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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kombikraftwerk, das
mittels starrer Kupplungen auf derselben Wellenleitung
aufeinanderfolgend angebracht den Rotor einer Gasturbine,
die Rotoren einer Dampfturbine, bestehend aus mehreren
Modulen, und den Rotor eines elektrischen Generators
aufweist, wobei die Gasturbine in axialer Translation
beweglich angebracht ist, wobei die Wellenleitung mit einem
Anschlag ausgestattet ist, der in axialer Translation mit
nicht drehenden Teilen der Gasturbine oder des ersten
Moduls der Dampfturbine verbunden ist.
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Die Verbindung der beiden Turbomaschinen mit axialer
Strömung mit derselben Wellenleitung gestattet, die
Abmessungen des Maschinenraums im Verhältnis zu dem Fall zu
verringern, bei dem jede Turbomaschine seinen eigenen
elektrischen Generator antreibt, außerdem gestattet das,
nur einen Wechselstromgenerator zu verwenden.
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Dagegen führt dies zu sehr langen Wellenleitungen, die eine
große, von den verschiedenen Rotoren angehäufte, axiale
Ausdehnung bringt, die erfordert, in den Gängen der beiden
Turbomaschinen große axiale Spiele vorzusehen.
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Nun beeinträchtigen aber große axiale Spiele die Leistungen
des Kraftwerks wesentlich.
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EP-A-0 407 132 betrifft ein Kombikraftwerk, das mittels
starrer Kupplungen auf derselben Wellenleitung
aufeinanderfolgend angebracht den Rotor einer Gasturbine,
die Rotoren einer Dampfturbine mit mehreren Modulen und den
Rotor eines elektrischen Generators aufweist. Die
Wellenleitung umfasst einen Anschlag, der mit einem festen
hinteren Lager der Gasturbine verbunden ist. Der nicht
drehende Teil der Gasturbine ist in axialer Versetzung
angebracht, der Vorderteil des nicht drehenden Teils des
ersten Moduls der Dampfturbine ist fest am Unterbau
angebracht. So ist die axiale Ausdehnung zwischen der
Gasturbine und dem ersten Modul der Dampfturbine
verringert, wobei sich der nicht drehende Teil der
Gasturbine wie der Teil der zugehörigen Wellenleitung zum
Vorderteil des Anschlags hin ausdehnt und sich der nicht
drehende Teil des ersten Moduls der Dampfturbine wie der
Teil der zugehörigen Wellenleitung zum hinteren Teil des
Anschlags ausdehnt. Der Stator des kalten Moduls ist durch
einen festen Punkt mit dem Unterbau verbunden.
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Einer der Nachteile dieser Anbringung ergibt sich aus der
Tatsache, dass die relative axiale Ausdehnung zwischen den
drehenden Teilen und den nicht drehenden Teilen der
Turbinen nicht gut gesteuert ist, das bringt relative
axiale Versetzungen zwischen den drehenden Teilen und den
nicht drehenden Teilen der Turbine, die die Leistungen des
Kraftwerks beeinträchtigen.
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US-A-5 271 217 betrifft ein Kombikraftwerk, das mittels
starrer Kupplungen an derselben Wellenleitung
aufeinanderfolgend angebracht den Rotor einer Gasturbine,
die Rotoren einer Dampfturbine und den Rotor eines
elektrischen Generators aufweist, wobei der nicht drehende
Teil der Gasturbine in axialer Translation beweglich
angebracht ist, wobei der nicht drehende Teil der
Dampfturbine an seinen beiden Enden mit dem Unterbau fest
verbunden ist, wobei die Wellenleitung mit einem Anschlag
ausgestattet ist, der in axialer Translation mit den nicht
drehenden Teilen der Gasturbine verbunden ist. Die nicht
drehenden Teile der Gasturbine und der Dampfturbine sind
durch Glieder miteinander verbunden. Diese Anbringung
gestattet, die relativen axialen Versetzungen zwischen den
drehenden Teilen und den nicht drehenden Teilen der Turbine
zu begrenzen. Sie erzeugt jedoch neue Nachteile, nämlich
die relative axiale Ausdehnung zwischen den Gliedern und
der Wellenleitung oder der Position der festen Punkte des
nicht drehenden Teils der Dampfturbine.
