DE69103507T2

DE69103507T2 - Lagerträger für eine Gasturbine.

Info

Publication number: DE69103507T2
Application number: DE69103507T
Authority: DE
Inventors: Gilbert Herbert Kempinger
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1990-11-16
Filing date: 1991-10-30
Publication date: 1994-12-08
Anticipated expiration: 2011-10-31
Also published as: EP0486082B1; CA2049181A1; EP0486082A1; US5080555A; DE69103507D1; CA2049181C

Description

Diese Erfindung betrifft Turbinenträger in Gasturbinenmaschinen und betrifft insbesondere einen Turbinenträger, wie er in dem Oberbegriff von Anspruch 1 spezifiziert ist und beispielsweise in der US-A-4,492,518 offenbart ist.
In einer typischen Gasturbinenmaschine erstreckt sich ein ringförmiger Heißgasströmungspfad um eine Längsmittellinie der Maschine von einem Vergasungsbrenner der Maschine zu einem Ausgang an dem hinteren Ende der Maschine. Zwischen dem Vergasungsbrenner und dem Ausgang durchquert der Heißgasströmungspfad mindestens eine Stufe von Turbinenblättern an einem Hochdruckrotor, der um die Längsmittellinie der Maschine drehbar ist. Ein Turbinenträger überträgt die strukturellen Belastungen von einem Rotorlagerkäfig, der radial innerhalb des Heißgasströmungspfades positioniert ist, an ein Maschinengehäuse, das radial außerhalb des Heißgasströmungspfades positioniert ist. Der Turbinenträger ist notwendigerweise einem beträchtlichen thermischen Gradienten zwischen dem Heißgasströmungspfad und dem Maschinengehäuse ausgesetzt. Um den Effekt des so erfahrenen thermischen Gradienten zu minimieren, sind Turbinenträger vorgeschlagen worden, in denen der Träger tragende Stützen zwischen dem Rotorlagerkäfig und dem Maschinengehäuse hat, die von inneren Wandungen, d.h. Trennwänden, des Trägers, die die inneren und äußeren Grenzen des Heißgasströmungspfades bilden und direkt dem Heißgas darin ausgesetzt sind, getrennt sind. Die tragenden Stützen sind von dem Heißgas durch tragflächenförmige Schirmbleche zwischen den Teilungswänden abgeschirmt. In anderen Turbinenträgern wird der Effekt des thermischen Gradienten minimiert, indem die tragenden Stützen so ausgerichtet werden, daß sie an einer Tangente eines kreisförmigen oder zylindrischen Rotorlagerkäfigs positioniert werden. Und bei einem noch anderen Vorschlag wird der Effekt des thermischen Gradienten minimiert, indem einige der tragenden Stützen radial ausgerichtet sind und einige der tragenden Stützen tangential zu dem Lagerkäfig ausgerichtet sind.
GB-A-2,226,600 offenbart eine Turbinenmaschinenanordnung mit einer Verkleidungs- und Trägerstützenanordnung, in der gleichmäßig beabstandete Verkleidungs- und Stützelemente verbunden sind, um eine ringförmige speichenförmige Reihe zwischen inneren und äußeren Trägerringen zu bilden. Innere und äußere Strömungspfadleitungen sind mit den Verkleidungen gekuppelt, um den Strömungspfad zu bilden. Der innere Trägerring kann an der Maschine über ein Innengehäuse befestigt sein, während der äußere Trägerring an einem Außenrahmenelement der Maschine befestigt ist.
Ein Turbinenträger gemäß der Erfindung hat ein Hauptgußteil mit einseitig eingespannten Federwandungssegmenten, die sich biegen, um den Effekt des thermischen Gradienten zu minimieren.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Turbinenträger wie in Anspruch 1 spezifiziert vorgesehen.
