Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft eine thermische Turbomaschine, insbesondere axialdurchströmte
Gasturbine, an deren Austrittslaufschaufeln sich ein Abgasgehäuse anschliesst, dessen
Begrenzungswände im wesentlichen aus einem nabenseitigen ringförmigen Innenteil und
einem ringförmigen Aussenteil bestehen, welche einen Diffusor begrenzen und welche
über mehrere gleichmässig über dem Umfang verteilte Rippen miteinander verbunden sind,
und wobei im Hohlraum innerhalb des Innenteils die austrittsseitige Lagerung der Turbomaschine
angeordnet ist.
[0002] Aus strömungstechnischen Gründen und zur besseren Beeinflussung des Wirkungsgrades
werden bei stationären Gasturbinenanlagen relativ lange, sich vorzugsweise in axialer
Richtung erstreckende Austrittsdiffusoren vorgesehen. Dadurch ist es erforderlich,
das abgasseitige Lager des Turbinenläufers in der Diffusorkonstruktion selbst anzuordnen.
Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen zwischen Diffusorgehäuse, welches sich
frei dehnen soll, und Turbinenläufer, welcher sich nicht verlagern darf, ergeben sich
Probleme, die bisher auf unterschiedliche Art gelöst wurden.
Stand der Technik
[0003] So ist es beispielsweise aus der US-A-3,261,587 bekannt, im Diffusor einer Jet-Gasturbine,
welcher über stromlinienförmige Rippen mit einem Aussengehäuse verbunden ist, den
Tragring des Wellenlagers über wärmebeweglich im Diffusor eingesetzte Stifte in radialen
Ebenen am Aussengehäuse abzustützen. Dadurch werden die vorherrschenden dynamischen
Kräfte, aber auch die Dehnungskräfte des Abgasdiffusors auf das Aussengehäuse übertragen.
Das Aussengehäuse selbst ist über Pratzen oder Pendelstützen am Fundament abgestützt.
[0004] Im instationären Betrieb, wie er beispielsweise bei Kraftwerks-Gasturbinen zur Spitzenlastdeckung
häufig vorkommt, treten an den Gehäusen Wärmespannungen und Differenzdehnungen auf,
die zu Spieländerungen zwischen Gehäuse und Läufer führen und die auch die Wellenlagerung
beenflussen können. Es kann dann zu Beschädigungen der Lager und Stopfbüchsen sowie
zu Schaufelhavarien kommen. Insbesondere bei derzeitigen modernen Maschinen mit grossen
Dimensionen und hohen Temperaturen werden diese Nachteile in stärkerem Ausmass wirksam.
[0005] Eine frühe Lösung, bei welcher der Abgasdiffusor völlig vom Aussengehäuse der Gasturbine
getrennt wurde, ist bekannt aus der DE-C-768 036. Äussere und innere Ringwände des
Diffusors sind über wärmebewegliche und dehnungsausgleichende Elemente miteinander
verbunden und im Innern der nabenseitigen Innenwand ist das Endlager des Läufers abgestützt.
Auch bei dieser Bauart können wegen der unterschiedlichen Dehnungen Wellenverlagerungen
auftreten. Insbesondere an den wärmebeweglichen Verbindungsstellen zwischen Abgasdiffusor
und Abgasgehäuse treten grosse Wärmespannungen auf, welche die dort vorherrschenden
Dichtungsprobleme erschweren.
[0006] Bei modernen Maschinen ist der Diffusor nicht mehr selbst am Fundament abgestützt,
sondern er ist am am Gehäuse der Gasturbine angeflanscht. Die abgasseitige Wellenlagerung
innerhalb des Diffusor-Innenringes befindet sich während des Maschinenbetriebes in
einer ausserordentlich heissen Umgebung. Sowohl die Positionierung des Lagers als
auch die Aufnahme der üblicherweise vertikalen Last befinden sich in der Diffusorkonstruktion.
Es kann sich jedoch infolge der niedrigen Zeitstandfestigkeit der verwendeten Materialien
im Laufe der Zeit die ganze Tragstruktur deformieren.
