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Lagerung für Gasturbinenläufer mit Wärmeschutz Die Erfindung bezieht
sich auf die Lagerung für Gasturbinenläufer.
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Es liegt im Wesen des Betriebes einer Gasturbine, .daß der Gasturbinenläufer
von .dem Treibmittel eine beträchtliche Wärmemenge aufnimmt.
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Bei bekannten Ausführungsformen wird ein erheblicher Teil dieser Wärme
auf die Turbinenwelle: übertragen. Zur Vermeidung einer unzulässigen Erhöhung der
Wellentemperatur wurde bereits vorgeschlagen, die von der Turbinenwelle aufgenommene
Wärme durch ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel, welches innerhalb der hohl
ausgebildeten Turbinenwelle entlang strömt, abzuführen. Auch ist es bekannt, zwischen
Gasturbinenläufer und Wellenlager ein Gebläse anzuordnen, durch welches eine zusätzliche
Kühlung ,der Turbinenläuferscheibe ermöglicht werden soll. Es ist ferner bekannt,
zwischen Turbinenläufer und Wellenlager einen besonderen Wellenkühlraum anzuordnen,
wobei die Welle an :der Stelle des Kühlraumes mit geringem Spiel von einer Buchse
umgeben ist, in welcher Druckwasser fließt, das die von der Welle aufgenommene Wärme
ableiten soll. Aus dem Bau radial durchströmter Gasturbinen ist es bekannt, das
Gasturbinenlaufrad gegenüber den Einwirkungen des heißen Treibmittels durch eine
Scheibe aus wärmebeständigem Werkstoff zu schützen. Eine solche Scheibe stellt jedoch
nur
einen Oberflächenschutz ..des Laufrades gegen Verzunderüng infolge
der hohen Trebmitteltemperaturen dar und ist wegen ihrer guten Wärmeleitfähigkeit
nicht dazu geeignet, auch den Wärmeübergang vom Treibmittel auf,dasLaufrad zu verhindern
oder herabzusetzen-.
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rotz dieser- genannten Maßnahmen gelingt es jedoch nicht, insbesondere
bei Gasturbinen höherer Leistung, die auf die Turbinenwelle übertragene schädliche
Wärme restlos aus der Turbinenwelle zu entfernen, so daß Wellenbrüche infolge zu
hoher Temperatur der Turbinenwelle und Lagerbeschädigungen infolge Klemmeis immer.
wieder auftreten.
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Diese Nachteile sollen gemäß der Erfindung dadurch behoben werden,
daß zwischen dem Läufer und der Turbinenwelle eine Buchse aus einem Werkstoff schlechten
Wärmeleitvermögens angeordnet ist. Da es zur Zeit noch keinen wärmeisolierenden
Werkstoff gibt, dessen Festigkeit ausreicht, um auch das Drehmoment aufzunehmen
und weiterzuleiten, kann die Übertragung des Drehmomentes vom Läufer auf die TurbinenwelIe
zunächst nicht durch die Buchse selbst erfolgen. Zur Überwindung dieser Schwierigkeit
wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, eine seitlich des Läufers angeordnete,
auf der Turbinenwelle umdrehbar befestigte Muffe vorzusehen, die mit der Nabe des
Läufers drehmömerntübertragend in Verbindung steht. Das kann beispielsweise dadurch
geschehen, .daß die Muffe einerseits durch eine seitlich an ihr angeordnete Stirnverzahnung
mit einer an der entsprechenden Seite der Läufernabe angeordneten Stirnverzahnung
umdrehbar im Eingriff steht und andererseits über eine auf der Welle außen angebrachte
Außenkerbverzahnung und eine in der Muffe angeordnete Innenkerbverzahnüng mit der
Turbinenwelle umdrehbar verbunden ist.
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Es ist zwar bei Laufrädern von Kreiselmaschineu, welche chemischen
Angriffen ausgesetzt sind (Säurepumpen), bekannt, ,zwischen Laufrad und Welle eine
Buchse aus chemisch nicht angreifbarem Baustoff einzusetzen. Eine solche Ausführungsform
ist -jedoch zur Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung nicht geeignet.
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Nachdem es durch hie Erfindung gelingt, die Welle einer Gasturbine
mit genügender Sicherheit hinreichend vor Wärmebeanspruchungen durch das Treibmittel
zu schützen, bietet sich die Möglichkeit zur Schaffung einer außerordentlich leichten
Gasturbinenleistungsübertragung, wie sie beispielsweise beim Antrieb des Laders
eines Flugzeugmotors durch eine Abgasturbine seit langem erstrebt wird. Da für die
Welle die Gefahr der Verwerfung infolge übermäßiger Erwärmung nicht mehr besteht,
ist es möglich, .die Turbinenwelle besonders dünnwandig herzustellen und sie nicht
zur Übertragung des Drehmomentes heranzuziehen: Das geschieht in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung dadurch, @daß die Turbinenhohlwelle in dem gleichen Wellenabschnitt,
in welchem sich außen die Außenkerbveräahnung#befindet, mit einer Innenkerbverzahnung
versehen ist, :derart, daß das Wellendrehmoment nur innerhalb der .durch die beiden
Verzahnungen begrernzten 'Zone der Turbinenwelle radial übertragen wird und daß
in die Innenkerbverzahnung der nicht mit dem Leistungsverbraucher unmittelbar verbundenen
und kein Drehmoment übertragenden Turbinenwelle das eine mit einer Außenkerbverzahnung
versehene Ende einer Arbeitswelle eingreift, die mit ihrem anderen Ende mit dem
Leistungsverbraucher in Wirkverbindung steht. Die durch diese Ausführungsform .einer
Gasturbinenleistungsübertragung erzielte Gewichtsersparnis ist bedeutend.