Diese Erfindung ist ein neuer und verbesserter Turbinenträger für eine Gasturbinenmaschine. Der Turbinenträger gemäß dieser Erfindung besitzt ein Hauptgußteil mit einer Außenwandung, die an einer Längsmittellinie der Maschine zentriert und geeignet zur Verbindung mit dem Maschinengehäuse ist, eine Zwischenwandung innerhalb von und konzentrisch zu der Zwischenwandung und geeignet zur Verbindung mit einem Rotorlagerkäfig, eine Mehrzahl von inneren tragenden Stützen integral mit und positioniert zwischen den Innen- und den Zwischenwandungen, und eine Mehrzahl von äußeren tragenden Stützen integral mit und positioniert zwischen den Zwischen- und Außenwandungen. Die Innen- und Zwischenwandungen definieren die Grenzen des Heißgasströmungspfades, wo der letztere den Turbinenträger kreuzt. Die inneren und äußeren Stützen sind allgemein radial zu der Längsmittellinie ausgerichtet, und die äußeren Stützen sind winklig gegenüber den inneren Stützen um etwa die Hälfte eines Winkelintervalls zwischen den inneren Stützen versetzt. Die Bereiche der Zwischenwandung zwischen nebeneinanderliegenden Paaren von inneren und äußeren Stützen definieren einseitig eingespannte Federn, die sich biegen, um eine relative thermische Expansion, die durch thermische Gradienten, welchen der Turbinenträger ausgesetzt ist, auftreten. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die inneren Stützen hohl und öffnen sich durch die Zwischen- und Innenwandungen des Hauptgußteils und definieren abgeschirmte Kanäle durch den Heißgasströmungspfad für Servicerohre und desgleichen.
Die Erfindung und wie sie durchgeführt werden kann, wird nachfolgend im einzelnen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine Seitenansicht einer Gasturbinenmaschine mit einem Turbinenträger gemäß dieser Erfindung ist;
Figur 2 eine vergrößerte Teilansicht ist, die allgemein entlang der durch Linien 2-2 in Figur 1 angedeuteten Ebene genommen ist;
Figur 3 eine vergrößerte Teilansicht ist, die allgemein entlang der durch Linien 3-3 in Figur 2 angedeuteten Ebene genommen ist; und
Figur 4 eine vergrößerte Teilansicht ist, die entlang der durch Linien 4-4 in Figur 2 angedeuteten Ebene genommen ist.
Bezugnehmend auf Figur 1 hat eine Turbowellen-Gasturbinenmaschine 10 ein Gehäuse 12, einen Einlaßteilchenabscheider 14, der steif mit dem Gehäuse 12 verbunden ist und ein vorderes Ende der Maschine definiert, und einen Turbinenträger 16 gemäß dieser Erfindung, der mit dem Gehäuse 12 an dessen dem Einlaßteilchenabscheider gegenüberliegenden Ende verbunden ist und ein hinteres Ende der Maschine definiert. Die rotierende Komponentenanordnung der Maschine 10, die in durchbrochenen Linien schematisch in Figur 1 dargestellt ist, ist herkömmlich und besitzt einen Hochdruckvergasungsrotor 18 und einen Niedrigdruckleistungsturbinenrotor 20, die jeweils an einer Längsmittellinie 22 der Maschine angeordnet sind. Der Hochdruckrotor besitzt ein Paar von Kreiselverdichtern 24A, 24B, die in Strömungsrichtung hintereinander hinter dem Einlaßteilchenabscheider 14 vorgesehen sind, und ein zweistufiges Hochdruckturbinenrad 26. Zu dem Niedrigdruckrotor 20 gehören ein zweistufiges Leistungsturbinenrad 28 und eine rohrförmige vordere Abnehmerausgangswelle 30, die sich nach vorne durch die Mitte des Hochdruckrotors erstreckt.
Der Einlaßteilchenabscheider 14 definiert einen ringförmigen Einlaßluftströmungspfad 32 zwischen dem vorderen Ende der Maschine und dem Einlaß des ersten Kreiselverdichters 24A. Der erste Kreiselverdichter 24A läßt in den Einlaß des zweiten Kreiselkompressors 24B aus, der in ein Druckluftplenum 34 in dem Gehäuse 12 um einen ringförmigen Vergasungsbrenner 36 ausläßt. Brennstoff wird in den Vergasungsbrenner 36 durch eine Mehrzahl von Düsen 38 eingespritzt, und ein kontinuierlicher Strom eines treibenden Heißgasfluids wird in dem Vergasungsbrenner 36 in der üblichen Weise erzeugt. Das sich bewegende Heißgasfluid strömt von dem Vergasungsbrenner 36 weiter in einen ringförmigen Heißgasströmungspfad 40 der Maschine, der um die Längsmittellinie 22 zentriert ist. Der Heißgasströmungspfad 40 durchquert zwei Stufen von Turbinenblättern an dem Hochdruckturbinenrad 26, den Turbinenträger 16 und die beiden Stufen von Turbinenblättern an den Niedrigdruckturbinenrad 28. Nachdem es durch die verschiedenen Turbinenblätterstufen expandiert ist, strömt das sich bewegende Heißgasfluid direkt oder durch ein nicht gezeigtes Abgasunterdrückungsgerät von der Maschine nach außen.