WO2017148891A1

WO2017148891A1 - Gasturbinensystem

Info

Publication number: WO2017148891A1
Application number: PCT/EP2017/054563
Authority: WO
Inventors: Moritz Nett; Dr. Josip KUTNJAK; Urs Ertel; Dr. Axel WIDENHORN; Fabian Uhlig; Philipp Biewer
Original assignee: Dürr Systems Ag
Priority date: 2016-03-04
Filing date: 2017-02-28
Publication date: 2017-09-08
Also published as: DE102016203615A1; DE112017001143A5

Abstract

In einem Gasturbinensystem (10) mit einer mit Heißgas beaufschlagbaren Turbine (12) mit einem Turbinenrad (18), mit einer Brennkammer (14) zum Erzeugen von Heißgas für die Turbine (12) und mit einem Verdichter (24) mit einem Verdichterrad (26) für das Erzeugen von in die Brennkammer (14) zuführbarer verdichteter Ansaugluft gibt es ein an dem Verdichterrad (26) ausgebildetes verdichterseitiges Zentrierorgan (66) und ein turbinenseitiges, an dem Turbinenrad (18) ausgebildetes Zentrierorgan (68), das zu dem verdichterseitigen Zentrierorgan (66) komplementär ist und das mit dem turbinenseitigen Zentrierorgan (68) eine Zentrierpassung bildet, die das Verdichterrad (26) und das Turbinenrad (18) relativ zueinander um eine gemeinsame Drehachse (16) zentriert.

Description

Gasturbinensystem Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Gasturbinensystem mit einer mit Heißgas beaufschlagbaren Turbine mit einem Turbinenrad, mit einer Brennkammer zum Erzeugen von Heißgas für die Turbine und mit einem Verdichter mit einem Verdichterrad für das Erzeugen von in die Brennkammer zuführbarer verdichteter Ansaugluft.

Gasturbinensysteme werden insbesondere für das Erzeugen von elektrischer Energie in Kleinkraftwerken eingesetzt. Hier werden Turbinen in der Regel mit sehr hohen Drehzahlen des Turbinenrads betrieben, die um die 50.000 U/min oder auch mehr betragen. Um zu erreichen, dass der Ver- schleiß des Turbinenrads beim Betreiben des Gasturbinensystems möglichst gering ist, ist eine präzise Lagerung des Turbinenrads erforderlich.

Aus der WO 01/86130 A1 ist ein Gasturbinensystem der eingangs genannten Art bekannt, das einen Generator mit einer Generatorwelle enthält, an die eine Einlaufwelle angeschlossen ist, die sowohl das Turbinenrad der Gasturbine als auch das Verdichterrad des Verdichters frei trägt. Das Verdichterrad hat hier einen Anschlussflansch, an den das Turbinenrad angeschlossen ist. Das Turbinenrad wiederum ist mit dem an die Einlaufwelle fest angelegten Verdichterrad verbunden. Z. B. nach Revisionsarbeiten an dem Turbinenrotor ist es hier für den unwuchtarmen Betrieb des Gasturbinensystems erforderlich, dass das Verdichterrad des Verdichterrotors zunächst zu der Einlaufwelle zentriert wird und im Anschluss daran das Turbinenrad des Turbinenrotors zu dem Verdichterrad. Dabei wird unter dem Zentrieren einer Baugruppe relativ zu einer anderen Baugruppe um eine Achse der Vorgang des zueinander koaxialen Anordnens der Hauptträgheitsachsen der Baugruppen zu der Achse verstanden. Zu bemerken ist, dass die Hauptträgheitsachsen des Verdichterrads und des Turbinenrads im Regelfall auch Symmetrieachsen dieser Baugruppen sind. Bei dem in der WO 01/86130 A1 beschriebenen Aufbau für ein Gasturbinensystem besteht insbesondere das Problem, dass sich etwaige Zentrierungsfehler durch die Verkettung der Toleranzen addieren. Darüber hinaus besteht bei bekannten Gasturbinensystemen das Problem, dass die bei hohen Turbinendrehzahlen auftretenden Materialbelastungen in Positionierungsbohrun- gen in einem Turbinenrad und/oder in einem Verdichterrad überhöht sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gasturbinensystem bereitzustellen, das bei lediglich geringem Wartungs- und/oder Montageaufwand einen unwuchtarmen Betrieb ermöglicht und das einen kompakten Aufbau hat.

Diese Aufgabe wird mit dem in Anspruch 1 angegebenen Gasturbinensystem gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. In dem erfindungsgemäßen Gasturbinensystem gibt es ein an dem Verdichterrad ausgebildetes verdichterseitiges Zentrierorgan und ein turbinenseiti- ges, an dem Turbinenrad ausgebildetes Zentrierorgan, das zu dem verdichterseitigen Zentrierorgan komplementär ist und das mit dem turbinenseitigen Zentrierorgan ein Zentriermittel bildet, die das Verdichterrad und das Turbi- nenrad relativ zueinander um eine gemeinsame Drehachse zentriert.

Das verdichterseitige Zentrierorgan kann dabei einen Abschnitt mit wenigstens einer verdichterseitigen Passfläche haben und das turbinenseitige Zentrierorgan einen Abschnitt mit wenigstens einer turbinenseitigen Passflä- che, die zu der wenigstens einen verdichterseitigen Passfläche weist. Zu bemerken ist, dass unter dem Begriff der Passfläche einer Baugruppe vorliegend eine Fläche verstanden wird, die mit einer Passfläche einer anderen Baugruppe zusammenpasst. Die eine Baugruppe und die andere Baugruppe bilden dann eine Passung, d. h. es besteht hier eine maßliche Bezie- hung zwischen den Baugruppen. Die beiden Baugruppen können grundsätzlich toleranzbehaftet sein und z. B. das gleiche Nennmaß aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass die Lage und Größe der Toleranzfelder für die Baugruppen unterschiedlich sind. Um in einem Gasturbinensystem eine Zentrierung einzelner Baugruppen zueinander zu gewährleisten, müssen die von den Baugruppen gebildeten Passungen bei unterschiedlichen Temperaturen und/oder unterschiedlichen Drehzahlen spielfrei sein. Von Vorteil ist es, wenn das verdichterseitige Zentrierorgan nach der Art eines Hohlzylinders eine Hülsenform hat und auch das turbinenseitige Zentrierorgan nach der Art eines Hohlzylinders hülsenförmig gestaltet ist. Auf diese Weise lässt sich erreichen, dass der Wärmefluss in der axialen Richtung aus der Turbine in den Verdichter gering gehalten werden kann. Der von einem Wärmestrom aus der Turbine in den Verdichter durchsetzte Materialquerschnitt hat dann nämlich bei dem verdichterseitigen Zentrierorgan und dem turbinenseitigen Zentrierorgan eine Engstelle.