Darstellung der Erfindung
[0007] Der Erfindung liegt die deshalb Aufgabe zugrunde, bei Turbomaschinen der eingangs
genannten Art eine Massnahme zu schaffen, bei welcher die Abstützung der austrittsseitigen
Lagerung von den Einflüssen aus Wärmebeanspruchung und Wärmedehnung des Gehäuses und
der Diffusorwandungen unabhängig ist.
[0008] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass das Lagergehäuse mit am Innenteil
des Abgasgehäuses angeordneten Verstellelementen in seiner Lage positionierbar ist
und über mindestens eine Federstütze am Fundament abgestützt ist.
[0009] Zwar ist es aus der US-A- 4,076,452 bekannt, bei einer Gasturbine die abgasseitigen
Lagerkräfte über Stützen aus dem Diffusorinnern ins Fundament abzuleiten. Jedoch handelt
es sich dabei um wärmeempfindliche starre Stützen, die zum einen von einem Kühlmittel
umströmt oder durchströmt werden, und zum andern mit einem Isoliermittel gegen die
im Innern des Diffusors herrschende Temperatur geschützt sind. Darüberhinaus steht
das Lager selbst in keinerlei Wirkverbindung mit den Diffusorwandungen.
[0010] Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass die Deformation des
Diffusors durch die Wellenlast ausgeschlossen ist, dass jedoch der Diffusor trotzdem
den Rotor im Aussengehäuse positioniert. Dadurch bleiben auch bei beispielsweisen
Gehäuseabsenkungen die radialen Schaufelspiele in der Turbomaschine unberührt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
[0011] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Gasturbine
mit axial/axialem Austritt dargestellt.
[0012] Es zeigen:
- Fig.1
- einen Teillängsschnitt einer Gasturbine mit erfindungsgemässer Lagerabstüzung;
- Fig.2
- einen Querchnitt durch den Diffusor nach Linie 2-2 in Fig.1
[0013] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise der Verdichterteil, die Brennkammer
sowie das vollständige Abgasrohr und der Kamin. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels
ist mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
[0014] Die thermische Turbomaschine, hier eine Gasturbine, von der in Fig.1 die die Abgasseite
und die vier letzten, axialdurchströmten Stufen dargestellt sind, besteht im wesentlichen
aus dem beschaufelten Rotor 1 und dem mit Leitschaufeln bestückten Schaufelträger
2. Der Schaufelträger ist im Turbinengehäuse 3 eingehängt. An das Turbinengehäuse
ist der Abgaskanal 5 angeflanscht, welcher im wesentlichen aus einem nabenseitigen,
ringförmigen Innenteil 6 und einem ringförmigen Aussenteil 7 besteht, welche den Diffusor
9 begrenzen. Beide Elemente 6 und 7 können Halbschalen mit axialer Trennebene (Fig.2,
Flansche nicht dagestellt) oder einteilige Topfgehäuse sein. Sie sind miteinander
verbunden durch mehrere angeschweisste radiale Strömungsrippen 8, die gleichmässig
verteilt über den Umfang angeordnet sind. Der ringförmige Aussenteil 7 ist turbinenseitig
mit einer ringförmigen Dichtleiste 10 versehen, welche bündig ist mit der zylinderseitigen
Kontur des durchströmten Turbinenkanals.
[0015] Im Hohlraum innerhalb des Innenteils 6 ist die austrittsseitige Lagerung der Turbomaschine
angeordnet. Der Rotor 1 liegt in einem Traglager 4 ein, dessen Lagergehäuse 11 mittels
Verstellelementen 12 (Fig.2), welche Bestandteil des Innenteils 6 sind, positioniert
ist. Da der am Turbinengehäuse angeflanschte Abgaskanal als starre Verlängerung des
Gehäuses anzusehen ist, genügen diese Verstellmittel 12 zur Lagereinstellung und es
erübrigen sich weitere Hilfsmittel, welche die Einhaltung der Lagerlinie gewährleisten.