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 besitzt der Turbinenträger 16 gemäß dieser Erfindung ein Hauptgußteil 42 und einen Hochdruckrotor-Lagerkäfig 44. Das Hauptgußteil 42 ist ein homogenes Metallgußteil und besitzt eine glockenförmige Außenwandung 46, die an der Längsmittellinie 22 zentriert ist, ein glockenförmiges Zwischenwandungsteil 48, das radial innerhalb von und konzentrisch zu der Außenwandung angeordnet ist, und eine glockenförmige Innenwandung 50, die radial innerhalb von und konzentrisch zu der Zwischenwandung 48 positioniert ist. Die Außenwandung erstreckt sich über die beiden Stufen des Niedrigdruck-Turbinenrades 28 hinaus und hat einen ringförmigen Flansch 52 an seinem vorderen Ende, über den das Hauptgußteil 42 fest mit dem Gehäuse 12 der Maschine verschraubt ist.
Die Zwischenwandung 48 erweitert sich nach außen von einer nach vorne gerichteten vorderen Kante 56 allgemein in der Ebene des Flansches 52 an der Außenwandung 42 zu einer hinteren Kante 58. Die Innenwandung 50 erweitert sich von einer nach vorne gerichteten vorderen Kante 60 allgemein in der Ebene des Flansches 52 an der Außenwandung und der vorderen Kante 56 der Zwischenwandung 48 zu einer hinteren Kante 62 allgemein in derselben Ebene wie die hintere Kante 58 der Zwischenwandung 48. Eine Niedrigdruckturbinendüse 64 ist zwischen den hinteren Kanten 58, 62 der Zwischenwandung und der Innenwandung und der ersten Stufe von Turbinenblättern an dem Niedrigdruckturbinenrad 28 angeordnet. Die Zwischenwandung 48 definiert die außenseitige Grenze des Heißgasströmungspfades 40, wo die letztere den Turbinenträger 16 durchquert. Die Innenwandung 50 definiert die innenseitige Grenze des Heißgasströmungspfades 40, wo die letztere den Turbinenträger 16 durchquert.
Wie am besten in den Figuren 2 bis 4 erkennbar ist, ist die Innenwandung 50 steif mit der Zwischenwandung 48 durch eine Mehrzahl von inneren tragenden Stützen 66 verbunden, die Teile des Hauptgußteils sind und damit integral mit der Innen- und Zwischenwandung ausgebildet sind. Jede innere Stütze 66 ist allgemein radial zu der Längsmittellinie 22 ausgerichtet und überbrückt den Heißgasströmungspfad 40 zwischen der Innen- und der Zwischenwandung. Jede innere Stütze is hohl, allgemein tragflächenförmig und an den gegenüberliegenden Enden durch die Zwischenwandung und Innenwandung offen. Vorzugsweise sind die inneren Stützen in etwa gleichmäßigen Winkelintervallen um die Längsmittellinie 22 beabstandet.
Die Zwischenwandung 48 ist steif mit der Außenwandung 46 durch eine Mehrzahl von festen äußeren tragenden Stützen 68 verbunden, die Teil des Haußtgußteils und damit integral mit der Zwischenwandung und der Außenwandung ausgebildet sind. Die Anzahl von äußeren Stützen gleicht der Anzahl von inneren Stützen. Jede äußere Stütze 68 ist relativ zu der Längsmittellinie 22 radial ausgerichtet und überbrückt den ringförmigen Spalt zwischen der Zwischenwandung und der Außenwandung. Die äußeren Stützen sind durch dieselben Winkelintervalle getrennt, die die inneren Stützen trennen, aber zwischen diesen, d.h. versetzt gegenüber den inneren Stützen, um etwa die Hälfte des Winkelintervalls zwischen den inneren Stützen angeordnet, so daß die äußeren Stützen etwa in der Mitte des Weges zwischen den inneren Stützen liegen, wie in Figur 2 gezeigt ist. Die Abschnitte der Zwischenwandung 48 zwischen nebeneinanderliegenden Paaren von inneren und äußeren Stützen 66, 68 definieren eine Mehrzahl von einseitig gehaltenen Federn 70A, 70B.