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Die vorliegende Erfindung hat ein Kombikraftwerk zum
Gegenstand, das von vorn nach hinten auf einem Unterbau
angebracht eine Gasturbine, gefolgt von einer Dampfturbine,
die wenigstens ein warmes Modul und ein kaltes Modul
besitzt, gefolgt von einem elektrischen Generator umfasst,
wobei die Rotoren der Gasturbine, der Dampfturbine und des
elektrischen Generators mittels starrer Kupplungen eine
gemeinsame Wellenleitung bilden, wobei der Stator der
Gasturbine in axialer Translation beweglich angebracht ist,
wobei die Wellenleitung einen Anschlag umfasst, der in
axialer Translation mit dem hinteren Statorteil des Stators
der Gasturbine oder mit dem vorderen Statorteil des Stators
des kalten Moduls der Dampfturbine verbunden ist, wobei der
hintere Statorteil der Gasturbine und der vordere
Statorteil des kalten Moduls der Dampfturbine durch
wenigstens zwei Glieder miteinander verbunden sind.
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Erfindungsgemäß sind die Glieder, das hintere Ende des
Rotors der Gasturbine und das vordere Ende des Rotors des
kalten Moduls der Dampfturbine in einem Raum
eingeschlossen, der mit einem wärmeleitenden Fluid gefüllt
ist, und der hintere Statorteil des Stators des Moduls der
Dampfturbine, der dem kalten Modul der Dampfturbine
vorhergeht, ist durch einen festen Punkt mit dem Unterbau
verbunden, wobei der Stator des kalten Moduls durch einen
weiteren festen Punkt mit dem Unterbau verbunden ist.
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Dank dieser Anordnung sind die Spiele zwischen den Gängen
der Gasturbine und dem kalten Modul der Dampfturbine
praktisch die gleichen wie im Fall eines Kraftwerks mit
zwei Wellenleitungen, und die axialen Spiele in den Gängen
des kalten Moduls und der Dampfturbine sind geringfügig
erhöht.
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Bei einer Ausführungsvariante des Kraftwerks umfasst eine
Dampfturbine, die ein zwischen das kalte Modul und das
warme Modul eingefügtes lauwarmes Modul aufweist, wobei der
vordere Statorteil des Stators des lauwarmen Moduls und der
hintere Statorteil des Stators des warmen Moduls der
Dampfturbine durch wenigstens zwei Glieder verbunden sind,
und wobei die Glieder, das hintere Ende des Rotors des
warmen Moduls und das vordere Ende des Rotors des lauwarmen
Moduls der Dampfturbine in einem Raum eingeschlossen sind,
der mit einem wärmeleitenden Fluid gefüllt ist.
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Auf diese Weise sind die Spiele der Gänge der Gasturbine
und des warmen Moduls der Dampfturbine immer die gleichen
wie im Falle eines Kraftwerks mit einer einzigen
Wellenleitung, und die axialen Spiel der kalten und
lauwarmen Module der Dampfturbine sind geringfügig erhöht.
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Der Raum kann ein Gehäuse aus Blech sein, das Schmieröl für
die benachbarten Lager der Wellenleitung enthält.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der
nachfolgenden Beschreibung der beiden Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen hervor, in welchen:
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Figuren
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1 bis 5 Kraftwerke vom bekannten Typ schematisch
darstellen,
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Fig. 6 ein erfindungsgemäßes Kraftwerk schematisch
darstellt, das eine Gasturbine und eine
Dampfturbine mit zwei Modulen umfasst,
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Fig. 7 ein erfindungsgemäßes Kraftwerk schematisch
darstellt, das eine Gasturbine und eine
Dampfturbine mit drei Modulen umfasst,
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Fig. 8 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Fig. 7
schematisch darstellt.
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In der nachfolgenden Beschreibung entspricht das warme
Modul der Dampfturbine einem Modul vom Typ HP oder HP/MP
oder gleichwertigem; das lauwarme Modul der Dampfturbine
entspricht einem Modul vom Fernheizungstyp oder
gleichwertigem; und das kalte Modul der Dampfturbine
entspricht einem Modul vom Typ BP.