Eine Idee der Erfindung ist es, dass die wenigstens eine turbinenseitige Passfläche und die wenigstens eine verdichterseitige Passfläche eine Spielpassung oder eine Übergangspassung bilden. Auf diese Weise wird das einfache Montieren des Gasturbinensystems gewährleistet. Insbesondere ist es eine Idee der Erfindung, dass in wenigstens einem Gasturbinensystem- Betriebszustand, in dem die Turbine mit Heißgas beaufschlagt wird, die tur- binenseitige Passfläche wenigstens abschnittsweise an der verdichterseitigen Passfläche mit Flächenkontakt anliegt. Die verdichterseitige Passfläche kann insbesondere wenigstens abschnittsweise als eine Mantelfläche eines zu der Drehachse konzentrischen Rotationskörpers ausgebildet sein. Insbesondere kann die turbinenseitige Passfläche wenigstens abschnittsweise als eine Mantelfläche eines zu der Drehach- se konzentrischen Rotationskörpers ausgebildet sein. Z. B. ist es möglich, dass die turbinenseitige Passfläche der Drehachse zugewandt oder von der Drehachse abgewandt ist. Entsprechend ist die verdichterseitige Passfläche dann von der Drehachse abgewandt oder der Drehachse zugewandt. Insbesondere ist es möglich, dass das verdichterseitige Zentrierorgan mit dem tur- binenseitigen Zentrierorgan eine selbstzentrierende Stirnverzahnung, insbesondere eine Hirth-Verzahnung bildet. Darüber hinaus ist es möglich, dass das verdichterseitige Zentrierorgan als ein Nutenabschnitt in dem Verdichterrad ausgebildet ist und das turbinenseitige Zentrierorgan ein mit dem Turbinenrad drehfest verbundener und in das Verdichterrad ragender Wellenkör- per ist, der einen zu dem Nutenabschnitt komplementären Nasenabschnitt hat, oder dass das turbinenseitige Zentrierorgan als ein Nutenabschnitt in dem Turbinenrad ausgebildet ist und das verdichterseitige Zentrierorgan ein mit dem Verdichterrad drehfest verbundener und in das Verdichterrad ragender Wellenkörper ist, der einen zu dem Nutenabschnitt komplementären Na- senabschnitt hat.

Ein erfindungsgemäßes Gasturbinensystem kann als eine Mikrogasturbine gestaltet sein. Unter einer Mikrogasturbine wird vorliegend ein Gasturbinensystem mit einer kleinen, schnelllaufenden Turbine verstanden, das niedrige Brennkammerdrücke und Brennkammertemperaturen aufweist. Die Leistung einer Mikrogasturbine kann weniger als 300 kW betragen und liegt in der Regel zwischen 25 kW und 100 kW. Die Bauform von Mikrogasturbinen ist eine Abwandlung der Bauform von konventionellen Industriegasturbinen. Eine Mikrogasturbine enthält einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Wie eine Industriegasturbine arbeitet eine Mikrogasturbine nach dem sogenannten Joule- bzw. Braytonprozess. Entsprechend diesem Pro- zess wird aus der Umgebung Luft angesaugt und in einem Verdichter komprimiert. Die verdichtete Luft wird dann einer Brennkammer zugeführt, in der aufgrund der Zugabe von Brennstoff, z. B. Gas oder Öl, eine Verbrennungsreaktion erfolgt, bei der sogenanntes Rauchgas entsteht. Dieses Rauchgas wird dann in der Turbine der Mikrogasturbine entspannt. Die Turbine treibt einerseits den Verdichter und andererseits z. B. einen Generator für die Stromerzeugung an.

In einer Mikrogasturbine verlässt das entspannte Rauchgas die Turbine mit einem Abgasstrom, dessen Temperatur in dem Bereich zwischen 400 °C und 700 °C liegt. Die in dem Abgasstrom der Mikrogasturbine enthaltene Restwärme wird regelmäßig als Prozesswärme genutzt, z. B. als Prozesswärme für das Aufheizen von Wasser. Anders als eine Industriegasturbine enthält eine Mikrogasturbine regelmäßig einen Rekuperator. Ein Rekuperator ist ein Wärmetauscher, der mittels Abwärme aus dem Abgas der in der Mikrogasturbine angeordneten Turbine verdichtete Luft vorheizt, die für das Verbrennen mit einem Kraftstoff einer Brennkammer zugeführt wird. Aufgrund des Rekuperators ist die Mikrogas- turbine ein Gasturbinensystem, das im Vergleich zu konventionellen Industriegasturbinen in dem Leistungsbereich zwischen 25 kW und 500 kW mit einem höheren elektrischen Wirkungsgrad betrieben werden kann. Durch das Vorheizen der verdichteten Luft ermöglicht der Rekuperator, dass die im Abgas enthalten Wärmemenge teilweise wieder dem Gasturbinenprozess zuge- führt wird.

In einem erfindungsgemäßen, als eine Mikrogasturbine ausgebildeten Gasturbinensystem kann optional vorgesehen sein, dass die Verbrennungsluft über einen Generator in die Mikroturbine eintritt, um diesen zu kühlen. In ei- nem erfindungsgemäßen Gasturbinensystem kann optional auch vorgesehen sein, dass die Verbrennungsluft in einem Radialverdichter auf etwa 4 bar komprimiert wird. Insbesondere kann in einem erfindungsgemäßen Gasturbi- nensystem vorgesehen sein, dass die komprimierte Verbrennungsluft mittels des Rekuperators vorgewärmt wird, um einen guten elektrischen Wirkungsgrad trotz niedriger Spitzentemperaturen zu erzielen. Die heißen Verbrennungsgase werden hier dann als Rauchgas in der Turbine entspannt, wodurch der Verdichter und der Generator angetrieben werden. Nachdem das Rauchgas einen Teil seiner Wärmeenergie in dem Rekuperator abgegeben hat, verlässt es die Mikrogasturbine.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass aus der in dem Rauchgas aufgenommenen Restwärme zusätzlich Prozesswärme gewonnen wird.

Bevorzugt sind in einem erfindungsgemäßen Gasturbinensystem der Generator, die Turbine und der Verdichter auf eine gemeinsame Welle montiert. Mittels eines solchen Gasturbinensystems kann dann z. B. bei einer Wellendrehzahl von etwa 96.000 U/min hochfrequenter Wechselstrom mit einer Frequenz von 1 .600 Hz erzeugt werden. Für das Gleichrichten dieses Wechselstroms kann ein erfindungsgemäßes Gasturbinensystem eine Leistungselektronik enthalten, die diesen Strom gleichrichtet und dann z. B. einen Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz und einer Spannung von 400 V bereitstellt.

Von Vorteil ist es, wenn der Generator in einem erfindungsgemäßen Gasturbinensystem einerseits als ein Elektromotor und andererseits als ein elektri- scher Energieerzeuger betrieben werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, dass der Generator zum Starten des Gasturbinensystems als ein Elektromotor eingesetzt werden kann, der die Turbine antreibt, bis diese eine bestimmte Startdrehzahl hat. In diesem Betriebszustand muss das Gasturbinensystem elektrische Energie aus einem Stromnetz oder aus Akkumulato- ren erhalten. Dieser Motorbetrieb erfolgt solange, bis die mit der Turbine erzeugte Bewegungsenergie groß genug ist, dass damit der Energieverbrauch des Verdichters kompensiert werden kann. Es ist deshalb möglich, ein sol- ches Gasturbinensystem sowohl in einem sogenannten Netzparallel- als auch in einem sogenannten Inselbetrieb zu nutzen. Bei Netzparallelbetrieb wird die Energie zum Starten der Turbine aus dem Netz bezogen. Bei Inselbetrieb muss diese Energie mit Akkumulatoren bereitgestellt werden. Daher ist es von Vorteil, wenn das Gasturbinensystem auch Akkumulatoren enthält. Diese Akkumulatoren können dann z. B. für den Betrieb des DC/AC/DC- Wandlers genutzt werden.

Aufgrund der Möglichkeit, die Leistung eines erfindungsgemäßen Gasturbi- nensystems über die Drehzahl der Turbine zu regeln, kann bei einem erfindungsgemäßen Gasturbinensystem auch der Massenstrom bei Bedarf geregelt werden. Durch Regeln des Massestroms ist es möglich, die Temperatur der Brennkammer über weite Lastbereiche in einem thermodynamisch optimalen Auslegungspunkt zu halten. Ein als eine Mikrogasturbine ausgebilde- tes, erfindungsgemäßes Gasturbinensystem kann deshalb auch bei Teillast mit einem Wirkungsgrad betrieben werden, der sehr viel größer ist als der Wirkungsgrad eines Gasmotors.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Gasturbinensystems ist vorgese- hen, dass die Generatorwelle zusätzlich auch das Verdichterrad frei trägt. Ein Gedanke der Erfindung ist insbesondere, in einem Gasturbinensystem den Turbinenrotor der Turbine, das Verdichterrad des Verdichters und den Läufer des elektrischen Generators auf einer gemeinsamen Welle so aufzunehmen, dass die Turbine und der Verdichter sich thermisch ausdehnen können, ohne dass die Zentrierung einzelner Baugruppen verloren geht oder sich mit der Zeit verschlechtert.