Der Hochdruck-Lagerkäfig 44 des Turbinenträgers 16 besitzt einen allgemein zylindrischen, wabenförmigen Körper 72, der an der Längsmittellinie 22 der Maschine zentriert ist, und eine sich nach außen erweiternde Verkleidung 74, die integral mit dem zylindrischen Körper ausgebildet ist. Die Verkleidung 74 hat einen Flansch 76, der mit einem ringförmigen Flansch 78 des Hauptgußteils 42 radial innerhalb der Innenwandung 50 verspannt oder anders verbunden ist, so daß der Lagerkäfig 44 einen steifen Fortsatz des Hauptgußteils 42 bildet. Ein Hochdruckrotorlager 18 hat einen äußeren Laufring, der in dem Käfig 44 positioniert ist, und einen inneren Laufring, der an einem rohrförmigen Fortsatz 82 des Hochdruckrotors 8 positioniert ist, siehe Figur 3, wodurch das hintere Ende des Hochdruckrotors 18 an dem Maschinengehäuse 12 durch den Turbinenträger 16 zur Rotation um die Längsmittellinie 22 gehalten ist.
Ein Niedrigdruck-Rotorlagerkäfig 84 liegt an dem hinteren Ende des Hochdrucklagerkäfigs 44 an und ist steif mit diesem verbunden. Ein Paar von Niedrigdruckrotorlagern 86A, 86B hat jeweils einen äußeren Laufring, der dem Niedrigdrucklagerkäfig 84 positioniert ist, und einen inneren Laufring, der an der rohrförmigen vorderen Ausgangswelle 30 verbunden ist, wodurch das hintere Ende des Niedrigdruckrotors 20 an dem Maschinengehäuse 12 durch den Turbinenträger 16 zur Drehung um die Längsmittellinie 22 gehalten ist.
Die Außenwandung 46 des Turbinenträgers 16 hat eine Mehrzahl von offenliegenden flachen Vorsprüngen 88, die zu entsprechenden der inneren Stützen 66 ausgerichtet sind. In jedem Vorsprung 88 befindet sich eine Zugangsöffnung durch die Außenwandung 46, wobei nur eine repräsentative Zugangsörfnung 90 in Figur 3 dargestellt ist. Eine Mehrzahl von entsprechenden nicht tragenden Lagerservicerohren 92 erstrecken sich durch die Zugangsöffnungen in der Außenwandung 46 und durch entsprechende der hohlen inneren Stützen 66, wie in Figur 4 gezeigt ist. Die innenseitigen Enden der Servicerohre 92 sind mit geeigneten Kanälen in dem wabenförmigen Körper 72 des Hochdruckrotorlagerkäfig 44 verbunden und durch die inneren Stützen gegen eine direkte Aussetzung gegenüber dem sich bewegenden Heißgasfluid in dem Heißgasströmungspfad 40 abgeschirmt. Kühlende Luft kann in das Innere der inneren Stützen 66 geführt werden, um die Servicerohre 92 weiter zu schützen. Jedes Servicerohr 92 hat eine Schulter oder desgleichen, die für eine steife Befestigung an einem entsprechenden der Vorsprünge 88 geeignet ist, wodurch die Servicerohre 92 in Position an der Maschine gehalten werden. Die Servicerohre 92 können dazu dienen, Öl von dem Bereich um die Lager 80, 86A, 86B herum wegzuspülen, oder um Kühli- oder Dämpfluft zu den den Lagern zugeordneten Dichtungen zu führen.
Die winklig versetzte Beziehung zwischen den inneren und äußeren Stützen 66, 68, die die einseitig eingespannten Federn 70A, 70B definieren, ist ein wichtiges Merkmal dieser Erfindung. Während des Maschinenbetriebs sind die inneren Stützen 66 und die Zwischenwandung 48 direkt dem sich bewegenden Heißgasfluid ausgesetzt und haben eine hohe Temperatur. Die äußeren Stützen 68 und die Außenwandung 46 sind in beträchtlich kühleren Umgebungen der Maschine positioniert und erfahren entsprechend eine beträchtlich niedrigere Arbeitstemperatur als die inneren Stützen 66 und die Zwischenwandung 48. Die Temperaturgradienten, die sich während des Maschinenbetriebs entwickeln, induzieren eine thermische Expansion der Zwischenwandung 48 und der inneren Stützen 66 gegenüber der Außenwandung 46 und den äußeren Stützen 68. Eine solche thermische Expansion ist begleitet von einer Biegung der einseitig eingespannten Federn 70A, 70B, die diese thermische Expansion ohne die Erzeugung von nachteilig hohen Spannungskonzentrationen in dem Haußtgußteil 42 ermöglicht.