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Fig. 1 stellt ein Kraftwerk dar, das eine Gasturbine und
eine Dampfturbine verbindet; eine solche Verbindung bildet
ein Kombikraftwerk, das auf verschiedene Weisen ausgeführt
sein kann.
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Im Fall der Fig. 1 werden zwei getrennte Wellenleitungen
verwendet, wobei jede Turbomaschine ihren elektrischen
Generator, wie einen Wechselstromgenerator, antreibt. Die
Dampfturbine weist im Allgemeinen mehrere Module auf, wie
ein warmes Modul 1 und ein kaltes Modul 2, deren drehenden
Teile oder Rotoren durch eine starre Kupplung 3 mit einem
festen Anschlag 4 zusammengesetzt sind, und die einen
ersten Wechselstromgenerator 5 antreiben. Die Gasturbine 6
treibt einen zweiten Wechselstromgenerator 7 an, mit dem
sie über eine starre Kupplung 8 mit einem festen Anschlag 9
verbunden ist. In den Zeichnungen bezeichnet die mit "t"
angegebene Graphik eine Verbindung (fester Punkt) zwischen
den nicht drehenden Teile einer Maschine und dem Fundament
aus Beton (Unterbau), auf welchem die Maschinen angeordnet
sind. Dieser Buchstabe t kann auch eine Verbindung zwischen
einem festen Anschlag und dem Betonfundament bezeichnen.
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Eine Einheit wie die in Fig. 1 schematisch dargestellte
erfordert einen Maschinenraum mit großen Abmessungen und
zwei getrennte elektrische Generatoren. Folglich wurden
Einheiten entworfen, die eine einzige Wellenleitung
aufweisen. In dem in Fig. 2 schematisch dargestellten Fall
sind die verschiedenen Maschinen, nämlich die Gasturbine 6,
das warme Modul 1, das kalte Modul 2 und der
Wechselstromgenerator 11 von vorn (in der Figur links
gelegen) nach hinten (in der Figur rechts)
aufeinanderfolgend an derselben Wellenleitung angebracht;
die Rotoren sind mittels starrer Kupplungen 12, 13 und 14
montiert, wobei ein Anschlag 15 in axialer Translation mit
dem Statorteil der Gasturbine 6 verbunden ist. Der Stator
der Gasturbine ist am Fundament aus Beton befestigt, wobei
sich diese Verbindung t am hinteren Teil des Moduls
befindet.
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Die Verwendung einer einzigen Wellenleitung führt zu sehr
langen Wellenleitungen; die Ausdehnungen der Rotoren sind
übermäßig, und es ist nötig, in den Gängen der beiden
Turbomaschinen große axiale Spiele vorzusehen, was die
Leistung aufgrund von Versetzungen zwischen den Düsen und
den Schaufeln verringert.
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Eine weitere Ausführung ist in Fig. 3 schematisch
dargestellt; der Wechselstromgenerator 11 ist zwischen der
Gasturbine 6 und dem warmen Modul 1 der Dampfturbine
angeordnet; der Rotor des Wechselstromgenerators 11 ist
durch eine starre Kupplung 16 mit dem Rotor der Gasturbine
6 und durch eine flexible Kupplung 18 an den Rotor des
warmen Moduls 1 der Dampfturbine montiert; die Rotoren des
Wechselstromgenerators und der Gasturbine sind durch den
inneren Anschlag 17 der Gasturbine axial angeordnet. Der
Stator der Gasturbine ist am Fundament aus Beton befestigt,
wobei sich diese Verbindung t am hinteren Teil der
Gasturbine befindet; die Rotoren der beiden Module 1 und 2
der Dampfturbine sind durch eine starre Kupplung 19 mit
einem in bezug auf das Fundament aus Beton festen Anschlag
21 montiert und mit dem Rotor des warmen Moduls 1 fest
verbunden.
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Diese Anordnung gestattet, die axialen Spiel in den Gängen
der beiden Turbomaschinen zu verringern, stellt jedoch ein
Instandhaltungsproblem für den elektrischen Generator,
insbesondere für den Ausbau des Rotors des
Wechselstromgenerators.
