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Dokumentenidentifikation DE3742246A1 28.07.1988
Titel Belastungsanordnung für Drucklager von Gasturbinen
Anmelder General Electric Co., Schenectady, N.Y., US
Erfinder Haaser, Frederick Gardner, Montgomery, Ohio, US
Vertreter Schüler, H., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 6000 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 12.12.1987
DE-Aktenzeichen 3742246
Offenlegungstag 28.07.1988
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.07.1988
IPC-Hauptklasse F01D 3/04
IPC-Nebenklasse F02C 7/06   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Gasturbinen und mehr im besonderen eine Belastungsanordnung für Drucklager, um einen gerichteten Druck auf ein Kugellager sicherzustellen, das ein Ende des Rotors einer Gasturbine abstützt.

Der Auslaßdruck des Kompressors einer Gasturbine variiert über einen weiten Bereich während des normalen Betriebsbereiches einer Gasturbine von geringer Geschwindigkeit und Leerlauf bis zur maximalen Geschwindigkeit der Turbine. Diese Variation bei den Betriebsbedingungen verursacht eine beträchtliche Variation bei der Axialkraft, die auf den Rotor einer Gasturbine ausgeübt wird. Bei hohen Betriebsgeschwindigkeiten kann daher in einer rückwärtigen oder Vorwärtsrichtung eine beträchtliche axiale Belastung auf den Rotor ausgeübt werden, was eine entsprechende Axialkraft in der rückwärtigen oder Vorwärtsrichtung auf das Drucklager verursacht, das den Rotor trägt. Andererseits wird diese Axialkraft auf den Rotor bei geringen Geschwindigkeiten oder bei Leerlauf beträchtlich vermindert und kann sich sogar in die entgegengesetzte Richtung umkehren, was zu einem Zustand führt, der als Umschlag (Crossover) bekannt ist und zu dem Zeitpunkt auftritt, wenn die auf den Rotor und entsprechend auf das Drucklager ausgeübte Kraft sich von einer rückwärtigen in eine Vorwärtsrichtung oder umgekehrt ändert. Ein solcher Umschlag ist unerwünscht, weil bei diesem Umschlagpunkt das unbelastete Kugellager sich radial innerhalb seiner Laufringe bewegen kann. Dieser unbelastete Zustand des Kugellagers, des Drucklagers und die sich daraus ergebende Radialbewegung des unbelasteten Kugellagers gestattet die radiale Bewegung und/oder den Umlauf (Orbiting) des Rotors. Für den wirksamsten Betrieb einer Gasturbine wird der Abstand zwischen den Spitzen der Schaufeln des Rotors und dem umgebenden stationären Umhüllungsring bei einem Minimum gehalten. Eine Radialbewegung oder ein Umlauf des Rotors kann daher die Schaufelspitzen in Eingriff mit der umgebenden Struktur bringen und zu einem Abrieb dieser Spitzen und der umgebenden Struktur führen. Ein solcher Abrieb vergrößert den Abstand der Schaufelspitzen des Kompressors und führt zu einem verminderten Überziehungsspielraum und zu einer geringeren Leistungsfähigkeit der Turbine und somit des Flugzeugs, in dem sie eingesetzt ist.

Das nicht belastete Drucklager gestattet auch eine Axialbewegung des Rotors. Da die Schaufelspitzen des Kompressors geneigt sind, betont diese axiale Bewegung den vergrößerten Abstand, der sich aus dem Abrieb der Schaufelspitzen und der umgebenden Struktur ergibt, und vergrößert dadurch das Problem.

Eine Art der Lösung dieses Problems besteht darin, die Drucklast in einer rückwärtigen oder Vorwärtsrichtung zu erhöhen, so daß selbst unter den Bedingungen der sehr geringen Geschwindigkeit oder des Leerlaufs die Axialkraft auf den Rotor noch immer in einer gleichen Richtung ausgeübt wird, so daß eine angemessene Drucklast bei Leerlauf und geringen Geschwindigkeiten geschaffen wird und somit den Umschlag verhindert. Diese Lösung führt jedoch zu einem anderen Problem, nämlich einer zu großen Drucklast bei hohen Geschwindigkeiten und hoher Leistung, was die Lebensdauer der Lager vermindert.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Anordnung, mit der der Umschlag bei geringen Geschwindigkeiten vermieden und gleichzeitig eine zu große Drucklast bei Betrieb der Turbine mit hoher Geschwindigkeit verhindert wird.

Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Belastungsanordnung für Drucklager zu schaffen, die den Umschlag der auf das Druckkugellager einer Gasturbine ausgeübten Axiallast verhindert und gleichzeitig eine zu große Druckbelastung unter Bedingungen vermeidet, bei denen die Turbine bei hoher oder maximaler Leistung arbeitet.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein vorhandener abgedichteter Hohlraum zwischen dem sich bewegenden Rotor und einem stationären Teil oder einer Wandung einer üblichen Gasturbine vorteilhaft genutzt. Mehr im besonderen wird bei Bedingungen, bei denen es erwünscht ist, die rückwärtige Kraft zu erhören, um den Umschlag zu vermindern, ein solcher Hohlraum benutzt, der eine rückwärtige Wandung größerer Fläche aufweist als sie die Vorderwand hat, so daß der Druck innerhalb des Hohlraums eine rückwärtige Kraft auf den Rotor und somit auf das damit in Verbindung stehende Drucklager ausübt. In der stationären Wandung ist hinter dem Kompressorauslaß eine Vielzahl von Öffnungen gebildet, so daß die vom Kompressor ausgestoßene Luft unter den richtigen Bedingungen in den Hohlraum strömen kann, um eine Axialkraft in rückwärtiger Richtung auf den Rotor auszuüben. Ein Ventil, das in eine geöffnete Position vorgespannt ist, ist mit jeder dieser Öffnungen verbunden, so daß unter den Bedingungen geringer Geschwindigkeit etwas von der vom Kompressor ausgestoßenen Luft in den Hohlraum eingelassen wird, um eine zusätzliche Axialkraft in einer rückwärtigen Richtung auf den Rotor auszuüben und dadurch bei diesen Bedingungen einen Umschlag zu vermeiden. Andererseits überwindet unter den Bedingungen höherer Geschwindigkeit die Zunahme des Kompressor- Auslaßdruckes die Kraftvorspannung des Ventils, wodurch das Ventil geschlossen wird und die Strömung von aus dem Kompressor ausgestoßener Luft in den Hohlraum beendet und damit ebenfalls die zusätzliche axiale Kraft auf den Rotor. In einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung weist jedes der Ventile ein Gehäuse auf, das die entsprechende Öffnung in der stationären Wandung umgibt, und ein Ventilkolben innerhalb des Gehäuses ist durch ein oder mehrere Plattenfedern, die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind, zu der geöffneten Position vorgespannt. Durch die vorliegende Erfindung wird somit eine geeignete Kraft in Rückwärtsrichtung auf den Rotor geschaffen und das Drucklager gegen den Umschlag bei geringen Geschwindigkeiten gesichert. Unter den Bedingungen hoher Geschwindigkeit wird die zusätzliche Axialkraft jedoch beendet und dadurch eine zu große Last auf das Drucklager vermieden. Die oben erläuterte Ausführungsform ist, wie angegeben, bei Bedingungen anwendbar, bei denen es erwünscht ist, die rückwärts wirkende Kraft zu erhöhen, um den Umschlag zu verhindern. Die Erfindung ist natürlich gleichermaßen anwendbar unter Bedingungen, bei denen es notwendig sein mag, die vorwärts gerichtete Kraft zu erhöhen, um den Umschlag zu verhindern. Unter den letztgenannten Bedingungen würde der Hohlraum so gewählt, daß seine vordere Wandung eine größere Fläche hat als seine rückwärtige Wandung.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer oberen Hälfte einer Gasturbine, die die Elemente der vorliegenden Erfindung zeigt, der Einfachheit halber aber nicht die gesamten Einzelheiten der Turbine aufweist,

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teiles des rechten Abschnittes der Fig. 1, die die Beziehung der Elemente der vorliegenden Erfindung weiter veranschaulicht,

Fig. 3 eine beträchtlich vergrößerte Ansicht des äußersten linken Teils der Gasturbine der Fig. 1, die das Drucklager veranschaulicht,

Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht des in der vorliegenden Erfindung benutzten Steuerventils und

Fig. 5 ein Diagramm, das die Rotorlast unter verschiedenen Bedingungen wiedergibt.

Fig. 1 zeigt einen Teil einer üblichen Gasturbine 10. Diese Turbine schließt einen allgemein mit 12 bezeichneten Rotor ein, der einen Kompressor 14 und eine Turbine 16 einschließt, die mit einem gemeinsamen Rotationsschaft zu einer integralen Einheit verbunden sind. Der Rotor wird für die Rotation von mehreren Lagern gehalten, für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist jedoch nur das Drucklager 18 gezeigt.

