SE465682B - Anordning foer avlastning av trycklager vid en turbinmotor samt ett saett foer dess genomfoerande - Google Patents

Description

465 682 Ett annat syfte är att för en gasturbinmaskin åstadkomma en anordning, som utnyttjar ånga snarare än motorluft eller hydraulvätska. Ännu ett syfte är att åstadkomma ett gasturbinmotorsystem, som tillhanda- håller en ångkälla och organ för att utnyttja ångan för ångkolvsbalansering. Ännu ett ändamål är att åstadkomma en förbättrad metod för att avlasta åtminstone en del av den axiella kraften på ett trycklager under turbinmaskin- drift.

Dessa och andra syften och fördelar kommer att framgå närmare av följande detaljerade beskrivning, ritningarna och utföringsformerna, vilka alla är avsed- da vara typiska snarare än att på något sätt begränsa uppfinningens omfattning.

Sammanfattning av uppfinningen.

Ovanstående syften har uppnåtts genom att anordningen enligt uppfinningen erhållit de i krav 1 angivna kännetecknen.

I korthet åstadkommes genom föreliggande uppfinning i en utföringsform en ångkolvbalanseringsanordning för en turbinmotor, som innefattar en tryckkammare samt organ för att tillföra ånga till tryckkammaren. Kammaren avgränsas av en inre ytdel hos ett element, som är anslutet till och roterar med en rotor, ett på avstånd från den inre ytan beläget icke roterande, andra element, samt tät- ningsanordningar mellan den roterande innerytan och det icke roterande andra elementet. Det finns även anordningar för att införa ånga i kammaren i ändamål att låta ångan utöva en balanserande kraft på rotorn genom den anslutna inner- ytan.

I en annan form finns det organ för att införa ånga från kammaren in i flödesbanan för motorns arbetsfluid. I ytterligare en utföringsform finns ett system med en sådan ångkolvbalanseringsanordning och en ångkälla, tillsammans med anordningar för att tillföra ånga till kammaren.

Vid ytterligare en utföringsform drivs en turbinmaskin med ett trycklager enligt en metod, som innebär att trycksatt ånga riktas mot ett element, exempel- vis en del av en kammare, vilket avlastar åtminstone en del av axialkraften på trycklagret.

Kort beskrivning av ritningarna.

Fig. 1 är en schematisk vy av en relativt enkel form av en gasturbin- maskin med en kraftturbin, och som kan användas tillsammans med föreliggande uppfinning.

Fig. 2 är en delsektionsvy huvudsakligen av kraftturbinsektionen hos en gasturbinmaskin enligt uppfinningen. _ Fig. 3 är en förstorad vy av en del av fig. 2, varav en utföringsform av föreliggande uppfinning framgår.

Beskrivning av föredragna utföringsformer.

Föreliggande uppfinning är särskilt användbar vid industriella gasturbin- maskiner, som utvecklats från gasturbiner för flygmotorer, och anpassats att 'i 465 682 arbeta med ånginjicering. I allmänhet har dessa maskintyper kärnmaskiner med enkel eller dubbel rotor med frigående kraftturbiner. Detta arrangemang skiljer sig från tyngre industriella gasturbinmaskiner av standardtyp för elkraftgenere- ring genom att standardmaskinerna vanligen har enkel axel med fast varvtal, exempelvis 3000 eller 3600 varv per minut. Belastningarna på turbinrotorn axiellt nedströms hos sådana maskiner balanseras i stor utsträckning av axiellt främre eller uppströms uppträdande kompressorrotorkrafter.

Med införandet av maskiner med injicering av högtrycksånga enligt ovan- nämnda patent 4 569 195 och 4 631 914, kan maskinens specifika effekt ökas många gånger exempelvis med en faktor 5, jämfört med de "torra" versionerna, vid vilka ånga ej injiceras. Trycken hos kraftturbinrotorn har ökat till upp till 130.000 kg (285.000 pounds) utgående kraft, resulterande i en ökning 3 - 5 gånger av rotortrycklasterna. Dessa laster överstiger förmågan för konventionella lager för de axelstorlekar som avses. Dessutom kräver konventionella mycket stora lager mycket stora oljemängder i drift och är utsatta för stora friktionsför- luster. Försök att fördela lasten i ett dubbelt eller annat komplext lagerar- rangemang medför många problem med avseende på hur denna fördelning skall åstad- kommas samt dess effektivitet och tillförlitlighet. Genom föreliggande uppfin- ning erhållls ett enklare, effektivt och tillförlitligt alternativ.