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Bei der in Fig. 4 schematisch dargestellten
Ausführungsform werden zwei Anschläge und eine flexible
Kupplung 22 zwischen der Gasturbine 6 und dem warmen Modul
1 verwendet; die anderen Maschinen sind durch eine starre
Kupplung 23 bzw. 24 montiert. Ein erster Anschlag 25 ist
mit dem Stator der Gasturbine 6 verbunden, und ein zweiter
Anschlag 26, der in bezug auf das Fundament aus Beton fest
ist, ist zwischen den beiden Modulen 1 und 2 der
Dampfturbine vorgesehen; er entspricht dem Anschlag 21 der
Fig. 3.
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In diesem Fall muss die flexible Kupplung 22 erhöhte
permanente und flüchtige Momente tragen, wenn die Leistung
der Gasturbine erhöht ist (beispielsweise über 200 MW), und
diese Lösung ist somit in der Leistung eingeschränkt.
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Eine weitere Möglichkeit ist in Fig. 5 schematisch
dargestellt: die Gasturbine 6 ist an gelenkig angebrachten
Gliedern b1, b2 angebracht, die eine axiale Verschiebung
der nicht drehenden Teile gestatten, andererseits folgt
über den internen Anschlag 27 der Gasturbine, der mit dem
Stator fest verbunden ist, der Rotor der Gasturbine der
axialen Verschiebung des Moduls; alle Rotoren der
Maschinen, nämlich der Gasturbine 6, der beiden Module 1
und 2 der Dampfturbine und des Wechselstromgenerators 11,
sind mittels starrer Kupplung 28, 29 und 31
aufeinanderfolgend von vorn nach hinten angebracht, und ein
fester Anschlag 32 ist mit der Welle des warmen Moduls 1
analog zum festen Anschlag 21 der Fig. 3 fest verbunden.
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Diese Ausführung weist den Nachteil auf, dass die Kräfte an
den Anschlägen unbekannt sind und unannehmbare Werte
erreichen können. Tatsächlich stellt der bewegliche
Anschlag 27 die axiale Positionierung der Gasturbine (Rotor
und Stator) sicher, deren Masse 400 Tonnen erreichen kann;
der feste Anschlag 30 stellt die axiale Positionierung der
Gasturbine und der gesamten Wellenleitung sicher. So können
diese großen Massen zum Beispiel bei einer Erschütterung an
diesen beiden Anschlägen zerstörende Kräfte verursachen.
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Die vorliegende Erfindung hat ein Kombikraftwerk mit einer
einzigen Wellenleitung zum Gegenstand, das mit einfachen
und robusten Mitteln ausgestattet ist, die gestatten, die
axialen Spiele in den Gängen der beiden Turbomaschinen zu
begrenzen und folglich eine gute Leistung zu erhalten.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 schematisch
dargestellt; die Reihenfolge der Maschinen ist gleich
derjenigen der Anlage von Fig. 5; die Rotoren sind
ebenfalls mittels starrer Kupplungen 28, 29 und 31
montiert. Der Stator der Gasturbine 6 ist in axialer
Translation beweglich angebracht. Die Wellenleitung umfasst
einen Anschlag 27, der in axialer Translation mit dem
hinteren Statorteil des Stators der Gasturbine verbunden
ist. Der hintere Statorteil der Gasturbine 6 und der
vordere Statorteil des warmen Moduls 1 der Dampfturbine
sind durch Glieder 32 miteinander verbunden, die regelmäßig
um die Wellen der beiden Maschinen herum angeordnet sind;
diese Glieder 32 sind wenigstens zwei an der Zahl und in
bezug auf die Wellenleitung diametral entgegengesetzt. Der
verbundene Anschlag 27 ist somit mit der Gasturbine und dem
warmen Modul der Dampfturbine fest verbunden.
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Erfindungsgemäß sind die Glieder 32, das hintere Ende des
Rotors der Gasturbine 6 und das vordere Ende des Rotors des
warmen Moduls 1 der Dampfturbine in einem Raum 33
eingeschlossen, der mit einem wärmeleitenden Fluid gefüllt
ist.
