DE69908171T2

DE69908171T2 - Isolierte ölzufuhrleitung

Info

Publication number: DE69908171T2
Application number: DE69908171T
Authority: DE
Inventors: Eric Tremaine
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 1998-10-13
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2019-10-09
Also published as: CA2347711C; DE69908171D1; JP2002527661A; CA2347711A1; US6102577A; WO2000022281A1; EP1125038A1; EP1125038B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung ist auf eine Isolationsvorrichtung für thermische Bewegung einer Lagergalerie gerichtet, welche es dem inneren Lagerabstützring der Galerie erlaubt, unter thermischer Ausdehnung und Kontraktion während des Betriebs der Gasturbinenmaschine sich frei zu bewegen, ohne eine thermisch induzierte Bewegung oder Kräfte auf die starr mit dem äußeren Lagergehäuse und der Maschinenstruktur verbundene Ölversorgungsleitung aufzubringen.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Eine Gasturbinenmaschine weist generell eine Maschinenstruktur auf, die eine Welle an ölgeschmierten Lagern, die in einer Lagergalerie untergebracht sind, drehbar um eine Maschinenachse zu lagern. Der Lagerschmierkreis beinhaltet die Lagergalerie, die mit Laufdichtungen gegen die Welle abgedichtet ist, eine Schmierölversorgungsleitung, die an der Lagergalerie befestigt ist, und eine Ölrückleitung.
Die Ölversorgungsleitung befindet sich in Strömungsverbindung mit einem ringförmigen Ölversorgungssammelraum in der Lagergalerie, und die Schmierölrückleitung befindet sich in Strömungsverbindung mit einer Lagerölbadkammer in der Lagergalerie. Ölpumpe, Ölfilter, Ölwärmetauscher und Druckregulator vervollständigen den Lagerschmierkreis.
Während des Betriebs der Gasturbinenmaschine rotiert die an dem Lager angebrachte Welle mit einer extrem hohen Drehzahl und erzeugt eine beträchtliche Wärmeenergie in dem unmittelbaren Bereich der Lager. Um die Lager zu schmieren und um ein Überhitzen zu verhindern, wird Schmieröl von außerhalb des Maschinenkerns durch eine Ölversorgungsleitung zur Lagergalerie gepumpt. Öl unter Druck wird einem ringförmigen Ölversorgungs-Sammelraum in der Lagergalerie zugeführt. Der Ölversorgungs-Sammelraum weist einige Ölinjektionsöffnungen oder Düsen auf, die relativ kühles Öl auf die Lager in ausgewählten Bereichen aufsprühen. Das Öl wird dann in einer Ölbadkammer gesammelt und kann weiter zirkuliert werden oder in der Lagergalerie und der Ölbadkammer mit Ölschöpfern verspritzt werden, die Öl über erwärmte Oberflächen verspritzen. Die Ölbadkammer wird mit einer Ölrückleitung entleert, die das erwärmte Öl zu der Ölpumpe, dem Filter und dem Wärmetauscher zur Rezirkulation zurückbringt.
Typischerweise wird Öl von der Versorgungsleitung bei maximal etwa 225°F (107°C) zugeführt und wird nach dem Zirkulieren in dem Lagerbereich bei einer Temperatur von maximal etwa 355°F (180°C) zurückgeleitet. Die Lager und die Lagerkammern arbeiten bei maximal etwa 375°F (190°C). Die Lagergalerie weist einen luftgefüllten Kühlmantel auf, der mit kühler verdichteter Luft aus dem Verdichterabschnitt der Maschine versorgt wird., Wenn die Gasturbinenmaschine kühl ist, können die Lager eine Temperatur haben, die gleich der Umgebungslufttemperatur ist, beispielsweise bis zu –40°F (–40°C). Deshalb kann man sich vorstellen, dass die Lager und die Lagergalerie substanzielle Temperaturschwankungen zwischen einem Nicht-Betriebs- und einem Betriebszustand haben.
Die Ölversorgungsleitung ist in der Lagergalerie in einer Schraubverbindung befestigt, um eine feste öldichte Abdichtung zu bilden und um eine Ölleckage in die Maschine zu verhindern. In Folge der Expansion und Kontraktion des inneren Lagerabstützrings der Lagergalerie kann die feste Verbindung mit dem Ölrohr signifikante Spannung und Bewegung der Lagergalerie bewirken. Eine thermisch induzierte Bewegung der Lagergalerie führt zu einer Leckage zwischen der rotierenden Welle und den Laufdichtungen, die an dem Lagergaleriegehäuse befestigt sind.