Der Rotor rotiert innerhalb einer allgemein mit 20 bezeichneten stationären Struktur, die eine stationäre Wandung 22 einschließt. Die stationäre Wandung 22 ist nach dem Entladungspfad 24 für die Luft angeordnet, die aus dem Kompressor 14 ausgestoßen wird.

Wie am besten in Fig. 3 ersichtlich, schließt das Drucklager einen rotierenden inneren Laufring bzw. -kranz 26 ein, der zur Rotation mit dem Rotor an diesem befestigt ist, und das Drucklager schließt weiter einen stationären äußeren Ring 28 ein, der an der stationären Trägerstruktur 20 in der Gasturbine befestigt ist. Mehrere Kugellager, von denen eines bei 30 gezeigt ist, sind zwischen dem inneren und äußeren Ring 26, 28 vorhanden. Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird während des größten Teils des Betriebsbereiches der Turbine vom Rotor 12 eine Axialkraft in Rückwärtsrichtung auf das Drucklager und die darin enthaltenen Kugeln ausgeübt. Unter den Bedingungen geringer Geschwindigkeit oder des Leerlaufs kann die Turbine dies jedoch umkehren, d. h. die auf das Drucklager ausgeübte Kraft kann sich aus einer Rückwärtsrichtung in eine Vorwärtsrichtung ändern, wie im folgenden detaillierter erläutert wird.

Um das Auftreten einer solchen Änderung zu verhindern, nutzt die vorliegende Erfindung vorteilhaft einen in Fig. 1 und detaillierter in Fig. 2 gezeigten vorhandenen Hohlraum 32, der in der Gasturbine nach dem Ausstoßbereich 24 des Kompressors liegt. Dieser Hohlraum 32 wird durch die stationäre Wandung 22, eine zweite Wand 34, die Teil der Struktur des Rotors 12 ist, eine rückwärtige Wand 36 und eine vordere Wand 38 gebildet. Wie der Fig. 2 entnommen werden kann, ist der Axialkolbenbereich der rückwärtigen Wand 36 sehr viel größer als der der Vorderwand 38 und zwar aufgrund seines größeren Durchmessers. Am rückwärtigen Teil des Hohlraumes 32 werden Dichtungen 40 und 42 gebildet, um an diesen Punkten einen dichten Eingriff zwischen dem Rotor und der stationären Struktur zu schaffen. Eine weitere Dichtung 44 ist zwischen dem Rotor und der stationären Struktur an der vorderen Wand 38 vorhanden, um den abgedichteten Hohlraum 32 zu vervollständigen.

In der besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in der stationären Wand 22 eine Vielzahl von Öffnungen 46 zur Verbindung mit dem Inneren des Hohlraumes 32 vorhanden, so daß die aus dem Kompressor ausgestoßene Luft aus dem Bereich 24 in den Hohlraum 32 strömen kann. Die Zahl der benutzten Öffnungen kann nach Wunsch variiert werden und gegebenenfalls wird nur eine einzige Öffnung benutzt, um unter den richtigen Bedingungen den Zutritt der vom Kompressor ausgestoßenen Luft in den Hohlraum 32 zu gestatten. Die bevorzugte Ausführungsform benutzt jedoch eine Vielzahl von Öffnungen 46, die gleichmäßig über die Ausdehnung der Wandung 22 verteilt sind.

Um den Zutritt der vom Kompressor ausgestoßenen Luft in den Hohlraum 32 zu steuern, ist mit jeder Öffnung 46 ein Ventil 48 verbunden. Ist dieses Ventil offen, dann wird die vom Kompressor ausgestoßene Luft durch die Öffnung 46 in den Hohlraum 32 gelassen. Da, wie oben angegeben, die rückwärtige Wand 36 des Hohlraumes 32 einen beträchtlich größeren axialen Kolbenbereich aufweist als die Vorderwand 38, übt die komprimierte Luft vom Kompressor, die durch die Öffnungen 46 eintritt, eine rückwärts gerichtete Axialkraft auf den Rotor 12 und somit auf das Drucklager 18 aus.