Der Verdichter kann dabei zwischen dem elektrischen Generator und der Turbine angeordnet sein. Bevorzugt weist der Generator in dem Gasturbi- nensystem ein den Läufer und den Stator umgebendes Generatorgehäuse mit einem auf einer der Turbine zugewandten Seite des Läufers angeordneten ersten Lager sowie einem auf einer der Turbine abgewandten Seite des Läufers angeordneten zweiten Lager für die Generatorwelle auf. Das erste Lager und das zweite Lager können dabei jeweils als ein Radiallager für die Generatorwelle ausgebildet sein. Das Verdichterrad und das verdichterseitige Zentrierorgan bilden bevorzugt ein einstückiges Bauteil. Das Verdichterrad in dem Gasturbinensystem kann insbesondere einen Verdichterschaufeln aufnehmenden Nabenabschnitt mit einer Strömungsführungskontur aufweisen und einen mit dem Zentrierorgan und dem Nabenabschnitt verbundenen Kraftflussentkopplungsabschnitt ent- halten, der das Einleiten von in der radialen Richtung in Bezug auf die Drehachse wirkenden Fliehkräften aus dem Nabenabschnitt in das Zentrierorgan unterbindet oder zumindest abschwächt. Von Vorteil ist es, wenn an dem Kraftflussentkopplungsabschnitt zwischen dem Zentrierorgan und dem Nabenabschnitt ein axialer Freistich ausgebildet ist.

Auch das Zentrierorgan kann eine der Drehachse zugewandte Passfläche aufweisen. Insbesondere kann das Turbinenrad einen Turbinenschaufeln aufnehmenden Nabenabschnitt mit einer Strömungsführungskontur aufweisen und einen Anschlussabschnitt für das Zentrierorgan an den Nabenab- schnitt haben, wobei das Zentrierorgan zylinderförmig ist und eine von der Drehachse abgewandte Passfläche hat, und der Anschlussabschnitt als ein verrundeter Übergang ausgehend von dem Zentrierorgan zu dem Nabenabschnitt ausgebildet ist. Das Turbinenrad und das turbinenseitige Zentrierorgan bilden bevorzugt ein einstückiges Bauteil, d. h. dass das Zentrierorgan dann eine mit dem Nabenabschnitt des Turbinenrads stoffschlüssig verbundene Baugruppe ist, die hiervon nicht zerstörungsfrei getrennt werden kann. Das Turbinenrad weist bevorzugt einen Turbinenschaufeln aufnehmenden Nabenabschnitt mit einer Strömungsführungskontur auf und enthält einen mit dem Zentrierorgan und dem Nabenabschnitt verbundenen Kraftflussentkopp- lungsabschnitt, der das Einleiten von in der radialen Richtung in Bezug auf die Drehachse wirkenden Fliehkräften aus dem Nabenabschnitt in das Zentrierorgan unterbindet oder zumindest abschwächt. Von Vorteil ist es, wenn an dem Kraftflussentkopplungsabschnitt zwischen dem Zentrierorgan und dem Nabenabschnitt ein axialer Freistich ausgebildet ist. Das Zentrierorgan kann dabei eine der Drehachse zugewandte Passfläche aufweisen. Hier ist es auch möglich, dass das Verdichterrad einen Verdichterschaufeln aufnehmenden Nabenabschnitt mit einer Strömungsführungskontur aufweist und einen Anschlussabschnitt für das Zentrierorgan an den Nabenabschnitt hat, wobei das Zentrierorgan zylinderförmig ist und eine von der Drehachse abgewandte Passfläche hat, und der Anschlussabschnitt als ein verrundeter Übergang ausgehend von dem Zentrierorgan zu dem Nabenabschnitt ausgebildet ist. Eine Idee der Erfindung ist es insbesondere, dass es einen zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad angeordneten rotationssymmetrischen Zwischenwellenkörper mit einer turbinenseitigen Anschlusspartie gibt, die in der axialen Richtung der Drehachse dem Turbinenrad zugewandt ist und dort an eine zu dieser Anschlusspartie komplementäre Anschlusspartie des Tur- binenrads angeschlossen ist. Der Zwischenwellenkörper hat dann eine ver- dichterseitige Anschlusspartie, die in der axialen Richtung der Drehachse dem Verdichterrad zugewandt ist und dort an eine zu dieser Anschlusspartie komplementäre Anschlusspartie des Verdichterrads angeschlossen ist, und eine drehachsenseitige Anschlusspartie, die an eine an dem verdichterseiti- gen und/oder dem turbinenseitigen Zentrierorgan ausgebildete hierzu komplementäre Anschlusspartie angeschlossen ist. Mittels des Zwischenwellenkörpers wird in dem Gasturbinensystem der axiale Abstand des Turbinenrads von dem Verdichterrad exakt vorgegeben. Von Vorteil ist es insbesondere, wenn in der drehachsenseitigen Anschlusspartie des Zwischenwellenkörpers ein axialer Freistich ausgebildet ist. Diese Maßnahme ermöglicht, dass die drehachsenseitige Anschlusspartie des Zwi- schenwellenkörpers auch bei sehr hohen Drehzahlen an dem Verdichterrad formschlüssig anliegt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Gastur- binensystem einen Generator mit einem Läufer und mit einem Stator hat, der eine den Läufer aufnehmende und mit dem Turbinenrad drehgekoppelte Generatorwelle aufweist. Eine Idee der Erfindung in diesem Zusammenhang ist es, eine mit der Generatorwelle drehfest verbundene Einlaufwelle vorzusehen, an der das Verdichterrad festgelegt ist.

Von Vorteil ist es insbesondere, wenn die Generatorwelle und die Einlaufwelle jeweils als Hohlwellen gestaltet sind und ein die Generatorwelle und die Einlaufwelle durchgreifender, auf der dem Verdichter abgewandten Seite an der Generatorwelle festgelegter, in dem Turbinenrad verankerter Zuganker vorgesehen ist, der das Turbinenrad mit einer in der axialen Richtung der Drehachse zu dem Generator weisenden Zugkraft beaufschlagt.

Diese Zugkraft dient insbesondere dazu, dass an der Schnittstelle des Verdichterrads zu der Einlaufwelle und/oder zwischen dem Zwischenwellen kör- per und dem Turbinenrad und/oder zwischen dem Zwischenwellenkörper und dem Verdichterrad eine Flächenpressung bewirkt wird, die das Übertragen von an dem Turbinenrad angreifenden Drehmomenten auf die Generatorwelle sicherstellt. Zu bemerken ist, dass der Zuganker grundsätzlich auch in der Generatorwelle verankert und an dem Turbinenrad festgelegt sein kann. Außerdem ist zu bemerken, dass der Zuganker insbesondere in der Generatorwelle verschraubt sein kann und das Turbinenrad in einer mittigen Bohrung durchgreifen kann. Hier wird günstiger Weise der Zuganker auf einer der Generator- welle abgewandten Seite der Turbine mit einer Mutter vorgespannt. Diese Bauform ermöglicht es auch, dass die Einlaufwelle mit dem Verdichterrad, der Zwischenwelle und der Turbine auf den Zuganker aufgefädelt werden kann, was insbesondere einen vereinfachten Austausch von Baugruppen in dem Gasturbinensystem ermöglicht, die einem Verschleiß unterliegen.

Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Generatorwelle das Verdichterrad und das Turbinenrad frei trägt und dabei der Verdichter zwischen dem elektrischen Generator und der Turbine angeordnet ist. In einem erfindungsgemäßen Gasturbinensystem kann ein den Läufer und den Stator umgebendes Generatorgehäuse und ein auf einer der Turbine abgewandten Seite des Läufers angeordnetes erstes Lager sowie ein auf einer der Turbine zugewandten Seite des Läufers angeordnetes zweites Lager für die Generatorwelle vorgesehen sein. Das erste Lager und das zweite Lager kann dabei insbesondere ein Radiallager für die Generatorwelle sein, wobei es von Vorteil ist, wenn das zweite Lager zusätzlich auch ein Axiallager für die Generatorwelle ist.

Zu bemerken ist allerdings, dass ein erfindungsgemäßes Gasturbinensystem auch ein zusätzliches Axiallager für die Generatorwelle enthalten kann.

Darüber hinaus ist zu bemerken, dass der Zwischenwellenkörper einen Mehrkantabschnitt aufweisen kann, in den ein zu dem Mehrkantabschnitt des Zwischenwellenkörpers komplementärer Abschnitt des Turbinenrads und/oder ein zu dem Mehrkantabschnitt des Zwischenwellenkörpers komplementärer Abschnitt des Verdichterrads formschlüssig eingreift.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schemati- scher Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen: ein Schaltbild eines Gasturbinensystems mit einer mit Heißgas aus einer Brennkammer beaufschlagbaren Turbine mit einem Verdichter und mit einem Rekuperator; einen ersten Turbomaschinenrotor mit einem Verdichterrad und einem Turbinenrad sowie einer Generatorwelle in dem Gasturbinensystem; einen Abschnitt eines zweiten, alternativ aufgebauten Turbomaschinenrotors für den Einsatz in dem Gasturbinensystem; einen Abschnitt eines dritten, alternativ aufgebauten Turbomaschinenrotors für den Einsatz in dem Gasturbinensystem; einen Zwischenwellenkörper in dem dritten Turbomaschinenrotor; einen Abschnitt eines vierten, alternativ aufgebauten Turbomaschinenrotors für den Einsatz in dem Gasturbinensystem; und einen Abschnitt eines fünften, alternativ aufgebauten Turbomaschinenrotors für den Einsatz in dem Gasturbinensystem.

Das in der Fig. 1 gezeigte Gasturbinensystem 10 enthält eine Turbine 12, die mit Heißgas aus einer Brennkammer 14 beaufschlagbar ist. Die Turbine 12 weist einen Turbinenrotor mit einem um eine Drehachse 16 drehbaren Turbinenrad 18 mit daran angeordneten Turbinenschaufeln 20 auf, der in einem Turbinengehäuse 22 angeordnet ist. Die Turbine 12 setzt bei Beaufschlagen mit Heißgas aus der Brennkammer 14 einen Abgasstrom frei, der durch einen Rekuperator 32 geführt ist. In dem Gasturbinensystem 10 gibt es einen Verdichter 24 für das Erzeugen von der Brennkammer 14 zuführbarer verdichteter Ansaugluft. Der Verdichter 24 enthält einen mit dem Turbinenrad 18 drehgekoppelten Verdichterrotor mit einem Verdichterrad 26, das in einem Verdichtergehäuse 30 angeordnet ist und an dem sich Verdichterschaufeln 28 befinden. Der Turbinenrotor und der Verdichterrotor bilden jeweils einen Abschnitt eines Turbomaschinenrotors (siehe Fig. 2). Der Rekuperator 32 dient für das Übertragen von Wärme aus dem Abgasstrom auf die mittels des Verdichters 24 verdichtete Ansaugluft. Für das Erzeugen von elektrischer Energie hat das Gasturbinensystem 10 einen elektrischen Generator 34 mit einem durch eine Generatorwelle 36 mit dem Verdichterrad 26 des Verdichters 24 und dem Turbinenrad 18 der Turbine 12 drehgekoppelten Läufer. In dem Gasturbinensystem 10 ist der Verdichter 24 zwischen dem elektrischen Generator 34 und der Turbine 12 angeordnet.

Die Fig. 2 ist eine schematische Teilansicht des Turbomaschinenrotors 1 1 in dem Gasturbinensystems 10 mit dem Turbinenrad 18 und dem Verdichterrad 26 und mit dem Generator 34. Der Generator 34 hat ein Generatorgehäuse 38, in dem die Generatorwelle 36 in einem ersten Lager 40 und in einem zweiten Lager 42 um die Drehachse 16 drehbar gelagert ist. Das erste Lager 40 ist ein Radiallager für die Generatorwelle 36. Das zweite Lager 42 bildet für die Generatorwelle 36 ein kombiniertes Axial- und Radiallager. Mittels des zweiten Lagers 42 wird damit die Generatorwelle 36 in Bezug auf die Drehachse 16 nicht nur in der radialen Richtung sondern auch in der axialen Richtung fixiert. Die Generatorwelle 36 ist als eine Hohlwelle gestaltet und hat eine dem Verdichterrad 26 zugewandte Schnittstelle 44, an die eine Einlaufwelle 46 angeschlossen ist. Die Einlaufwelle 46 ist wie die Generatorwelle 36 als eine Hohlwelle ausgeführt. Die Einlaufwelle 46 ist an einer Schnittstelle 48 mit dem Turbomaschinenrotor 1 1 an dem Verdichterrad 26 drehfest verbunden.

Von der Generatorwelle 36 wird das Verdichterrad 26 und das Turbinenrad 18 frei getragen, d. h. sowohl das Turbinenrad 18 als auch das Verdichterrad 26 kragen über die Lagerung der Generatorwelle 36. Dabei ist zwischen dem Verdichterrad 26 und dem Turbinenrad 18 ein Zwischenwellenkörper 50 an- geordnet, der eine in der axialen Richtung der Drehachse 16 dem Turbinenrad 18 zugewandte turbinenseitige Anschlusspartie 52 mit einer als ein axialer Freistich 107 ausgebildeten Entlastungsnut aufweist. Die turbinenseitige Anschlusspartie 52 des Zwischenwellenkörpers 50 ist an eine zu dieser An- Schlusspartie 52 komplementäre Anschlusspartie 54 des Turbinenrads 18 angeschlossen. Der Zwischenwellenkörper 50 hat außerdem eine verdichter- seitige Anschlusspartie 56, die in der axialen Richtung der Drehachse 16 dem Verdichterrad 26 zugewandt ist und dort an eine zu dieser Anschlusspartie 56 komplementäre Anschlusspartie 58 des Verdichterrads 26 ange- schlössen ist. Der Zwischenwellenkörper 50 ist mit vier Positionierstiften 60, die jeweils in eine in dem Verdichterrad 26 ausgebildete Bohrung 62 und eine in dem Zwischenwellenkörper 50 ausgebildete Bohrung 64 eingreifen, an das Verdichterrad 26 lösbar angeschlossen. Die Positionierstifte 60 ermöglichen, dass der Zwischenwellenkörper 50 und das Verdichterrad 26 relativ zueinander in vier voneinander verschiedenen exakt definierten Winkelpositionen um die Drehachse 16 des Turbomaschinenrotors 1 1 anordenbar sind.