Das deutsche Patent DE 4 412 314 A an Rupprecht beschreibt ein Ölversorgungssystem für Lager in einer Gasturbinenmaschine mit einer sphärischen Gelenkfläche zwischen der Lagergalerie und der Ölrückleitung, die mit einem flexiblen O-Ring abgedichtet ist, um ein Maß an zulässiger Bewegung dazwischen zu schaffen, um ein Maß an relativer Bewegung aufzunehmen.
Es ist deshalb wünschenswert, eine Vorrichtung bereitzustellen, um das Ölrohr und die Maschinengalerie auf eine Weise zu verbinden, um die Übertragung von thermisch induzierter Galeriebewegung und damit einhergehender Spannungen auf das Ölrohr zu reduzieren oder zu eliminieren und dabei auch die Flüssigkeitsabdichtung beizubehalten, um eine Ölleckage in benachbarte Bereich der Maschine zu verhindern.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist auf eine Isolationsvorrichtung für thermische Bewegung der Lagergalerie gerichtet, die es dem inneren Lagerabstützring der Lagergalerie erlaubt, unter thermischer Expansion und Kontraktion während des Maschinenbetriebs sich relativ zu der äußeren Lagergalerie frei zu bewegen, ohne thermisch induzierte Bewegung oder Kräfte auf die Ölversorgungsleitung zu übertragen.
Eine Gasturbinenmaschine weist generell eine Maschinenstruktur auf, die eine Welle an ölgeschmierten Lagern, die in einer Lagergalerie untergebracht sind, rotationsfähig um eine Maschinenachse lagert. Der Lagerschmierkreis weist das äußere Gehäuse der Lagergalerie auf, das mit Lauflagern gegen die Welle abgedichtet ist, eine Schmierölversorgungsleitung und eine Ölrückleitung, die beide an der Maschinenstruktur befestigt sind. Die Ölversorgungsleitung befindet sich in Strömungsverbindung mit einem ringförmigen Ölversorgungssammelraum in dem inneren Lagerabstützring, und die Schmierölrückleitung befindet sich in Strömungsverbindung mit einer Lagerölbadkammer in der Lagergalerie.
Die erfinderische Verbesserung betrifft eine Isolationsvorrichtung für thermische Bewegung der Lagergalerie, um es dem inneren Lagerabstützring der Lagergalerie zu erlauben, sich relativ zu dem äußeren Lagergaleriegehäuse frei zu bewegen beim Expandieren oder Kontrahieren in Folge einer Temperaturänderung während des Betriebs. Die Isolationsvorrichtung weist ein sich radial erstreckendes Öltransferrohr auf, mit einem äußeren Ende, welches mit der Ölversorgungsleitung verbunden ist, und welches eine innere Schulter aufweist, die an dem äußeren Lagergaleriegehäuse befestigt ist. Ein Öltransferrohr-Isolationsverbinder ist an einem inneren Ende des Transferrohrs und an der Lagergalerie angeordnet. Der Verbinder weist eine sich radial erstreckende Hülse an dem inneren Lagerabstützring und einen gleitenden O-Ring, der mit der Hülse und dem Transferrohr zusammenwirkt, auf.
Der innere Lagerabstützring und das äußere Lagergaleriegehäuse können durch verbindende Bänder oder Stege radial voneinander beabstandet sein, um eine thermische Separierung zu schaffen. Derartige Bänder verbiegen oder verformen sich etwas, wenn der heiße innere Ring relativ zu dem kühlen äußeren Gehäuse expandiert. Um sicherzustellen, dass diese thermische Bewegung die Ölversorgungsleitung keiner Belastung aussetzt, um die Ölabdichtung zu bewahren und um eine seitliche Bewegung der Lagergalerie zu vermeiden, ist die Gleitverbindung zwischen dem inneren Ring und dem Transferrohr geschaffen.
Weitere Details der Erfindung und ihre Vorteile werden aus der detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen, die nachfolgend angefügt sind, ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen nur beispielhaft beschrieben, für die gilt:
1 ist ein Axialschnitt durch eine Lagergalerie mit einem sich radial erstrekkenden (in der Zeichnung nach oben) Öltransferrohr, welches sich durch den heißen Gasweg zwischen benachbarten Turbinenrotoren erstreckt.
2 ist eine detaillierte Ansicht der Ölgalerie, der Lager und des Öltransferrohr-Isolationsverbinders.