Jedes Ventil 48 ist so konstruiert, daß es hinsichtlich seiner geöffneten Position vorgespannt ist. Unter den Bedingungen geringer Geschwindigkeit und des Leerlaufes der Gasturbine, bei denen der Kompressorauslaßdruck einen geringeren Wert hat, wird das Ventil durch diese Vorspannungskraft in der geöffneten Position gehalten. Unter solchen Bedingungen wird daher durch die durch die Öffnungen 46 eingelassene, vom Kompressor ausgestoßene Luft eine zusätzliche rückwärts wirkende Kraft gegen die Wandung 36 ausgeübt, um so die auf das Drucklager wirkende Kraft daran zu hindern, unter diesen Bedingungen in die Vorwärtsrichtung umzuschwenken. Nimmt dagegen die Geschwindigkeit der Turbine zu und entsprechend der Auslaßdruck des Kompressors, dann übersteigt dieser Druck die Vorspannungskraft, die auf das Ventil 48 wirkt und der innere Mechanismus des Ventils wird durch den Auslaßdruck des Kompressors gegen die vorgenannte Vorspannungskraft in seine geschlossene Position bewegt. Unter diesen Bedingungen kann die vom Kompressor ausgestoßene Luft nicht in den Hohlraum 32 gelangen und die in Rückwärtsrichtung auf die Wandung 36 wirkende Axialkraft dieser Luft wird daher beseitigt, so daß unter solchen Bedingungen hoher Geschwindigkeit und hoher Leistung ein zu starker Druck auf das Drucklager vermieden wird.

Einzelheiten des bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzten Ventils sind in Fig. 4 gezeigt. Bei der in dieser Figur gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist das Ventil ein Tellerventil und weist ein Gehäuse 50 auf, das aus zwei Hälften 52, 54 gebildet ist. Jede der Gehäusehälften 52, 54 ist mittels zwei oder mehr Befestigungsmitteln, von denen bei 56 jeweils eines für jede Gehäusehälfte gezeigt ist, an der stationären Wandung 22 befestigt. Die Befestigungselemente 56 können übliche Maschinenschrauben sein, die in Öffnungen in der stationären Wandung 22 geschraubt sind. Für jede Gehäusehälfte sind zwei oder mehr solcher Befestigungselemente vorgesehen, um sicherzustellen, daß mindestens zwei Befestigungselemente ausfallen müssen, bevor das Gehäuse abfällt. Um einen wirksameren Sitz des Gehäuses auf der stationären Wandung 22 zu schaffen und den Eintritt von Verunreinigungen, wie Staub aus der Umgebung, in das Innere des Gehäuses oder den Hohlraum 32 zu verhindern, wo solche Verunreinigungen den Sitz des Ventils oder die Kühldurchgänge der Turbine beeinträchtigen könnten, kann die Fläche des Gehäuses, die mit der stationären Wandung 22 im Eingriff steht, mit einer Ausnehmung 58 ausgebildet werden, in der sich eine aufliegende Dichtung 60 befindet.

Das Gehäuse 50 ist so ausgebildet, daß es im Inneren eine vorspringende Kante 62 einschließt, die sowohl vom Oberteil als auch dem Bodenteil des Gehäuses einen Abstand aufweist. Die vorspringende Kante 62 schließt mehrere Durchgänge 64 ein, die vom Kompressor ausgestoßene Luft durchlassen, sowie einen zentralen Durchgang 66 zur Aufnahme eines Ventilschaftes. Innerhalb des Gehäuses 50 ist ein Ventilkolben 68 montiert, um die Luftströmung durch die Öffnung 46 zu steuern. Der Ventilkolben weist ein unteres, aufliegendes Element 70 zum Eingriff mit einem Ventilsitz 71 auf der stationären Wandung 22 auf, um die Öffnung 46 zu verschließen. Der Ventilkolben 68 schließt weiter einen oberen Abschnitt 72 ein, der einen Abstand von dem unteren Abschnitt 70 aufweist und durch einen zentralen Ventilschaft 74 damit verbunden ist, der von dem vorgenannten zentralen Durchgang 66 durch die Kante 62 des Gehäuses aufgenommen wird. Der obere Abschnitt 72 des Ventilelementes schließt Öffnungen 76 zum Durchgang der vom Kompressor ausgestoßenen Luft ein, die durch die Pfeile 78 angedeutet ist.