Lösningen enligt uppfinningen på detta problem utnyttjar en källa för högtrycksånga, i allmänhet och lämpligen tillgänglig från en avgasvärmepanna som används för att alstra ånga under tryck för injicering i maskinen. Ett sådant arrangemang beskrivs exempelvis i ovannämnda patent 4 569 195. Vid en form av uppfinningen används ångan till att utöva en tryck- eller kolvkraft framåt i förhållande till kraftturbinen. Denna kraft utövas på en yta hos ett element, som är ansluten till och roterar med kraftturbinrotorn. På grund av att dessa element är förbundna med åtminstone en del av trycklagret utövas en dragkraft framåt på trycklagret. Detta avlastar åtminstone en del av den bakre eller ned- ströms lagringskraften, som härrör från kraftturbinens drift.

Med användning av uppfinningen kan en avancerad, ånginjicerad maskin med högt tryckförhållande konstrueras med ett enda lager, som lätt kan uppta rotor- trycklasten under det att det löper torrt - utan ånginjicering. På samma gång kan detta lager ta upp tillräcklig rotortrycklast, exempelvis hälften, när det löper med ånginjicering, i samverkan med den dragkraftutövande ångkolvbalanse- ringsanordningen enligt uppfinningen, för att säkerställa en tillförlitlig och effektiv drift. Detta enkla lager behöver endast konstrueras för att uppta rotortrycklasttillskottet för torr drift, varvid den dragkraftutövande ångkolv- balanseringsanordningen enligt uppfinningen är konstruerad för att ta hand om återstoden av den möjliga rotortrycklasten under ånginjiceringsdrift. 465 682 Fig. 1 visar schematiskt en relativt enkel maskin av ånginjiceringstyp.

Denna och mera komplexa former av denna typ av maskin beskrivs i ovannämnda US patent 4 569 195. En sådan maskin innefattar i serie utefter en arbetsflödesbana en kompressor 12, en förbränningsanordning 14, samt en allmänt med 16 betecknad turbinanordning, vilken innefattar en frilöpande kraftturbin 18, som används för att generera elektrisk eller mekanisk kraft på känt sätt. Kom- pressorn 12 är ansluten till en turbin 20, som driver kompressorn 12 via en axel 22. Kraftturbinen 18, som i allmänhet stöds av den fasta maskinstrukturen genom främre och bakre kraftturbinlager, kan emellertid rotera fritt som funk- tion av genom dess turbinblad expanderande gaser. En mera detaljerad vy av en typ av kraftturbin visas i delsektionsvyn enligt fig. 2. Komprimerad ånga från en källa 23, vanligen i överhettat tillstånd, kan införas i maskinen bakom tur- binen 20 såsom visas i fig. 1.

Med hänvisning till fig. 2 innefattar den allmänt vid 18 visade kraft- turbinen en turbinrotor 25 bestående av ett flertal turbinblad 24, som bärs av hopkopplade, roterande hjul eller skivor 26. Åtminstone en av skivorna, exempel- vis 26a i fig. 2, är genom roterande strukturella element 28 och 30 anslutna till främre och bakre lagrings- och tätningsarrangemang, som visas allmänt vid 32 och 34, på inom tekniken allmänt känt sätt. Fasta ledskenor 36, som bärs av en fast yttre struktur, såsom ett yttre hölje 38, är anordnade mellan de roterande bladen 24. I maskinen enligt fig. 2 visas en lågtrycksturbin 40 uppströms (till vänster i fig.) om kraftturbinen 18, varvid övergången mellan lågtrycksturbinen 40 och kraftturbinen 18 är i närheten av ett fast ihåligt stag 44.

Det roterande elementet 30, som i den bakre delen av kraftturbinen är kopplat till den roterande skivan 6a, är förenat med ett ytterligare struktur- ellt element 50, som hör samman med de roterande delarna av lagringsanordningar- na 34. I fig. 2 visas ett trycklager allmänt vid 52 i lagringsanordningarna 34.

Genom denna allmänna typ av inom tekniken känt arrangemang upptas det bakre axiella nettotrycket från kraftturbinen av trycklagret.