3 ist eine radiale Schnittansicht durch das innere Ende des Transferrohrs und die Lagergalerie, wie entlang den Linien 3-3 von 2 angezeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird auf die 1 Bezug genommen. Eine Gasturbinenmaschine weist generell eine Maschinenstruktur 1 auf, die eine von einem Turbinenrotor 3 angetriebene Welle 2 lagert. In der gezeigten Darstellung ist eine zweite Welle 4 konzentrisch zu der Rotationsachse 5 vorgesehen. Die Welle 2 ist an ölgeschmierten Lagern 6 rotationsfähig um die Maschinenachse 5 in einer öldichten Lagergalerie 7 angebracht. Die Lagergalerie 7 ist mit Laufdichtungen 8 gegen die Welle 2 abgedichtet. Der Lagerschmiermittelkreis der Maschine weist eine Schmierölversorgungsleitung 9 auf, die an der Maschinenstruktur 1 über das äußere Ende des Öltransferrohrs 10 befestigt ist. Die Ölversorgungsleitung 9 befindet sich in Strömungsverbindung mit einem ringförmigen Ölversorgungssammelraum 11 in dem die Lager abstützenden Innenring 31 der Lagergalerie 7.
3 zeigt die radiale Schnittansicht des Ölversorgungssammelraums 11 mit dem inneren Ende des Öltransferrohrs 10, welches unter Druck befindliches Schmieröl in den ringförmigen Sammelraum 11 injiziert. Eine Schmieröl-Rückleitung (nicht gezeigt) ist an der Maschinenstruktur 1 ähnlich zu der in 1 gezeigten Anordnung nach Art einer Verschraubung befestigt. Die Ölrückleitung befindet sich in Strömungsverbindung mit einer Lagerölbadkammer 13 in der Lagergalerie 7. Wie in der 3 gezeigt, weist der Lagerschmierölkreis ein sich radial erstreckendes Ölrückleitrohr 12 auf, welches mit der Ausnahme des innersten Endbereichs ähnlich zu dem Öltransferrohr 10 ist, welches im Detail in der 1 gezeigt ist. Das Ölrückleitrohr 12 hat ein äußeres Ende, welches an der Ölrückleitung (nicht gezeigt) befestigt ist, und es dient dazu, das Öl (nach dem Ansammeln von Wärme aus den Lagern) zurück zu einem Wärmetauscher, einer Ölpumpe und einem Filter zu bringen.
Die durch die Erfindung bereitgestellte Verbesserung betrifft einen Isolationsvorrichtung gegen thermische Bewegung der Lagergalerie, die den inneren Ring 31 der Lagergalerie 7 mit dem Öltransferrohr 10 derart verbindet, dass die thermische Bewegung des inneren Rings 31 das äußere Gehäuse 28 nicht bewegt. Durch das Isolieren der Bewegung des inneren Rings 31 bleibt der Kontakt der Laufdichtungen 8 intakt.
Ein Gleitverbinder ist vorgesehen, der derart abgedichtet ist, dass der Innenring 31 sich radial relativ zu dem äußeren Gehäuse 28 ausdehnen und kontrahieren kann, ohne eine radiale Bewegung oder thermisch induzierte Spannung in die Rohre 10 und 12 zu übertragen. Bei der beschriebenen Ausführungsform sind der Innenring 31 und das äußere Gehäuse 28 radial voneinander beabstandet und miteinander durch sich tangential erstreckende Bänder oder Stege 30 verbunden. Derartige Bänder 30 liefern eine thermische Separierung zwischen diesen Komponenten und verformen sich etwas, um während des Betriebs eine thermische Ausdehnung zuzulassen. Andere Arten der Bereitstellung einer thermischen Separierung und der Beibehaltung eines relativen Abstands des Innenrings 31 und des äußeren Gehäuses 28 können verwendet werden.
Wie in der 1 gezeigt, hat das Öltransferrohr 10 ein äußeres Ende, welches an der Ölversorgungsleitung 9 befestigt ist, und ein inneres Ende mit einer Schulter, das in die Ölversorgungsmuffe 15 des äußeren Gehäuses 28 eingeschraubt ist, wobei verbindende Konusflächen 32 eine konische Öldichtung bereitstellt. Wie am besten in der detaillierten Ansicht von 2 gezeigt, wirkt ein gleitender O-Ring 16, der an einer inneren Spitze des Transferrohrs 10 angebracht ist, mit einer Hülse 29 in dem inneren Ring 31 zusammen und dichtet das innere Ende des Transferrohrs 10 ab. Man kann aus der Detailansicht von
2 erkennen, dass eine relative Radialbewegung zwischen dem Öltransferrohr 10 und der Hülse 29 zu einem Gleiten des O-Rings 16 an einer passenden zylindrischen Fläche 17 der Hülse 29 führt. Eine öldichte Abdichtung ist zu allen Zeiten vorgesehen, unabhängig von der Relativbewegung des O-Rings 16 und der zylindrischen Fläche 17.