Um den Ventilkolben 68 in seine geöffnete Position vorzuspannen, ist eine Vielzahl von Vorspannelementen 80 zwischen der vorspringenden Kante 62 des Gehäuses und dem oberen Abschnitt 72 des Ventilkolbens 68 angeordnet. In der in Fig. 4 gezeigten besonderen Ausführungsform, die die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, sind diese Elemente 80 Tellerfedern, die aus einem Hochtemperatur- Blechmetall gebildet sind, das der Temperatur der vom Kompressor ausgestoßenen Luft widerstehen kann, ohne eine dauerhafte Verformung zu erleiden. Für eine Anwendung bei tieferer Temperatur könnte anstelle der Tellerfedern eine Spiralfeder benutzt werden. In der dargestellten Ausführungsform verwendet man vier solche Tellerfedern, um die Vorspannungskraft auf den Ventilkolben 68 zu schaffen, doch kann in Abhängigkeit von der Größe der erwünschten Vorspannungskraft eine größere oder geringere Zahl von Tellerfedern benutzt werden. Zwischen den Tellerfedern 80 und dem oberen Abschnitt 72 des Ventilkolbens 68 ist eine flache, nicht elastische Scheibe 82 angeordnet.

Die Kombination von Tellerfedern und flachen, nichtelastischen Unterlagscheiben gestattet die Einführung einer Flexibilität in die Betriebseigenschaften des Ventils, während ein Gehäuse einer Standardgröße und ein Ventilkolben einer Standardgröße benutzt werden. Wendet man eine Vielzahl solcher Ventile an, wie im Fall der bevorzugten Ausführungsform, dann kann die Vorspannungskraft, die auf die verschiedenen Ventilkolben ausgeübt wird, variiert werden, indem man die Zahl oder Steifheit der angewendeten Tellerfedern zunehmen oder abnehmen läßt. Der zum Beispiel durch Weglassen von ein oder mehr der Tellerfedern gewonnene Raum kann, wie in Fig. 4 gezeigt, durch die erforderliche Zahl von flachen Unterlegscheiben 82 ausgefüllt werden.

Wie Fig. 4 zeigt, drücken die Tellerfedern das Ventilelement 68 nach oben in seine geöffnete Position, so daß ein Pfad für den Einlaß von aus dem Kompressor ausgestoßener Luft in den Hohlraum 32 unter den Bedingungen geringer Geschwindigkeit und des Leerlaufs der Turbine geschaffen wird, bei denen der Auslaßdruck des Kompressors einen geringeren Wert hat. Unter den Betriebsbedingungen der Turbine bei höheren Geschwindigkeiten, bei denen der Kompressor-Auslaßdruck einen höheren Wert hat, überwindet dieser Druck, wenn er auf den Ventilkolben 68 ausgeübt wird, die durch die Tellerfedern 80 geschaffene Vorspannungskraft und drückt den Ventilkolben 68 in seine geschlossene Position und blockiert so die Strömung der vom Kompressor ausgestoßenen Luft in den Hohlraum 32.

Der Betrieb der erfindungsgemäßen Turbine kann weiter unter Bezugnahme auf das Diagramm der Fig. 5 erläutert werden. Wie dort gezeigt, nimmt die rückwärts gerichtete Last auf den Rotor längs der Linie 84 graduell ab, wenn sich die Turbinengeschwindigkeit vermindert. Ließe man die Bedingungen bei weiterer Verminderung der Turbinengeschwindigkeit ungeändert, dann würde die Belastung weiter entlang der gestrichelten Linie 86 abnehmen und am Umschlagpunkt 88 von einer rückwärts gerichteten Belastung in eine Vorwärtslast umschlagen. Bei Anwendung der vorliegenden Erfindung werden jedoch bei Erreichen des Punktes 90 die Ventilkolben 68 durch die von den Tellerfedern 80 ausgeübte Vorspannungskraft in die geöffnete Position bewegt. Dies läßt vom Kompressor ausgestoßene Luft in den Hohlraum 32 eintreten und übt eine zusätzliche Axialkraft in einer Rückwärtsrichtung auf den Rotor 12 aus, was die rückwärts gerichtete Belastung längs der Linie 92 steigert und verhindert, daß die Belastung den Umschlagpunkt 88 erreicht.