Ett ångsamlingsrör 46, anslutet till en tryckångkälla 23 inleder ånga genom en ledning 48 och det inre av staget 44 till en utföringsform av den dragkraftutövande ångkolvbalanseringsanordningen enligt föreliggande uppfinning, som allmänt visas vid 54 och mera i detalj i fig. 3. I utföringsformen enligt fig. 2 innefattar ledningen 48 en ångflödes-reglerventil 49, som diskuteras i detalj senare. Dessutom är ångledningen 48 förbunden med en luftledning 51 innehållande en luftreglerventil 53, vilken diskuteras mera i detalj senare. 465 682 I delsektionsvyn i fig. 3 innefattar den dragkraftutövande ångkolvbalan- seringsanordningen enligt föreliggande uppfinning en tryckkammare 56 med en roterande inneryta 58 av en del av ett första element 60, vilket är anslutet till och roterar med kraftturbinrotorn 25, såsom visas i fig. 2, genom det roterande strukturella elementet 28. Tryckkammaren 56 avgränsas vidare av ett icke roterande eller stationärt andra element 62, som bärs av det fasta staget 44 och är åtskilt från ytan 58 hos det första elementet 60. Vid utföringsformen enligt fig. 3 utgöres de första och andra elementen 60 och 62 av väsentligen ringformiga, åtskilda element. Tryckkammaren 56 i fig. 3 innefattar vidare tät- ningsorgan 64a och 64b, som i figuren visas som radiellt inre och yttre fluid- tryckfall-tätningar i form av tätningar av labyrinttyp, av det slag som är väl kända och använda inom tekniken. Dylika tätningar är lämpligen ringformiga, Trycksatt ånga, exempelvis under ett tryck, som är åtminstone större än vid ingångsstationen för kraftturbinflöde strax uppströms staget 44 och så stort som erfordras för tryckbalans, från ångkällan 23 i fig. 1, tillförs från gren- röret 46 och ledningen 48 enligt fig. 2 genom det ihåliga inre av staget 44 till en ångledning 66, fig. 3, och därpå till tryckkammaren 56. Ångan verkar sålunda på kammarens väggar att den utövar en kraft på det sätt som en trycksatt fluid verkar i en sådan kammare. På grund av att det roterande elementet 60 hos kam- maren 56 är anslutet genom rotorn 25 till trycklagret 52, såsom tidigar beskriv- its, kommer den på den inre ytan 58 hos det första elementet 60 utövade kraften att överföras som en axiell, framåtriktad dragkraft på trycklagret 52, varigenom åtminstone en del av den axiella bakre kraften på detta lager på grund av maskinens drift avlastas. Därför utövar den en tryckkraft på elementets 60 inneryta 58 utövande ångan i sin tur en dragkraft på trycklagret.

En annan detalj hos den i fig. 3 visade utföringsformen är organ för ledning av ånga från tryckkammaren 56 in i gasturbinmaskinens flödesbana 10 i och för ökning av verkningsgraden, exempelvis såsom beskrives i ovannämnda US patent 4 569 195. Ånga från kammaren 56 strömmar på ett reglerat sätt, exempel- vis genom tätningsanordningarna 64a och 64b, för inledning i maskinens flödes- bana 10 i dess turbinsektion. Denna överföring av ånga kan uppträda från de ra- diellt inre och yttre tätningsanordningarna in i maskinkamrarna 68 och 70 och därpå genom maskinens olika delar och komponenter såsom visas genom pilarna 72a och 72b.

En annan detalj hos utföringsformen enligt fig. 2 är användningen av en ångflödesregleranordning, såsom ventilen 49 i ångledningen 48, eller på något annat ställe i ånginloppsledningen till kammaren 56 om så vore mera lämpligt för att inställa eller reglera flödet av trycksatt ånga in i tryckkammaren 56. Vid 465 682 ett exempel kan en sådan ventil arbeta åtminstone delvis som funktion av förslitningen av tätningsanordningarna 64a och 64b under drift. Denna förslit- ning av tätningarna skulle kunna tendera att medge mer ångflöde från kammaren 56, varigenom trycket i kammaren reduceras och i sin tur reducerar draftkraften eller verkan på trycklagret, såsom 52 i fig. 2. Driften av en sådan flödes- regleranordning, som ventilen 49, kan styras av en mera central regleranordning, till vilken signaler avseende kraft- eller påkänningsnivåer, eller andra till- stånd på lagret 52 kan överföras. Detta kan ske med användning av signalavkän- nings- och överföringsteknik och anordningar, som är väl kända och används i gasturbindelen för avkänning och överföring av drifttillstånd- och parametrar i maskinen och dess tillhörande system.