Claims

1. Ein Turbinenträger (16) in einer Gasturbinenmaschine (10), welcher Turbinenträger (16) besitzt

eine Mehrzahl von tragenden Stützen (66, 68), die einen Rotorlagerkäfig (44) tragen, welcher an einer Längsmittellinie (22) der Maschine (10) zentriert ist, und die ein Längssegment eines ringförmigen Heißgasströmungspfades (40) der Maschine (10) kreuzen, der zwischen einem strukturellen Gehäuse (12) der Maschine (10) und dem Rotorlagerkäfig (44) positioniert ist,

ein homogenes Hauptgußteil (42) mit einer Außenwandung (46), die um die Längsmittellinie (22) der Maschine (10) zentriert und für eine feste Befestigung an dem strukturellen Gehäuse (12) der Maschine (10) geeignet ist;

eine Zwischenwandung (48), die um die Längsmittellinie (22) zentriert und radial innerhalb der Außenwandung (46) positioniert und von der Außenwandung (46) durch einen ersten ringförmigen Spalt getrennt ist;

eine Innenwandung (50), die um die Längsmittellinie (22) zentriert und radial innerhalb der Zwischenwandung (48) positioniert und von der Zwischenwandung (48) durch einen zweiten ringförmigen Spalt, der das Längssegment des ringförmigen Heißgasströmungspfades (40) der Maschine (10) definiert, getrennt ist;

eine Anzahl von inneren tragenden Stützen (66) integral mit jeder der Zwischen- und Innenwandungen (46, 50), welche Stützen (66) allgemein radial zu der Längsmittellinie (22) angeordnet und den zweiten ringförmigen Spalt in vorbestimmten ringförmigen Intervallen um die Längsmittellinie (22) überbrücken;

eine entsprechende Anzahl von äußeren tragenden Stützen (69) integral mit jeder der Zwischen- und Außenwandungen (46, 48), welche Stützen (68) radial bezüglich der Längsmittellinie (22) angeordnet sind und den ersten ringförmigen Spalt überbrücken,

wobei jede der äußeren tragenden Stützen (68) bezüglich jeder der inneren tragenden Stützen (66) um etwa die Hälfte des bestimmten Winkelintervalls zwischen nebeneinanderliegenden inneren tragenden Stützen (66) versetzt sind, so daß die Zwischenwandung (48) eine Mehrzahl von einseitig eingespannten Federn (70A, 70B) zwischen nebeneinanderliegenden Paaren von inneren tragenden Stützen (66) und äußeren tragenden Stützen (68) definiert;

und Mittel (74), die den Rotorlagerkäfig (44) fest mit der Innenwandung (50) des Turbinenträgers (16) verbinden.

2. Ein Turbinenträger (16) nach Anspruch 1, in dem jede der inneren tragenden Stützen (66) hohl ist und durch jede der Innen- und Zwischenwandungen (48, 50) öffnet, um einen abgeschirmten radialen Kanal durch das Längssegment des Heißgasströmungspfades (40) des Motors (10) zu definieren.