Die Vorspannungskraft, die in jedem Ventil ausgeübt wird, kann durch die Zahl oder Steifheit der benutzten Tellerfedern variiert werden. Wenn erwünscht, können daher einige der Ventile mit weniger Tellerfedern und somit einer geringeren Vorspannungskraft konstruiert werden als andere Ventile. Mit einer solchen Anordnung werden die Ventile mit einer größeren Vorspannungskraft zuerst öffnen, wenn die Turbinengeschwindigkeit abnimmt, und die Ventile, die eine geringere Vorspannungskraft haben, werden später öffnen. Die Ventile können daher so angeordnet werden, daß sie statt gleichzeitig nacheinander öffnen, wenn die Turbinengeschwindigkeit abnimmt. Wie in Fig. 5 ersichtlich, können einige der Ventile von der Vielzahl von benutzten Ventilen so konstruiert werden, daß sie eine höhere Vorspannungskraft haben, um an dem Punkt 90 zu öffnen und für eine zusätzliche Zunahme der rückwärts gerichteten Belastung auf das Drucklager zu sorgen. Eine zweite Gruppe von Ventilen kann so konstruiert werden, daß sie eine geringere Vorspannungskraft hat, und diese Ventile öffnen dann am Punkt 94 in Fig. 5, wodurch weitere vom Kompressor ausgestoßene Luft und somit ein größerer Druck in den Hohlraum 32 eingeführt und somit eine weitere Zunahme der rückwärts gerichteten Belastung längs der Linie 96 bewirkt wird.

Die vorliegende Erfindung schafft somit eine beträchtliche Flexibilität bei der Ausführung. Vorzugszweise ist eine Vielzahl von Ventilen in einer gleichmäßigen Weise auf dem Umfang der stationären Wandung 22 verteilt, um vom Kompressor ausgestoßene Luft an einer Vielzahl von Punkten in den Hohlraum 32 einzulassen. All diese Ventile können so konstruiert sein, daß sie gleichzeitig öffnen, d.h., alle diese Ventile können mit der gleichen Vorspannungskraft versehen sein. Es ist aber auch möglich, die Vorspannungskraft einiger der Ventile größer einzustellen als die von anderen, so daß Ventile oder Gruppen von Ventilen nacheinander öffnen, wie oben beschrieben. Unter gewissen Bedingungen kann eine einzelne Öffnung in der stationären Wandung 22 und ein einzelnes Steuerventil benutzt werden. Während eine bestimmte Tellerventil-Konstruktion veranschaulicht und beschrieben worden ist, die die derzeit bevorzugte Form ist, können doch auch andere Arten von Ventilen benutzt werden, wenn erwünscht, um die Strömung der vom Kompressor ausgestoßenen Luft in den Hohlraum 32 zu steuern. Während der Einfachheit halber die Erfindung als auf Bedingungen angewendet beschrieben worden ist, bei denen eine zusätzliche rückwärts gerichtete Kraft angewendet wird, um den Umschlag zu verhindern, ist es doch klar, daß die Erfindung gleichermaßen anwendbar ist auf Bedingungen, bei denen es erforderlich ist, eine zusätzliche vorwärts gerichtete Kraft anzuwenden, um den Umschlag zu verhindern. Der Fachmann kann solche und andere Modifikationen, die innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung liegen, ohne weiteres finden.


Anspruch[de]
  1. 1. Belastungsanordnung für Drucklager in einer Gasturbine mit einer stationären Wandung (22) und einem Rotor (12), der einen Kompressor (14) und eine Turbine (16) umfaßt, gekennzeichnet durch:

    1. a) eine Einrichtung zum Montieren des Rotors für eine Rotationsbewegung, wobei diese Einrichtung ein Druckkugellager (18) einschließt;
    2. b) die Turbine mindestens einen abgedichteten Hohlraum (32) zwischen einem Teil des Rotors und der stationären Wandung einschließt;
    3. c) der Hohlraum eine Rückwand (36) und eine vordere Wand (38) einschließt, wobei eine der Wandungen eine größere Oberfläche aufweist als die andere;
    4. d) die stationäre Wandung (22) eine Öffnung (46) hinter dem Kompressor aufweist, um einen Strömungspfad für die vom Kompressor ausgestoßene Luft in den Hohlraum zu schaffen, um die Belastung auf das Drucklager zu erhöhen und
    5. e) eine Einrichtung, die auf den Auslaßdruck des Kompressors anspricht und die Strömung der vom Kompressor ausgestoßenen Luft in den Hohlraum steuert, um eine gerichtete Belastung des Drucklagers während des normalen Betriebsbereiches der Turbine sicherzustellen.