Ytterligare en detalj av den i fig. 2 visade utföringsformen av förelig- gande uppfinning är införandet av en luftledning 51, som regleras av en luft- regleranordning eller -ventil 53. Detta arrangemang är anordnat för att ta hän- syn till det tillstånd, under vilket maskinen arbetar i det "torra" tillståndet, dvs. utan injicering av ånga för ökning av kraft och verkningsgrad, såsom beskrivs i ovannämnda patent 4 569 195. Under denna "torra" drift kan trycklag- ret 52 uppta axiellt riktad tryckkraft såsom vid en vanlig gasturbinmaskin. Det kan emellertid vara önskvärt att åstadkomma en renande eller trycksatt luft- ström in i kammaren 56 och därpå till kamrarna 68 och 70. När ventilen 49 i led- ningen 48 är stängd och ingen ånga strömmar genom ledningen 48 kan exempelvis ventilen 53 öppnas i önskad utsträckning för att leda tryckluft, lämpligen av- tappad uppströms i maskinen, såsom från kompressorn, genom ledningen 51 och in i kamrarna 56, 68 och 70. 5 Koordination och omfattningen av ventilernas 49 och 53 drift kan ske genom relativt enkla flödesregleranordningar, såsom en omkopplande ventylstyran- ordning 55 i fig. 2. Omkoppling kan exempelvis ingå i en maskinkontroll, som väljer mellan "torr" och ånginjicerande drift, varvid inom gasturbinmotorregler- tekniken välkända medel används. Vidare kan denna delvis eller fullständiga omkoppling ånga/luft programmeras in i regleranordningen 55 på olika sätt. Den kan exempelvis variera som funktion av oljepumptrycket hos kraftturbinrotorns trycklager, dvs. ångtillförseln till ångkolven kan reduceras när belastningen på kraftturbinens trycklager ligger under den nominella. Vid en annan utföringsform kan förhållandet mellan ångrumstrycket och gasflödestrycket vid kraftturbinin- loppet inställas genom strypning av ångventilen i och för reglering av rotorns dragkraftbestämmande tryckbehov.

Jämförande beräkningar har gjorts mellan den föreliggande uppfinningen och den väntade funktionen hos mer komplexa mekaniska lager, såsom anpassade par 465 682 av lastdelande lager, vilka skulle behöva konstrueras för de ovan beskrivna hög- lasttillstånden under ånginjiceringsdrift. De jämförande beräkningarna har visat att den föreliggande uppfinningen har omkring samma termiska verkningsgrad utan att uppvisa de risker och effektförluster, som hör ihop med denna typ av komple- xa mekaniska lagringsanordningar. Likaså har jämförande beräkningar visat att den föreliggande uppfinningen har omkring samma inverkan på den termiska verk- ningsgraden som vid denna typ av komplexa mekaniska koniska lastdelande rull- lager, uppvisande ungefär 1 % effektförlust men utan medföljande risker. Det är ett tillförlitligare system med pålitligare livslängdsförutsägelse. Det elimi- nerar hanteringen av ett stort oljeförråd och pumpar, såsom krävs vid andra system.

Användningen av flödesregleranordningen 55 och dess koordinering av tryckångflödet, såsom från källan i fig. 1, genom ledningen 48, och tryckluft- flödet genom ledningen 51 är allmänt en funktion av maskinens drift. Ett exempel är om maskineffekten minskas, t.ex. genom övergång från ånginjicering mot "torr" eller ingen ångdrift. Regleranordningen 55 kan styra luftventilen 53 och ångven- tilen 49 att arbeta för att strypa de resp. trycken individuellt så att ångtryc- ket reduceras vid konstant totalentalpi, och ångövertrycket ökar. På detta sätt kommer blandning av den överhettade högtrycksångan och kallare luft ej att med- föra kondensering. Ett annat exempel är om motoreffekten ökas, såsom genom över- gång från "torr" drift, med reningsluft, mot ånginjiceringsdrift. Tryckluftkäl- lan kan väljas så att den ligger vid en tillräckligt hög temperatur för att und- vika kondensation när överhettad ånga tillförs. Dylik reglering och koordination kan ske med användning av den inom turbinmaskintekniken kända tekniken för cykelkonstruktion och -avkänning, ledning och omkoppling.

Claims (16)

465 682 8 Patentkrav.

1. Anordning vid en turbinmotor med en fierstegsturbin för att avïasta åtminstone en de) av en axie11t bakre kraft från ett i maskinen ingående tryck- Iager (52), k ä n n e t e c k n a d av att den utgöres av en dragkraftutövande ångkoivbaïanseringsanordning, som innefattar en tryckkammare (56) med en roter- ande inre yta (58), som avgränsas av åtminstone en de1 av ett första eïement (60), som är ansïutet ti11 och roterar med en roterande de1 av tryckïagret (52), samt att organ (46,48,44) är anordnade att tiiïföra trycksatt ånga ti11 tryckkammaren (56) och mot den inre ytan (58) för att på densamma utöva en axieïit framåtriktad tryckkraft och därmed i sin tur en axieiït framåtriktad dragande kraft på tryckïagret (52), samt att organ är anordnade för att ïeda ånga från tryckkammaren (56) in i en fïödesbana (10) för turbinmaskinens arbetsfiuid.

