrzahl von Brennern eingesetzt
wird, ist die Anzahl der Brenner unter dem Gesichtspunkt der symmetrischen
Anordnung gerade. Auch in einer Gasturbine für Hochleistung ist ein Gehäuse in der
Regel in vertikaler Richtung in zwei Teile unterteilt. In der bekannten
Struktur werden daher Brenner 3 generell mit Versetzung
von der horizontalen Mittellinie angeordnet. Schließlich werden
die Brenner 3, wie in 5 als Beispiel
gezeigt, so angeordnet, dass zwei der Brenner auf der vertikalen
Mittellinie positioniert sind. Mit der bekannten Traglagerstruktur
mit dieser Anordnung kann die Öl-Speise-
und -Abführleitung 26 nicht
mit dem Lagerkörper
in vertikaler Richtung verbunden werden und sie wird beispielsweise schräg ausgerichtet,
wie in 5 gezeigt. Daher werden zufriedenstellende Öl-Abführeigenschaften
nicht in allen Fällen
erhalten.
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Da
andererseits bei dieser Ausführung
die Brenner 3 in der oben beschriebenen Weise angeordnet
sind, ist kein Brenner 3 auf der vertikalen Mittellinie
zumindest in der unteren Hälfte
angeordnet. Daher kann die Öl-Speise-
und -Abführleitung 26 an der
unteren Seite des Lagers 11 in vertikaler Richtung angeschlossen
werden, wie in 1 gezeigt. Diese Anordnung sichert
einen gleichmäßigen Zu- und
Abfluss des Schmiermittels zu und aus dem Lager 11.
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Ferner
sind die Streben 5 jeweils zwischen zwei benachbarten Brennern 3 angeordnet.
Da in der bekannten Struktur die Brenner 3 gewöhnlich so
angeordnet sind, dass sie aus der horizontalen Mitellinie versetzt
sind, um eine vertikal symmetrische und ausbalanzierte Anordnung
zu erhalten, sind die Streben 50 schließlich zum Platzieren auf der
horizontalen Mittellinie angeordnet. Aus diesem Grund ist es in der
bekannten Struktur üblich,
dass die auf der horizontalen Mit tellinie positionierten Streben 50 jeweils in
vertikaler Richtung in zwei Teile geteilt sind (vgl. 5)
oder dass sie versetzt angeordnet und mit einem der oberen oder
unteren Gehäuse
verbunden sind (z. B. der Innentrommel 6). Jedoch vermindert die
Aufteilung der Streben 50 die Festigkeit der Traglagerstruktur,
was zu der Möglichkeit
führt,
dass die Rotordrehung in einen Unwuchtzustand gelangt und Stabilitätsstörungen auftreten.
Auch im Falle einer geringfügigen
Verschiebung der Positionen der sich horizontal erstreckenden Streben 50 in
Umfangsrichtung und des Verbindens dieser Streben nur mit einem
der oberen oder unteren Gehäuse
werden die Zwischenabstände
zwischen den Streben 50 in Umfangsrichtung ungleichmäßig. Daher
kann die vom Kompressor 8 zu den Brennern 3 strömende komprimierte
Luft 30 eine Drift erzeugen und eine Änderung im Verbrennungszustand
der Brenner 3 verursachen.
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Da
andererseits bei diesem Ausführungsbeispiel
keine Strebe 5 auf der sich horizontal erstreckenden Mittellinie
positioniert ist, wie in 1 gezeigt, besteht weder die
Notwendigkeit der Aufteilung der Strebe 5 noch die Notwendigkeit
der Verschiebung der Position der Strebe 5. Anders ausgedrückt, da
die Streben 5 in gleichmäßigen Zwischenabständen in
Umfangsrichtung angeordnet werden können, wie anderweitig erörtert, ist
es möglich,
die Festigkeitszuverlässigkeit
zu vergrößern, die
Erzeugung einer Drift in der komprimierten Luft 30 zu unterdrücken und
die Fluidleistung zu verbessern. Ferner sind bei diesem Ausführungsbeispiel
die Öl(Schmiermittel)-Speise-
und -Abführleitung 26 und
die Dichtungsluft-Einlass- und Auslassleitungen 27, 28 in
einem ausgewogenen Zustand in Umfangsrichtung angeordnet, wie in 1 gezeigt,
und diese Anordnung ist auch wirksam bei der Unterdrückung der
Erzeugung einer Drift in der komprimierten Luft 30, die
aus dem Kompressor 8 zu den Brennern 3 strömt. Als
ein Ergebnis können
die Verbrennungszustände
in den Brennern 3 gleichförmig gehalten und ein stabilerer Betrieb
kann realisiert werden.
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Zusätzlich ist
gemäß dieser
Ausführung
die axiale Länge
L1 des Verbindungsteils der Strebe 5 zu der Innentrommel 6 größer gewählt als
eine axiale Länge
L2 des Lagerkörpers 7,
sodass die Strebe 5 vollständig die axiale Länge des
Lagerkörpers 7 überdeckt,
und die Länge
L3 des Verbindungsteils der Strebe 5 zu dem Zuführgehäuse 4 ist
größer gewählt als
der Durchmesser D des Brenners 3. Daher kann der Lagerkörper 7 in
einer vom Festigkeitsstandpunkt her ausreichend stabilen Weise getragen werden
und die Stabilität
der Rotorrotation kann verbessert werden.
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Die
Traglagerstruktur der vorliegenden Erfindung ist nicht nur bei einer
Einwellen-Gasturbine, sondern auch bei einer Zweiwellen-Gasturbine einsetzbar.
Während
ferner die in den 2 bis 4 dargestellte
Turbine 9 ein zentrales Loch aufweist, das in einem Scheibenrad
eines Rotors im Ausgangszustand geformt worden ist, kann die vorliegende
Erfindung auch bei einer Gasturbine eingesetzt werden, die ein beliebiges
Layout hat, solange die Gasturbine eine Lagerung zum Halten einer
Welle zwischen einem Kompressor und einer Turbine aufweist, unabhängig davon,
ob ein Zentralloch in einem scheibenförmigen Rad eines Turbinenrotors ausgebildet
ist oder nicht. Die vorliegende Erfindung kann in jedem Anwendungsmodus
gleiche Vorteile wie die vorstehend beschriebenen haben.