An dem Verdichterrad 26 ist ein Zentrierorgan 66 ausgebildet, das mit einem an dem Turbinenrad 18 angeordneten hierzu komplementären turbinenseiti- gen Zentrierorgan 68 eine Zentrierpassung bildet. Das Zentrierorgan 68 ist dabei ein Teil des Verdichterrads 26. Es ist mit dem Körper des Verdichterrads 26 bevorzugt einstückig, d. h. es kann hiervon nicht zerstörungsfrei getrennt werden. Die von dem verdichterseitigen Zentrierorgan 66 und dem turbinenseitigen Zentrierorgan 68 gebildete Zentrierpassung zentriert das Verdichterrad 26 und das Turbinenrad 18 relativ zueinander um die gemeinsame Drehachse 16. Das verdichterseitige Zentrierorgan 66 hat einen hülsenförmigen Abschnitt 70 mit einer verdichterseitigen Passfläche 72. Das turbinenseitige Zentrierorgan 68 weist einen als Hohlzylinder gestalteten hülsenförmigen Abschnitt 74 mit einer turbinenseitigen Passfläche 76 auf, die an der verdichterseitigen Passfläche 72 anliegt. Die turbinenseitige Passfläche 76 ist also wenigstens abschnittsweise als eine Mantelfläche eines zu der Drehachse 16 konzentrischen Rotationskörpers ausgebildet. Die verdichterseitige Passfläche 72 ist der Drehachse 16 zugewandt und die turbinenseitige Passfläche 76 von der Drehachse 16 abgewandt. Die verdichterseitige Passfläche 72 ist ebenfalls wenigstens abschnittsweise als eine Mantelfläche eines zu der Drehachse 16 konzentrischen Rotationskörpers ausgebildet. Das turbinenseitige Zentrierorgan 68 ragt in das Verdichterrad 26. Das Verdichterrad 26 und das verdich- terseitige Zentrierorgan 66 sind als ein einstückiges Bauteil ausgebildet. Das verdichterseitige Zentrierorgan 66 ist ebenfalls hohlzylindrisch und hat eine Hülsenform. Das Verdichterrad 26 weist einen die Verdichterschaufeln aufnehmenden Nabenabschnitt 25 mit einer Strömungsführungskontur auf und hat einen Kraftflussentkopplungsabschnitt 27 mit einem Wurzelabschnitt 80 und mit einer als ein axialer Freistich ausgebildeten Entlastungsnut 84, der den Nabenabschnitt 25 mit dem verdichterseitigen Zentrierorgan 66 verbindet. An dem Wurzelabschnitt 80 nimmt die radiale Materialdicke d_r in der dem Verdichterrad 26 zugewandten Richtung entlang der Drehachse 16 stetig zu. Dort ist die Oberfläche des Verdichterrads 26 in der radialen Richtung 82 konkav gekrümmt. In der in Bezug auf die Drehachse 16 des Turbomaschinenrotors 1 1 radial nach außen weisenden Richtung 82 und zu der Entlastungsnut 84 versetzt weist das Verdichterrad 26 einen Stegabschnitt 85 auf, der eine Ringform hat und um die Drehachse 16 des Turbomaschinenrotors 1 1 umläuft. An diesem Stegabschnitt 85 ist die Anschlusspartie 58 des Verdichterrads 26 für den Zwischenwellenkörper 50 ausgebildet.

Der Kraftflussentkopplungsabschnitt 27 mit dem Wurzelabschnitt 80 und der Entlastungsnut 84 des Verdichterrads 26 gewährleisten, dass sich der radiale Abstand der verdichterseitigen Passfläche 72 an dem hülsenförmige verdich- terseitige Zentrierorgan 66 von der Drehachse 16 auch bei hohen Drehzahlen und hoher Temperatur, wenn sich der die Verdichterschaufeln tragende Abschnitt des Verdichterrads 26 ausdehnt, nicht oder nur minimal verändert, weil mittels der vorstehend beschriebenen Geometrie eine radiale Ausdehnung des Verdichterrads 26 im Bereich des verdichterseitigen Zentrierorgans 66 minimiert ist. Damit wird also erreicht, dass das Zentrierorgan 66 des Verdichterrads 26 bei Betrieb des Gasturbinensystems 10 die Zentrierung zur Drehachse 16 nicht verliert.

Auch das Turbinenrad 18 und das turbinenseitige Zentrierorgan 68 bilden ein einstückiges Bauteil. Das turbinenseitige Zentrierorgan 68 hat ebenfalls eine Hülsenform nach der Art eines Hohlzylinders. Es ist durch einen Zentrieror- gananschlussabschnitt 19 des Turbinenrads 18 an den die Turbinenschaufeln tragenden, eine Strömungsführungskontur aufweisenden Nabenabschnitt 17 des Turbinenrads 18 angeschlossen. Der Zentrierorgananschluss- abschnitt 19 des Turbinenrads 18 weist einen Wurzelabschnitt 86 auf, dessen Oberfläche ebenfalls in der radialen Richtung 82 gesehen konkav ge- krümmt ist. Auch in dem Wurzelabschnitt 86 nimmt die radiale Materialdicke d_r entlang der Drehachse 16 in der dem Verdichterrad 26 abgewandten Richtung stetig zu, wobei der Wurzelabschnitt 86 in die Anschlusspartie 54 des Turbinenrads 18 für den Zwischenwellenkörper 50 übergeht. Der Zentrierorgananschlussabschnitt 19 mit dem Wurzelabschnitt 86 des Turbinenrads 18 gewährleistet hier, dass sich der radiale Abstand der turbi- nenseitigen Passfläche 76 an dem hülsenförmigen Abschnitt 74 des turbi- nenseitigen Zentrierorgans 68 von der Drehachse 16 auch bei hohen Drehzahlen und hoher Temperatur, wenn sich der die Turbinenschaufeln tragende Abschnitt des Turbinenrads 18 ausdehnt, nicht oder nur minimal verändert, weil mittels der vorstehend beschriebenen Geometrie eine radiale Ausdehnung des Turbinenrads 18 im Bereich des turbinenseitigen Zentrierorgans 68 minimiert ist. Damit wird also erreicht, dass das Zentrierorgan 68 des Turbinenrads 18 bei Betrieb des Gasturbinensystems 10 die Zentrierung zur Drehachse 16 nicht verliert. Der Zwischenwellenkörper 50 weist eine drehachsenseitige Anschlusspartie 104 auf, die an der Passfläche 76 des turbinenseitigen Zentrierorgans 68 anliegt. Der Zwischenwellenkörper 50 gewährleistet zum einen die zuverlässige Drehmomentübertragung zwischen dem Verdichterrad 26 und dem Tur- binenrad 18 und zum anderen einen im Wesentlichen gleichleibenden axialen Abstand zwischen diesen Baugruppen.

Die turbinenseitige Passfläche 76 des turbinenseitigen Zentrierorgans 68 und die verdichterseitige Passfläche 72 des verdichterseitigen Zentrierorgans 66 bilden bevorzugt eine sogenannte Spielpassung oder eine sogenannte Übergangspassung. Dies ermöglicht eine einfache Montage des Turbomaschinenrotors 1 1 . Die Passung des verdichterseitigen und des turbinenseitigen Zentrierorgans 66, 68 ist dabei so gewählt, dass in wenigstens einem Gasturbinensystem-Betriebszustand, in dem die Turbine 12 mit Heißgas beauf- schlagt wird, die turbinenseitige Passfläche 76 wenigstens abschnittsweise an der verdichterseitigen Passfläche 72 mit Flächenkontakt anliegt. Damit lässt sich sowohl eine einfache Montage als auch ein verschleißarmer Betrieb des Gasturbinensystems gewährleisten. Zu bemerken ist, dass alternativ zu dem vorstehend beschriebenen Aufbau des Turbomaschinenrotors 1 1 auch vorgesehen sein kann, dass das Turbinenrad 18 ein Zentrierorgan 68 hat, dessen Geometrie der vorstehend beschriebenen Geometrie des Verdichterrads 26 entspricht und das Verdichterrad 26 ein Zentrierorgan 66 aufweist, dessen Geometrie der vorstehend be- schriebenen Geometrie des Turbinenrads 18 entspricht.