2. Anordning eniigt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda ångïedande organ innefattar organ för att ïeda åtminstone en de) av ångan in i det första turbinsteget.

3. Anordning enligt krav 1, vid viïken tryckïagret (52) axie11t stödjer en rotor (25), k ä n n e t e c k n a d av att det första eïementet (60) är ansïutet ti11 och roterar med rotorn, att ett icke roterande andra eïement (62) är anordnat åtskiït från den inre ytan, och att tätningsanordningar (64a,b) är anordnade me11an den roterande inre ytan (58) och det icke roterande eiementet (62), varvid den roterande inre ytan är anordnad axie11t framför det icke roterande e1ementet.

4. Anordning eniigt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att ångan från tryckkammaren (56) 1eds genom tätningsanordningarna (64a,b).

5. Anordning eniigt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att tätnings- anordningarna (64a,b) innefattar ett par tryckfaïïstätningar av 1abyrinttyp.

6. Anordning eniigt något av krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att de första och andra eiementen (60,62) är väsentïigen ringformiga, åtskiïda eiement, som bärs av roterande resp. icke roterande deïar av maskinen och tiïïsammans med tätningsanordningarna (64a,b) avgränsar en väsentïigen ringformig tryckkammare (56), och att tätningsanordningarna (64a,b) utgöres av radie11t inre och yttre fïuidtrycksfaïïstätningar anordnade att regiera ångfïödet från tryckkammaren.

7. Anordning enïigt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att organ för tiïïförseï av trycksatt ånga tiil tryckkammaren (56) innefattar ångfiödes- regleringsorgan (49) för regïering av ångfiödet ti11 tryckkammaren åtminstone som funktion av maskinens drift. 9 465 82

8. Anordning enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av organ (51) för tillförsel av tryckluft till tryckkammaren (56), luftflödesreglerorgan (53) för reglering av flödet av tryckluft till tryckkammaren, samt en flödesregleranord- ning (55), som är ansluten till nämnda ångflödesreglerorgan (49) och luftflödes- reglerorgan (53) för att koordinera strömmen av ånga och luft till tryckkammaren som funktion av maskinens drift.

9. Anordning enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda ångledande organ innefattar organ för att leda åtminstone en del av ångan in i det första turbinsteget.

10. Sätt vid drift av en axialflödes-gasturbinmotor med en flerstegstur- bin, en axiellt bakåtriktad flödesbana för arbetsfluid, samt ett trycklager, som under drift är utsatt för en axiellt bakåtriktad kraft, k ä n n e t e c k n a t av att ånga från en tryckångkälla riktas mot ett med trycklagret förbundet element i ändamål att anbringa en tryckkraft på elementet axiellt framåt för att avlasta åtminstone en del av den axiellt bakåtriktade kraften, samt att ånga bringas att strömma från tryckkammaren in i flödesbanan för arbetsfluid.

11. Sätt enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a t av att ångan efter att ha anbringats mot elementet leds in i flödesbanan för arbetsfluid.

12. Sätt enligt krav 10, vid vilket elementet avgränsar åtminstone en del av en tryckkammare, k ä n n e t e c k n a t av att ångan riktas in i tryckkam- maren och mot elementet, trycksatt luft från en lufttryckkälla riktas in i tryckkammaren, samt flödet av trycksatt luft och trycksatt ånga in i tryckkam- maren styrs och koordineras som en funktion av maskinens drift.

13. Sätt enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a t av att flödet av luft och flödet av ånga styrs och koordineras vid minskning av maskineffekten så att ångtrycket minskar vid konstant total entalpi och ångans överhettning ökas.

14. Sätt enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a t av att luftflödet och lufttemperaturen samt ångflödet regleras med ökning av maskineffekten för att undvika kondensation på grund av ångan.

15. Sätt enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a t av att ångan som riktas mot elementet, som avgränsar åtminstone en del av en tryckkammare, för att avlasta axiellt bakåtriktad kraft från trycklagret, varieras till sin mängd som en direkt funktion av mängden ånga, som strömmar från tryckkammaren.

16. Sätt enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a t av att för övergång av maskindriften mellan ånginjicering och utan ånginjicering riktas ångan in i tryckkammaren och mot elementet för maskindrift vid ånginjicering, samt att flödet av trycksatt luft och trycksatt ånga är en funktion av övergången av maskindriften mellan ånginjicering och utan ånginjicering.