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Zur weiteren Vervollkommnung dererfinderischen Lösung wird noch vorgeschlagen,
:daß zwischen .dem Läufer und dem Lager ein Ring aus einem Werkstoff schlechten
Wärmeleitvermögens angeordnet .ist, der einen an seine Innenseitenfläche sich stumpf-
oder spitzwinklig anschließenden schirmartigen Fortsatz hat, derart, daß die vom
Turbinenläufer unmittelbar oder mittelbar ausgehende Wärmestrahlung abgelenkt und
auf das Maschinengehäuse geworfen (reflektiert) wird.
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Der Vorteil der Erfindung liegt in. der Erhöhung der Betriebssicherheit
einer Gasturbinenanlage. Durch die erfindungs.gemäßeAnordnung von wärmeisolierenden
Einrichtungen gelingt es, :die sowohl durch Wärmeleitung als auch durch Wärmestra'hlung
hervorgerufene unzulässige Erwärmung der Turbinenwelle zu unterbinden. Ein weiterer
Vorteil der Erfindung liegt darin, daß es möglich ist, die Turbinenwelle hohl auszuführen,
wobei die Wandstärke der Hohlwelle erheblich unter den üblichen Abmessungen liegen
kann, weil die Turbinenwelle weder zur Übertragung ,des Drehmomentes @herangeszogen
noch durch Wärmespannung belastet wird. Insbesondere in dem Falle, wo es auf leichtes
Gewicht einer Gasturbinenleistungsübertragung ankommt, wie beispielsweise bei der
Übertragung der Abgasturbinenleistung eines Flugmotors auf .den Lader, ergibt die
Anwendung dererfindungsmäßi.gen AusführungsformeineerheblicheGewichtsersparnis.
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Es ist zwar bekannt, das Drehmoment einer Turbine auf eine als Sperrvorrichtung
ausgebildete Hohlwelle zu übertragen, ,die an ihrem Ende mit einer Innenverzahnung
und etwa in der Mitte ihrer Erstreckung mit einer Außenverzahnung versehen ist.
Eine solche Hohlwelle ist jedoch zur Lösung der vorliegenden Erfindungsaufgabe nicht
:geeignet, da .die beiden Verzahnungen -in einem das Drehmoment in Längsrichtung
weiterleitenden Abstand voneinander angeordnet sind.
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Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und zwar
den Mittellängsschnitt durch einen Turbinenläufer dar. Auf der dünnwandigen Turbinenwelle
i ist der Turbinenläufer 2 unter Zwischenschaltung der aus einem die Wärme schlecht
leitenden Werükstoff bestehenden Buchse 3 drehbar befestigt. Zur Übertragung des
Drehmomentes vom Läufer :2 auf die Turbinenwelle i ist eine Muffe q. angeordnet,
die einerseits durch eine seitlich an ihr angeordnete Stirnverzahnung 6a mit einer
an der entsprechenden Seite der Läufernabe 2a vorgesehenen Stirnverzahnung 6b undrehbar
im
Eingriff steht und andererseits über eine auf der Welle außen angebrachte Außenkerbverzahnung
5a und eine in der Muffe q. angeordnete Innenkerbverizahnung 5b mit der Turbinenwelle
uridrehbar verbunden ist. Die Turbinenwelle i ist bei 7 und 8 gelagert. Das Gehäuse
der Gasturbine ist durch die Ringdichtungen 1o nach außen abgedichtet. Zwischen
diesen Ringdichtungen 1o und den Lagern 7 und 8 sind Ringe i i aus einem Werkstoff
schlechten Wärmeleitvermögens angeordnet. jeder dieser Ringe i i hat an seiner Innenseite
einen sich stumpf- oder spitzwinklig anschließeniden schirmartigen Fortsatz 15,
durch welchen die vom Turbinenläufer unmittelbar oder mittelbar ausgehende Wärmestrahlung
abgelenkt und auf das Maschinengehäuse .geworfen wird.
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Die hohle Turbinenwelle i ist in dem Teil, an welchem sich außen die
Kerbverzahnung 5a befindet, mit einer Innenkerbverzahnung 5c versehen. In diese
Kerbverzahnung greift die Außen'kerbverzahnung 5d einer das Drehmoment übertragenden
Arbeitswelle 9 ein. Die Arbeitswelle 9 ibesitzt an ihrem dem Laufrad des Laders,
12 zugekehrten Ende eine Kerbverzahnung 12a, welche mit einer in der Bohrung 14.
des Laderlaufrades 12 angeordneten Kerbverzaihnung 12b ebenfalls im Eingriff steht.