Das an dem Verdichterrad ausgebildete Zentrierorgan ragt dann mit einem hülsenförmigen Abschnitt in den hülsenförmigen Abschnitt des Zentrierorgans des Turbinenrads. Die turbinenseitige Passfläche ist hier der Drehach- se 16 zugewandt, die verdichterseitige Passfläche dagegen von der Drehachse 16 abgewandt. In diesem Fall hat das Turbinenrad 18 bevorzugt einen an den Nabenabschnitt des Turbinenrads 18 für das Tragen der Verdichterschaufeln angeschlossenen Kraftflussentkopplungsabschnitt, der dem vorstehend beschriebenen Kraftflussentkopplungsabschnitt 27 des Verdichterrads 26 entspricht und an dem das turbinenseitige Zentrierorgan 68 aufgenommen ist.

Entsprechend hat dann das Verdichterrad 26 bevorzugt einen an seinen die Verdichterschaufeln tragenden Nabenabschnitt angeschlossenen Zentrierorgan-Anschlussabschnitt, dessen Oberfläche ebenfalls in der radialen Rich- tung 82 gesehen konkav gekrümmt ist. Auch in diesem Zentrierorgan- Anschlussabschnitt nimmt dann die radiale Materialdicke d_r entlang der Drehachse 16 in der dem Verdichterrad 26 abgewandten Richtung stetig zu, wobei an dem Zentrierorgan-Anschlussabschnitt dann die Anschlusspartie des Verdichterrads 26 für den Zwischenwellenkörper 50 ausgebildet ist.

Der Generator 34 hat einen an der Generatorwelle 36 aufgenommenen Läufer 90 und enthält einen Stator 92. In der Generatorwelle 36 ist ein Zuganker 94 aufgenommen, der die Einlaufwelle 46, das Verdichterrad 26 und den Zwischenwellenkörper 50 durchgreift. Der Zuganker 94 weist an seinem tur- binenseitigen Ende 96 ein Gewinde 98 auf, das für das Verankern des Zugankers 94 in dem Turbinenrad 18 in ein dort ausgebildetes Gegengewinde 100 eingreift. Der Zuganker 94 ist mittels einer Wellenmutter 102 auf der dem Verdichter 24 abgewandten Seite der Generatorwelle 36 gegen diese abgestützt und zieht das Turbinenrad 18 in der axialen Richtung der Dreh- achse 16 gegen das Verdichterrad 26.

Zwischen der dem Turbinenrad 18 zugewandten turbinenseitigen Anschlusspartie 52 des Zwischenwellenkörpers 50 und der zu dieser Anschlusspartie 52 komplementären Anschlusspartie 54 des Turbinenrads 18 einerseits so- wie der verdichterseitige Anschlusspartie 56 des Zwischenwellenkörpers 50 andererseits, die in der axialen Richtung der Drehachse 16 dem Verdichterrad 26 zugewandt ist, sowie der zu dieser Anschlusspartie 56 komplementä- ren Anschlusspartie 58 des Verdichterrads 26 entsteht ein von dem Zuganker 94 hervorgerufener Kraftschluss, der eine Drehkopplung von dem Turbinenrad 18 und dem Verdichterrad 26 bewirkt. Die Fig. 3 zeigt einen Abschnitt eines zweiten, alternativ aufgebauten Turbomaschinenrotor 1 1 ' für den Einsatz in dem Gasturbinensystem der Fig. 1 . Soweit die Baugruppen des Turbomaschinenrotors 1 1 ' den Baugruppen des vorstehend beschriebenen Turbomaschinenrotors 1 1 funktional entsprechen, sind diese durch die gleichen Zahlen als Bezugszeichen kenntlich gemacht. Der Turbomaschinenrotor 1 1 ' weist einen Zwischenwellenkörper 50 auf, der mit vier Positionierstiften 60, die jeweils in eine in dem Turbinenrad 18 ausgebildete Bohrung 62 und eine in dem Zwischenwellenkörper 50 ausgebildete Bohrung 64 eingreifen, an das Turbinenrad 18 lösbar angeschlossen ist. Die Positionierstifte 60 ermöglichen, dass der Zwischenwellenkörper 50 und das Turbinenrad 18 relativ zueinander in vier voneinander verschiedenen, exakt definierten Winkelpositionen um die Drehachse 16 des Turbomaschinenrotors 1 1 anordenbar sind.

Die Fig. 4 zeigt einen Abschnitt eines dritten, alternativ aufgebauten Tur- bomaschinenrotors 1 1 " für den Einsatz in dem Gasturbinensystem der Fig. 1 . Soweit die Baugruppen des Turbomaschinenrotors 1 1 " den Baugruppen des vorstehend beschriebenen Turbomaschinenrotors 1 1 funktional entsprechen, sind diese durch die gleichen Zahlen als Bezugszeichen kenntlich gemacht. Bei dem Turbomaschinenrotor 1 1 " durchgreift die Einlaufwelle 46 das Ver- dichterrad 26.

Die Fig. 5 zeigt den Zwischenwellenkörper 50 des Turbomaschinenrotor 1 1 ". Der Zwischenwellenkörper 50 des Turbomaschinenrotor 1 1 " weist einen als ein Vierkantabschnitt ausgebildeten Mehrkantabschnitt 1 14 auf, in den ein zu dem Mehrkantabschnitt 1 14 des Zwischenwellenkörpers 50 komplementärer Abschnitt 1 16 des Turbinenrads 18 mit Anschlussflächen und ein zu dem Mehrkantabschnitt 1 14 des Zwischenwellenkörpers 50 komplementärer Ab- schnitt 1 16 des Verdichterrads 26 mit Anschlussflächen formschlüssig eingreift. Die Anschlussflächen des Abschnitts 1 16 des Turbinenrads 18 und des Verdichterrads 26 sind an entsprechenden Flachabschnitten ausgebildet, die zu dem Vierkantabschnitt komplementär sind. Der Zwischenwellenkörper 50 dient dazu, in dem Gasturbinensystem 10 eine definierte Winkelposition des Turbinenrads 18 relativ zu dem Verdichterrad 26 zu gewährleisten.

Die Fig. 6 zeigt einen Abschnitt eines vierten, alternativ aufgebauten Turbomaschinenrotors 1 1 "' für den Einsatz in dem Gasturbinensystem der Fig. 1 . Soweit die Baugruppen des Turbomaschinenrotors 1 1 "' den Baugruppen des vorstehend beschriebenen Turbomaschinenrotors 1 1 funktional entsprechen, sind diese durch die gleichen Zahlen als Bezugszeichen kenntlich gemacht. Der Turbomaschinenrotor 1 1 "' hat hier ein Turbinenrad 18 mit einem hierzu drehfesten Wellenkörper 1 18 als ein turbinenseitiges Zentrierorgan, der formschlüssig in eine zu dem Wellenkörper 1 18 komplementäre Aufnahme in dem Verdichterrad 26 ragt, die ein verdichterseitiges Zentrierorgan ist. Der Wellenkörper 1 18 weist einen Nasenabschnitt 1 12 auf, der in einen hierzu komplementären Nutabschnitt 1 10 in der Einlaufwelle 46 eingreift, die das Verdichterrad 26 teilweise durchgreift und an der dieses festgelegt ist. Auf diese Weise wird sowohl die Zentrierung als auch das Positionieren des Verdichterrads 26 relativ zu dem Turbinenrad 18 in einer definierten Winkelposition sichergestellt.