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Auf diese Weise wird die Temperatur dieser verschiedenen
Elemente zwischen den Gliedern und den Enden des Rotors auf
einem geringen und homogenen Wert gehalten, beispielsweise
60ºC, was gestattet, ihre Eigen- und Differentialausdehnung
zu begrenzen. Dies ist für die Verbindungsglieder besonders
wichtig, deren Länge 3 bis 4 Meter erreichen kann.
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Außerdem ist der hintere Statorteil des Stators des warmen
Moduls 1 der Dampfturbine, der dem kalten Modul 2 der
Dampfturbine 2 vorhergeht, durch einen festen Punkt 34 mit
dem Unterbau verbunden, wobei der Stator des kalten Moduls
2 durch einen weiteren festen Punkt 35 mit dem Unterbau
verbunden ist.
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Fig. 7 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel der
Erfindung dar, bei welchem die Dampfturbine drei Module
aufweist, z. B. ein warmes Modul 41, ein lauwarmes Modul 42
und ein kaltes Modul 43, die aufeinanderfolgend vom
Vorderteil zum hinteren Teil der Wellenleitung hin montiert
sind. Alle Rotoren der Maschinen sind mittels starrer
Kupplungen 44 bis 47 montiert; die Wellenleitung umfasst
einen Anschlag 48, der in axialer Translation mit dem
hinteren Statorteil des Stators der Gasturbine verbunden
ist. Der hintere Statorteil der Gasturbine 6 und der
vordere Statorteil des kalten Moduls 41 der Dampfturbine
sind durch Glieder 51 miteinander verbunden, die um die
Wellen der beiden Maschinen herum regelmäßig angeordnet
sind; diese Glieder 51 sind wenigstens zwei an der Zahl und
in bezug auf die Wellenleitung diametral entgegengesetzt.
Der verbundene Anschlag 48 ist somit mit der Gasturbine und
dem kalten Modul 41 der Dampfturbine fest verbunden.
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Erfindungsgemäß sind die Glieder 51, das hintere Ende des
Rotors der Gasturbine 6 und das vordere Ende des Rotors des
warmen Moduls 41 der Dampfturbine in einem Raum 52
eingeschlossen, der mit einem wärmeleitenden Fluid gefüllt
ist. Der hintere Statorteil des Stators des lauwarmen
Moduls 42 der Dampfturbine, der dem kalten Modul 43 der
Dampfturbine vorhergeht, ist durch einen festen Punkt 49
mit dem Unterbau verbunden, wobei der Stator des kalten
Moduls 43 durch einen weiteren festen Punkt 50 mit dem
Unterbau verbunden ist.
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Bei dieser zweiten Ausführungsvariante sind der vordere
Statorteil des Stators des lauwarmen Moduls 42 und der
hintere Statorteil des Stators des warmen Moduls 41 der
Dampfturbine durch Glieder 53 verbunden. Das hintere Ende
des Rotors des warmen Moduls 41 und das vordere Ende des
Rotors des lauwarmen Moduls 42 der Dampfturbine sind in
einem Raum 54 eingeschlossen, der mit einem wärmeleitenden
Fluid gefüllt ist.
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Egal bei welchem Ausführungsbeispiel wird die Lokalisierung
des festen Punkts 35, 50 des kalten Moduls 2 in
Abhängigkeit vom Typ des verwendeten Moduls und seiner
Verbindung mit dem Kondensator gewählt. Im Falle eines
kalten Moduls vom Einfachstromtyp wird der feste Punkt
vorteilhafterweise am vorderen Teil des Stators des kalten
Moduls lokalisiert. Im Falle eines kalten Moduls vom
Doppelstromtyp wird der feste Punkt vorteilhafterweise in
der Mitte des Stators des kalten Moduls lokalisiert.
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Außerdem kann ins Auge gefasst werden, den beweglichen
Anschlag 27, 48 mit dem vorderen Statorteil des Stators des
warmen Moduls 1 zu verbinden, anstatt ihn mit dem hinteren
Statorteil des Stators der Gasturbine zu verbinden.