  2. 2. Belastungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Öffnungen (46) in der stationären Wandung (22), um eine Vielzahl von Strömungspfaden für die vom Kompressor ausgestoßene Luft in den Hohlraum (32) zu schaffen, wobei eine Vielzahl von Einrichtungen (48) vorhanden ist, um die Strömung der vom Kompressor ausgestoßenen Luft durch diese Öffnungen in den Hohlraum zu steuern.
  3. 3. Belastungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Steuern der Strömung der vom Kompressor ausgestoßenen Luft durch die Öffnungen (46) ein Ventil (48) umfassen, das eine Einrichtung zum Vorspannen des Ventils in eine geöffnete Position einschließt, wobei das Ventil in seine geschlossene Position bewegt wird, wenn der Auslaßdruck des Kompressors die durch die Vorspannungseinrichtung ausgeübte Kraft übersteigt.
  4. 4. Belastungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungseinrichtung eine Feder (80) umfaßt.
  5. 5. Belastungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder eine Tellerfeder (80) ist.
  6. 6. Belastungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (48) folgende Teile umfaßt:

    1. a) ein Gehäuse (50),
    2. b) eine Einrichtung (56) zum Befestigen des Gehäuses an der die Öffnung (46) umgebenden stationären Wandung (22),
    3. c) eine einen Ventilsitz (71) an der Öffnung schaffende Einrichtung,
    4. d) einen Ventilkolben (68), der zum Eingriff mit dem Sitz angeordnet und zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position innerhalb des Gehäuses bewegbar ist und
    5. e) eine Feder (80), die in dem Gehäuse angeordnet ist und im Eingriff mit dem Ventilkolben steht, um diesen in seine geöffnete Position vorzuspannen.


  7. 7. Belastungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (50) aus zwei komplementären Hälften (52, 54) besteht, um den Zusammenbau des Ventilelementes und der Feder (80) darin zu erleichtern.
  8. 8. Belastungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtung für jede der Gehäusehälften (52, 54) mindestens zwei Befestigungselemente (56) umfaßt, die mit der stationären Wandung (22) im Eingriff stehen, wodurch das Gehäuse nicht auseinanderfallen kann, bevor nicht mindestens zwei oder mehr Befestigungselemente versagen.
  9. 9. Belastungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder eine Tellerfeder (80) ist.
  10. 10. Belastungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (50) eine vorbestimmte Höhe aufweist, eine Vielzahl von Tellerfedern (80) benutzt wird und die Vorspannungskraft variiert wird, indem man ein oder mehrere der Tellerfedern durch flache, nicht elastische Scheiben (82) ersetzt.
  11. 11. Belastungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Einrichtungen (48) zum Steuern der Strömung der ausgestoßenen Luft durch die Öffnungen (46) folgende Teile umfaßt:

    1. a) ein Gehäuse (50),
    2. b) eine Einrichtung (56) zum Befestigen jedes Gehäuses an der eine der Öffnungen (46) umgebenden stationären Wandung (22),
    3. c) eine an jeder der Öffnungen einen Ventilsitz (71) schaffende Einrichtung,
    4. d) einen Ventilkolben (68), der zum Eingriff mit jedem der Ventilsitze angeordnet und zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position in seinem Gehäuse bewegbar ist,
    5. e) wobei alle Gehäuse (50) die gleiche vorbestimmte Höhe haben,
    6. f) eine Vielzahl flacher, nicht elastischer Scheiben (82) und eine Vielzahl von Tellerfedern (80), die in jedem der Gehäuse in einem Stapel angeordnet sind, um den jeweiligen Ventilkolben in seine geöffnete Position vorzuspannen,
    7. g) die Zahl der flachen Scheiben (82) und die Zahl der Tellerfedern (80) in jedem der Gehäuse (50) variiert ist, um die Vorspannungskraft auf das entsprechende Ventilelement zu variieren, während für jeden der Stapel aus Federn und Scheiben im wesentlichen die gleiche Höhe beibehalten wird und
    8. h) wobei die Ventile (48), die die genannte Vielzahl von Öffnungen (46) steuern, so angeordnet sind, daß sie sich zu verschiedenen Zeiten öffnen und schließen, um die Belastung des Drucklagers in einer abgestuften Weise zu variieren, während man die gleichen Standardteile benutzt.


  12. 12. Belastungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des Gehäuses (50), die mit der stationären Wandung (22) im Eingriff steht, mit einer Ausnehmung (58) ausgebildet ist, in der sich eine Dichtung (60) befindet.






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