Man erkennt, dass der Öldruck in dem Öltransferrohr 10 und dem Ölversorgungssammelraum 11 relativ hoch ist, was es dem Öl ermöglicht, in einem Strahl durch die Sprühdosen 19 ausgestoßen zu werden. Konventioneller Verschleiß und Abnutzung, hoher Druck und hohe Temperatur können schließlich zu etwas Leckage an dem O-Ring 16 vorbei führen.
Wie es am besten in 2 gezeigt ist, weist das Transferrohr 10 einen Mittelbereich 20 auf, der zwischen dem O-Ring 16 und der Hülse 29 angeordnet ist. Um sämtliche Ölleckage an dem O-Ring vorbei zurückzuführen, weist die Ölversorgungsmuffe 15 einen Ölrückleitkanal 21 auf, der den Mittelbereich 20 des Transferrohrs umgibt und der in Strömungsverbindung, mit der Lagerölbadkammer 13 ist. In Folge davon wird sämtliche Leckage radial nach außen (wie in der 2 gezeigt, nach oben) an dem O-Ring 16 vorbei gesammelt und durch die Lagerölbadkammer 13 über den Rückleitkanal 21 zurückgebracht.
Man erkennt, dass ohne den Ölrückleitkanal 21 sämtliche Leckage radial nach außen an dem O-Ring 16 vorbei zwischen der äußeren Oberfläche des Öltansferrohrs 10 und der inneren Oberfläche der Ölversorgungsmuffe 15 wandern würde. Eine derartige Leckage könnte in das Innere der Maschine durch die obere Öffnung 22 der Ölversorgungsmuffe 15 ausgestoßen werden. Deshalb ist es bevorzugt, um die Möglichkeit der Kontamination des Inneren der Maschine mit Lagerschmieröl zu eliminieren, einen Rückleitkanal 21 zum Zurückführen einer derartigen Ölleckage vorzusehen.
Wie vorangehend ausgeführt, beträgt die Ölzufuhrtemperatur etwa 225°F (107°C), wohingegen die Rückleitöltemperatur 355°F (180°C) beträgt, was dem Kühlen der Lagergalerie dient, die generell bei einer Temperatur von maximal etwa 375°F (190°C) arbeitet. Das Öltransferrohr 10 wird durch die Zufuhr von Öl gekühlt, welches in dem Rohr 10 strömt. Der O-Ring 16 ist deshalb einer beträchtlichen Belastung unterworfen, und die Verwendung eines ungeeigneten Materials würde zu einem Versagen der Öldruckdichtung führen. Konventionelle O-Ringe, die aus Fluorkarbon hergestellt sind, arbeiten bei einer Maximaltemperatur von etwa 400°F (205°C). Derartige O-Ringe sind nicht geeignet für diese Anwendung, da die Lagerkammer bei 375°F (190°C) arbeitet und diese Anordnung keinen adäquaten Sicherheitsfaktor liefern würde. Folglich ist der O-Ring vorzugsweise aus einem Perfluorelastomer gebildet, der bei einer Temperatur von bis zu 700°F (365°C) arbeiten kann. Ein derartiger O-Ring wird unter der Handelsmarke KALREZ von DuPont vermarktet.
Es wird auf die 3 Bezug genommen. Das Ölrückleitrohr 12 hat ein äußeres Ende, welches an der Ölrückleitung (nicht gezeigt) befestigt ist, und das Öl wird deshalb von der Ölbadkammer 13 zu dem Lagerschmierölkreis zurückgebracht. Das Rückleitrohr 12 die Lagergalerie 7 sind mit einer Gewindeverbindung und einer Konusdichtung 32, wie mit Bezugnahme auf die Ölversorgungsleitung beschrieben, verbunden.
Wie auch in 3 gezeigt, kann die Lagergalerie eine Kühlluftkammer 25 aufweisen, die mit Druckluft durch ein Luftversorgungsrohr 26 versorgt wird und zwischen einer Wand 33 und einem äußeren Gehäuse 28 definiert ist. Wie in 2 gezeigt, lässt man Luft durch die Lauf-Luftdichtungen 27 entkommen, um sich wieder mit dem Kühlluftsystem der Maschine zu vereinigen. Das Luftversorungsrohr 26 und die Luftversorgungsmuffe der Lagergalerie 7 sind auch mit einer Gewindeverbindung und konischen Dichtungsflächen 32 verbunden.