Die Fig. 7 zeigt einen Abschnitt eines vierten, alternativ aufgebauten Turbomaschinenrotors 1 1 "" für den Einsatz in dem Gasturbinensystem der Fig. 1 . Soweit die Baugruppen des Turbomaschinenrotors 1 1 "" den Baugruppen des vorstehend beschriebenen Turbomaschinenrotors 1 1 funktional entspre- chen, sind diese durch die gleichen Zahlen als Bezugszeichen kenntlich gemacht. In dem Turbomaschinenrotor 1 1 "" ist an dem Verdichterrad 26 ein als ein verdichterseitiges Zentrierorgan wirkender Verzahnungsabschnitt ausgebildet. Das Turbinenrad 18 weist einen Zwischenwellenkörper 50 mit einem als Verzahnungsabschnitt 120 ausgebildeten turbinenseitigen Zentrierorgan auf. Der Verzahnungsabschnitt 120 greift in den an dem Verdichterrad 26 angeordneten, hierzu komplementären Verzahnungsabschnitt 1 19 ein und bildet dabei eine als Hirth-Verzahnung ausgebildete selbstzentrierende Stirnverzahnung. Auf diese Weise ist es ebenfalls möglich, sowohl die Zentrierung als auch das Positionieren des Verdichterrads 26 relativ zu dem Turbinenrad 18 in einer definierten Winkelposition sicherzustellen.

Zusammenfassend sind insbesondere folgende bevorzugte Merkmale der Erfindung festzuhalten: Ein Gasturbinensystem 10 enthält eine mit Heißgas beaufschlagbare Turbine 12 mit einem Turbinenrad 18 und hat eine Brenn- kammer 14 zum Erzeugen von Heißgas für die Turbine 12 sowie einen Verdichter 24 mit einem Verdichterrad 26 für das Erzeugen von in die Brennkammer 14 zuführbarer verdichteter Ansaugluft. In dem Gasturbinensystem 10 gibt es ein an dem Verdichterrad 26 ausgebildetes verdichterseitiges Zentrierorgan 66 und ein turbinenseitiges, an dem Turbinenrad 18 ausgebil- detes Zentrierorgan 68, das zu dem verdichterseitigen Zentrierorgan 66 komplementär ist und das mit dem turbinenseitigen Zentrierorgan 68 eine Zentrierpassung bildet, die das Verdichterrad 26 und das Turbinenrad 18 relativ zueinander um eine gemeinsame Drehachse 16 zentriert.

Bezuqszeichenliste

10 Gasturbinensystem

1 1 , 1 1 ', 1 1 ", 1 1 "' , 1 1 "" Turbomaschinenrotor

12 Turbine

14 Brennkammer

16 Drehachse

17 Nabenabschnitt Turbinenrad

18 Turbinenrad

19 Zentrierorgananschlussabschnitt (Turbinenrad)

20 Turbinenschaufel

22 Turbinengehäuse

24 Verdichter

25 Nabenabschnitt Verdichterrad

26 Verdichterrad

27 Kraftflussentkopplungsabschnitt (Verdichterrad)

28 Verdichterschaufel

30 Verdichtergehäuse

32 Rekuperator

34 Generator

36 Generatorwelle

38 Generatorgehäuse

40 erstes Lager

42 zweites Lager

44 Schnittstelle

46 Einlaufwelle

48 Schnittstelle

50 Zwischenwellenkörper

52 Zwischenwellenkörper-Anschlusspartie (turbinenseitig)

54 Turbinenrad-Anschlusspartie

56 Zwischenwellenkörper-Anschlusspartie (verdichtersei- tig) 58 Verdichterrad-Anschlusspartie

60 Positionierstift

62 Bohrung in Verdichterrad

64 Bohrung in Zwischenwellenkörper

66 verdichterseitiges Zentrierorgan

68 turbinenseitiges Zentrierorgan

70 hülsenförmiger Abschnitt

72 verdichterseitige Passfläche

74 hülsenförmiger Abschnitt

76 turbinenseitige Passfläche

80 Wurzelabschnitt

82 Richtung

84 Freistich (Entlastungsnut)

85 Stegabschnitt

86 Wurzelabschnitt

90 Läufer

92 Stator

94 Zuganker

96 Ende

98 Gewinde

100 Gegengewinde

102 Wellenmutter

104 Zwischenwellenkörper-Anschlusspartie (drehachsen- seitig)

107 Freistich (Entlastungsnut)

1 10 Nutabschnitt

1 12 Nasenschnitt

1 14 Mehrkantabschnitt

1 16 Abschnitt

1 18 Wellenkörper

1 19 Verzahnungsabschnitt (verdichterseitig)

120 Verzahnungsabschnitt (turbinenseitig)

Claims

17/148891 -^{1 1 "}WO PCT/EP2017/054563^^T

28.02.2017 u - re/eb

- 24 -

Patentansprüche

1 . Gasturbinensystem (10) mit einer mit Heißgas beaufschlagbaren Turbine (12) mit einem Turbinenrad (18), mit einer Brennkammer (14) zum Erzeugen von Heißgas für die Turbine (12) und mit einem Verdichter

(24) mit einem Verdichterrad (26) für das Erzeugen von in die Brennkammer (14) zuführbarer verdichteter Ansaugluft, gekennzeichnet durch ein an dem Verdichterrad (26) ausgebildetes verdichterseitiges Zentrierorgan (66) und ein turbinenseitiges, an dem Turbinenrad (18) ausgebildetes Zentrierorgan (68), das zu dem verdichterseitigen Zentrierorgan (66) komplementär ist und das mit dem turbinenseitigen Zentrierorgan (68) ein Zentriermittel bildet, die das Verdichterrad (26) und das Turbinenrad (18) relativ zueinander um eine gemeinsame Drehachse (16) zentriert.

2. Gasturbinensystem nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch einen zwischen dem Turbinenrad (18) und dem Verdichterrad (26) angeordneten rotationssymmetrischen Zwischenwellenkörper (50) mit einer turbinenseitigen Anschlusspartie (52), die in der axialen Richtung der Drehachse (16) dem Turbinenrad (18) zugewandt ist und dort an eine zu dieser Anschlusspartie komplementäre Anschlusspartie (54) des Turbinenrads (18) angeschlossen ist, mit einer verdichterseitigen Anschlusspartie (56), die in der axialen Richtung der Drehachse (16) dem Verdichterrad (26) zugewandt ist und dort an eine zu dieser Anschlusspartie komplementäre Anschlusspartie (58) des Verdichterrads (26) angeschlossen ist, und mit einer drehachsenseitigen Anschlusspartie (104), die an eine an dem verdichterseitigen (66) und/oder dem turbinenseitigen Zentrierorgan (68) ausgebildete hierzu komplementäre Anschlusspartie angeschlossen ist. Gasturbinensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der drehachsenseitige Anschlusspartie (104) ein axialer Freistich (107) ausgebildet ist.

Gasturbinensystem nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Generator (34) mit einem Läufer (90) und mit einem Stator (92), der eine den Läufer (90) aufnehmende und mit dem Turbinenrad (18) drehgekoppelte Generatorwelle (36) hat.

Gasturbinensystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine mit der Generatorwelle (36) drehfest verbundene Einlaufwelle (46), an der das Verdichterrad (26) festgelegt ist. 6. Gasturbinensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatorwelle (36) und die Einlaufwelle (46) jeweils als Hohlwellen gestaltet sind und ein die Generatorwelle (36) und die Einlaufwelle (46) durchgreifender, auf der dem Verdichter (24) abgewandten Seite an der Generatorwelle (36) festgelegter, in dem Turbinenrad (18) verankerter Zuganker (94) vorgesehen ist, der das Turbinenrad (18) mit einer in der axialen Richtung der Drehachse (16) zu dem Generator (34) weisenden Zugkraft beaufschlagt, oder dass ein an der Generatorwelle (36) festgelegter Zuganker (94) vorgesehen ist, der das Verdichterrad (26) und das Turbinenrad (18) durchgreift und dieses mit einer in der axialen Richtung der Drehachse (16) zu dem Generator (34) weisenden Zugkraft beaufschlagt.

7. Gasturbinensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatorwelle (36) das Verdichterrad (26) und das Turbinenrad (18) frei trägt. 8. Gasturbinensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (24) zwischen dem elektrischen Generator (34) und der Turbine (12) angeordnet ist.

9. Gasturbinensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeich- net durch ein den Läufer (90) und den Stator (92) umgebendes Generatorgehäuse (38) und ein auf einer der Turbine (12) abgewandten Seite des Läufers (90) angeordnetes erstes Lager (40) sowie ein auf einer der Turbine (12) zugewandten Seite des Läufers (90) angeordnetes zweites Lager (42) für die Generatorwelle (36).

10. Gasturbinensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lager (40) und das zweite Lager (42) ein Radiallager für die Generatorwelle (36) ist. 1 1 . Gasturbinensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Lager (42) zusätzlich auch ein Axiallager für die Generatorwelle (36) ist oder ein zusätzliches Axiallager für die Generatorwelle (36) vorgesehen ist. 12. Gasturbinensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenwellenkörper (50) einen Mehrkantabschnitt (1 14) aufweist, in den ein zu dem Mehrkantabschnitt (1 14) des Zwischenwellenkörpers (50) komplementärer Abschnitt (1 16) des Turbinenrads und/oder ein zu dem Mehrkantabschnitt (1 14) des Zwi- schenwellenkörpers (50) komplementärer Abschnitt (1 16) des Verdichterrads (26) formschlüssig eingreift. Gasturbinensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichterseitige Zentrierorgan (66) einen Abschnitt (70) mit wenigstens einer verdichterseitigen Passfläche (72) hat und das turbinenseitige Zentrierorgan (68) einen Abschnitt (74) mit wenigstens einer turbinenseitigen Passfläche (76) hat, die zu der wenigstens einen verdichterseitigen Passfläche (72) weist.

14. Gasturbinensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichterseitige Zentrierorgan (66) eine Hülsenform hat und das turbinenseitige Zentrierorgan (68) hülsenförmig gestaltet ist.

15. Gasturbinensystem nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine turbinenseitige Passfläche (76) und die wenigstens eine verdichterseitige Passfläche (72) eine Spielpas- sung oder eine Übergangspassung bilden.

16. Gasturbinensystem nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Gasturbinensystem- Betriebszustand, in dem die Turbine (12) mit Heißgas beaufschlagt wird, die turbinenseitige Passfläche (76) wenigstens abschnittsweise mit Flächenkontakt an der verdichterseitigen Passfläche (72) anliegt.

17. Gasturbinensystem nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die verdichterseitige Passfläche (72) wenigstens abschnittsweise als eine Mantelfläche eines zu der Drehachse (16) konzentrischen Rotationskörpers ausgebildet ist.

18. Gasturbinensystem nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die turbinenseitige Passfläche (76) wenigstens ab- schnittsweise als eine Mantelfläche eines zu der Drehachse (16) konzentrischen Rotationskörpers ausgebildet ist. Gasturbinensystem nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die turbinenseitige Passfläche (76) der Drehachse (16) zugewandt ist.

Gasturbinensystem nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die turbinenseitige Passfläche (76) von der Drehachse (16) abgewandt ist.

Gasturbinensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichterseitige Zentrierorgan (66) mit dem turbinenseitigen Zentrierorgan (68) eine selbstzentrierende Stirnverzahnung, insbesondere eine Hirth-Verzahnung bildet, oder dass das verdichterseitige Zentrierorgan als ein Nutabschnitt (1 10) in dem Verdichterrad (26) ausgebildet ist und das turbinenseitige Zentrierorgan ein mit dem Turbinenrad (18) drehfest verbundener und in das Verdichterrad (26) ragender Wellenkörper (1 18) ist, der einen zu dem Nutabschnitt (1 10) komplementären Nasenabschnitt (1 12) hat, oder dass das turbinenseitige Zentrierorgan als ein Nutabschnitt (1 10) in dem Turbinenrad (18) ausgebildet ist und das verdichterseitige Zentrierorgan ein mit dem Verdichterrad (26) drehfest verbundener und in das Verdichterrad (26) ragender Wellenkörper (1 18) ist, der einen zu dem Nutabschnitt (1 10) komplementären Nasenabschnitt (1 12) hat.

Gasturbinensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (26) und das verdichterseitige Zentrierorgan (66) ein einstückiges Bauteil bilden.

Gasturbinensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (26) einen Verdichterschaufeln aufnehmenden Nabenabschnitt (25) mit einer Strömungsführungskontur aufweist und einen mit dem Zentrierorgan (66) und dem Nabenabschnitt (25) verbundenen Kraftflussentkopplungsabschnitt (27) enthält, der das Einleiten von in der radialen Richtung in Bezug auf die Drehachse (16) wirkenden Fliehkräften aus dem Nabenabschnitt (25) in das Zentrierorgan (66) unterbindet oder zumindest abschwächt.

Gasturbinensystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kraftflussentkopplungsabschnitt (27) zwischen dem Zentrierorgan (66) und dem Nabenabschnitt (25) ein axialer Freistich ausgebildet ist.

Gasturbinensystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrierorgan (66) eine der Drehachse (16) zugewandte Passfläche aufweist.

26. Gasturbinensystem nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Turbinenrad (18) einen Turbinenschaufeln aufnehmenden Nabenabschnitt (17) mit einer Strömungsführungskontur aufweist und einen Zentrierorgananschlussabschnitt (19) hat, an den das Zentrierorgan (68) angeschlossen ist, wobei das Zentrierorgan (68) zylinderförmig ist und eine von der Drehachse (16) abgewandte Pass- fläche (76) aufweist, und der Zentrierorgananschlussabschnitt (19) als ein verrundeter Übergang ausgehend von dem Zentrierorgan (68) zu dem Nabenabschnitt (17) ausgebildet ist.

27. Gasturbinensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Turbinenrad (18) und das turbinenseitige

Zentrierorgan (68) ein einstückiges Bauteil bilden.

28. Gasturbinensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (18) einen Turbinenschaufeln aufnehmenden Nabenabschnitt (17) mit einer Strömungsführungskontur aufweist und einen mit dem Zentrierorgan (68) und dem Nabenabschnitt (17) verbundenen Kraftflussentkopplungsabschnitt (27) enthält, der das Einleiten von in der radialen Richtung in Bezug auf die Drehachse (16) wirkenden Fliehkräften aus dem Nabenabschnitt (17) in das Zentrierorgan (68) unterbindet oder zumindest abschwächt.

Gasturbinensystem nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kraftflussentkopplungsabschnitt (27) zwischen dem Zentrierorgan (68) und dem Nabenabschnitt (17) ein axialer Freistich (84) ausgebildet ist.

Gasturbinensystem nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrierorgan (68) eine der Drehachse (16) zugewandte Passfläche (76) aufweist. Gasturbinensystem nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (26) einen Verdichterschaufeln aufnehmenden

Nabenabschnitt (25) mit einer Strömungsführungskontur hat und einen Zentrierorgan-Anschlussabschnitt aufweist, an den das Zentrierorgan (66) angeschlossen ist, wobei das Zentrierorgan (66) zylinderförmig ist und eine von der Drehachse (16) abgewandte Passfläche (76) aufweist, und der Zentrierorgan-Anschlussabschnitt als ein verrundeter Übergang ausgehend von dem Zentrierorgan (66) zu dem Nabenabschnitt (25) ausgebildet ist.