[0016] Zur Trennung der Funktionen "Positionierung" und "Lastaufnahme" wird nunmehr die
Lagerlast nicht mehr von der Diffusorkonstruktion aufgenommen, sondern aus dem heissen
Diffusorbereich herausgeführt. Dies geschieht über einen Balken 13, der mit seinem
oberen Ende mit üblichen Mitteln, beispielsweise einem Gelenk 14, am Unterteil des
Lagergehäuses 11 befestigt ist; an seinem unteren Ende ist der Balken mit einer auf
dem Fundament stehenden handelsüblichen Federstütze 15 verbunden. Die Rippen 8 im
Diffusor 9 haben zweckmässigerweise ein Tragflügelprofil und sind hohl ausgebildet.
Der Balken 13 wird durch die untere, vertikale Rippe hindurchgeführt.
[0017] Diese Federstütze 15 ist in der Lage, bei gleichbleibender Belastung Wärmedehnungen
des Balkens 13 aufzunehmen. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Lagerlinie nicht
beeinträchtigt wird. Da das tragende Element einer solchen Federstütze in der Regel
eine Schraubenfeder mit sehr flacher Federcharakteristik ist, ist zur Ausübung ihrer
Kompensationsfunktion eine gewisse Schraubenhöhe erforderlich. Mangels genügendem
Freiraum zwischen Abgaskanal und Fundament wird deshalb die Lagerlast, die bei heutigen
Maschinen durchaus die Grössenordnung von ca. 30 Tonnen betragen kann, auf mehrere,
hier drei Federstützen 15 aufgeteilt.
[0018] Die beschriebene Massnahme weist den Vorteil auf, dass die am Turbinengehäuse angeflanschte
Diffusorkonstruktion, da sie von der Lagerlast befreit ist, nunmehr leichter ausgeführt
werden kann. Insbesondere ergeben sich Einsparungen an kostspieligem warmfesten Material.
[0019] Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt, welches einen Diffusor mit axialem Austritt zum Gegenstand hat und damit
die Anordnung von Strömungsrippen zur Durchführung der Lagerstütze stark erleichtert.
[0020] In Abweichung zur gezeigten Lösung mittels Federstützen könnten genau so gut sogenannte
Konstantstützen Anwendung finden. Desweiteren ist es ohne weiteres denkbar, statt
über Stützen, die direkt auf das Fundament wirken, die Lagerlast über Federhänger
oder Konstanthänger in einen den Abgaskanal überspannenden Bügel zu leiten. In diesem
Fall könnte der dann mit dem Lagergehäuse verbundene Zugbalken durch die obere vertikale
Rippe innerhalb des Diffusors hindurchgeführt werden.
[0021] Im übrigen ist die Erfindung grundsätzlich überall dort anwendbar, wo ein in einer
heissen Umgebung operierendes Maschinenelement in einer absoluten Lage fixiert werden
muss.
1. Thermische Turbomaschine, insbesondere axialdurchströmte Gasturbine, an deren Austrittslaufschaufeln
sich ein Abgasgehäuse (5) anschliesst, dessen Begrenzungswände im wesentlichen aus
einem nabenseitigen ringförmigen Innenteil (6) und einem ringförmigen Aussenteil (7)
bestehen, welche einen Diffusor (9) begrenzen und welche über mehrere gleichmässig
über dem Umfang verteilte Rippen (8) miteinander verbunden sind, und wobei im Hohlraum
innerhalb des Innenteils die austrittsseitige Lagerung (4,11) der Turbomaschine angeordnet
ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Lagergehäuse (11) mit am Innenteil (6) des Abgasgehäuses (6) angeordneten
Verstellelementen (12) in seiner Lage positionierbar ist und über mindestens eine
Federstütze (15) am Fundament abgestützt ist.
2. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagergehäuse (11)
über einen Balken (13) mit der Federstütze (15) verbunden ist, wobei der Balken (13)
durch eine hohl ausgebildete Rippe (8) durch den Diffusor (9) aus dem Abgasgehäuse
(6) herausgeführt ist.