Obwohl die vorangehende Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen sich auf eine spezielle bevorzugte Ausführungsform beziehen, wie sie momentan von dem Erfinder beabsichtigt ist, wird man verstehen, dass die Erfindung in ihrem breitesten Aspekt mechanische und funktionale Äquivalente der beschriebenen und gezeigten Elemente umfasst.

Claims

Gasturbinenmaschine aufweisend einen Isolationsvorrichtung für thermische Bewegung der Lagergalerie, wobei die Gasturbinenmaschine eine Maschinenstruktur (1), die eine Welle (2) an ölgeschmierten Lagern (6), die in einer Lagergalerie (7) untergebracht sind, drehbar um eine Maschinenachse (5) lagert, und ein äußeres Gehäuse (28) der Lagergalerie (7) aufweist, das mit Laufdichtungen (27) zu der Welle (5) abgedichtet ist, wobei die Maschine ferner aufweist: eine Schmierölversorgungsleitung, die an der Maschinenstruktur (1) befestigt ist, wobei sich die Ölversorgungsleitung (9) in Strömungsverbindung mit einem ringförmigen Ölversorgungssammelraum (11) in einem inneren Lagerabstützring (31) befindet; und eine Schmierölrückleitung, die an der Maschinenstruktur (1) befestigt ist, wobei sich die Ölrückleitung in Strömungsverbindung mit einer Lagerölbadkammer (13) in der Lagergalerie (7) befindet, wobei der innere Lagerabstützring (31) und das äußere Lagergaleriegehäuse (28) mit einer thermischen Separierstruktur (30) dazwischen verbunden und beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsvorrichtung für thermische Bewegung der Lagergalerie aufweist: ein sich radial erstreckendes Öltransferrohr (10) mit einem äußeren Ende, das mit der Ölversorgungsleitung (9) verbunden ist, und einer inneren Schulter, die an einer Ölversorgungsmuffe (15) in dem äußeren Lagergaleriegehäuse (28) befestigt ist; und einen Öltransferrohr-Isolationsverbinder, der an einem inneren Ende des Transferrohrs (10) und an dem inneren Lagerabstützring (31) der Lagerga lerie (7) angeordnet ist, wobei der Öltransferrohr-Isolationsverbinder aufweist: eine sich radial erstreckende Hülse (29) an dem Innenring (31) der Lagergalerie (7) und einen gleitenden O-Ring (16), der mit der Hülse (29) und dem inneren Ende des Transferrohrs (10) zusammenwirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die innere Schulter des Öltransferrohrs (10) und die Ölversorgungsmuffe (15) in der äußeren Lagergalerie (28) miteinander verbundene Gewinde (18) haben, die eine dichte Verbindung definieren.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Schulter und die Ölversorgungsmuffe (15) innerhalb von den Gewinden (18) miteinander zusammenwirkende konische Dichtflächen (32) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Transferrohr (10) einen Mittelbereich (20) aufweist, der zwischen dem O-Ring (16) und der Hülse (29) angeordnet ist, und wobei die Hülse (29) und die Ölversorgungsmuffe (15) radial voneinander beabstandet sind und einen Ölrückleitkanal (21) definieren, der den Mittelbereich (20) des Transferrohrs umgibt und in Strömungsverbindung mit der Lagerölbadkammer (13) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ölrückleitung mit einem Ölrückleitrohr (12) in Kommunikation ist, welches in eine Ölrückleitmuffe (23) in dem Lagergehäuse (28) mit in Eingriff befindlichen Gewinden befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Ölrückleitrohr (12) und die Rückleitmuffe (23) innerhalb von den Gewinden konische Dichtflächen aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der O-Ring (16) ein Perfluorelastomer aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, aufweisend eine Mehrzahl von O-Ringen (16), die an dem Transferrohr (10) in Gleitrelation zu der Hülse (29) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Lagergehäuse (7) eine Kühlluftkammer (25) außerhalb von der Ölbadkammer (13) aufweist, wobei die Kühlluftkammer (25) sich in Verbindung mit einer Quelle für verdichtete Luft über ein Luftversorgungsrohr (26) befindet, welches in einer Luftversorgungsmuffe in dem Lagergehäuse (25) mit ineinander greifenden Gewinden befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Luftversorgungsrohr (26) und die Luftversorgungsmuffe innerhalb von den Gewinden konische Dichtflächen aufweist.