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Fig. 8 ist ein Schema, das die Verbindung zwischen der
Gasturbine 6 und dem warmen Modul mehr im Einzelnen
darstellt. In dieser Figur erkennt man die starre Kupplung
44 zwischen den beiden Wellen der Maschinen und die beiden
Glieder 51, die mit Gelenk an jedem ihrer Enden an einer
zur radialen Richtung senkrechten Achse befestigt und mit
den Statoren der Gasturbine und des warmen Moduls der
Dampfturbine fest verbunden sind. Das den Raum 52 bildende
Gehäuse ist ebenfalls an den Statoren befestigt.
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Der bewegliche Anschlag 48 ist mit dem Stator des Moduls 6
durch zu den Gliedern 51 ähnlichen Gliedern 56 verbunden.
Das Gehäuse 52 ist ein Blechgehäuse, in welchem ein
Spritzen von Schmieröl auf die gesamte Anordnung, nämlich
die Glieder 51 und 56, die Wellen der beiden Module, den
beweglichen Anschlag 48 und die starre Kupplung 44,
ausgeführt wird. Auf diese Weise kann die Temperatur dieser
verschiedenen Elemente zwischen den Gliedern und den Enden
der Rotoren auf einen geringen und homogenen Wert begrenzt
werden, beispielsweise 60ºC, was gestattet, ihre Eigen- und
Differentialausdehnung zu begrenzen. Dies ist für die
Verbindungsglieder besonders wichtig, deren Länge 3 bis 4
Meter erreichen kann.
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Der Zusammenbau der Gasturbine und des warmen Moduls der
Dampfturbine und eventuell der warmen und lauwarmen Module
dieser letzteren durch Glieder gestattet, bei großen
Dimensionen die axialen Spiel in den Gängen der beiden
Maschinen zu verringern. Wenn man sich auf Fig. 6 bezieht,
sind in der Tat die Ausdehnungsvergleiche in bezug auf das
Fundament aus Beton genommen, das der absolute Bezugspunkt
ist:
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- so wird angenommen, dass sich der Stator des warmen
Moduls 1 um 20 mm ausdehnt, und so wird angenommen,
dass sich der Rotor des warmen Moduls 1 um 22 mm
ausdehnt, was einer Verlängerung des Abstands zwischen
den mit 27 und 29 bezeichneten Elementen von 22 mm
entspricht.
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In diesem Fall kann man sagen, dass:
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- der Stator der Gasturbine 6 vom warmen Modul 1 mit
Hilfe der Glieder 32 um 22 mm nach links geschoben
wird, weil sich der feste Punkt des Stators des warmen
Moduls 1 am hinteren Teil des Stators befindet und
sich somit die gesamte Ausdehnung des Stators des
warmen Moduls nach vorn vollzieht.
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- diese Verschiebung eine Verschiebung aller Rotoren um
20 mm nach links hervorruft, da ja der Anschlag 27 mit
der Gasturbine verbunden ist;
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- wenn der Rotor der Gasturbine in bezug auf den Stator
der Gasturbine unbeweglich ist, die axialen Spiele
zwischen dem Rotor und dem Stator der Gasturbine
gleich denjenigen der Anlage der Fig. 1 und somit
optimal sind,
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- ebenso der Rotor des warmen Moduls 1, der durch den
mobilen Anschlag 27 positioniert ist, in bezug auf den
vorderen Statorteil des warmen Moduls 1 fest ist;
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- somit die axialen Spiele im warmen Modul 1 optimal
sind,
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- sich die Kupplung 29 in bezug auf den Beton um -20 mm
+ 22 mm = 2 mm verschiebt,
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- sich der Rotor des kalten Moduls 2 somit in Höhe der
Kupplung 29 um 2 mm verschiebt. Somit müssen die
Spiele der Gänge des kalten Moduls in bezug auf eine
ideale Anlage, für welche die Kupplung 29 in bezug auf
das Fundament aus Beton unbeweglich wäre, nur um 2 mm
erhöht werden.
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Zum Schluss kann man sagen, dass bei der in Fig. 6
dargestellten Anlage ein Teil der Wärmedehnung des Rotors
des kalten Moduls 1 durch die Ausdehnung des Stators dieses
Moduls kompensiert wird. Dies ist zum Beispiel bei der
Anlage der Fig. 2 nicht der Fall, bei der sich die
Kupplung 13 in bezug auf das Fundament aus Beton um 22 mm
nach rechts verschiebt.