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Dokumentenidentifikation DE3801914A1 11.08.1988
Titel Zugdampfkolben-Ausgleichseinrichtung
Anmelder General Electric Co., Schenectady, N.Y., US
Erfinder Hines, William Ronald, Montgomery, Ohio, US
Vertreter Schüler, H., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 6000 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 23.01.1988
DE-Aktenzeichen 3801914
Offenlegungstag 11.08.1988
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.08.1988
IPC-Hauptklasse F01D 3/04

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf Turbinentriebwerke und insbesondere auf Mittel zum Aufnehmen einer axialen Kraft auf ein Schublager, wie es beispielsweise in Verbindung mit einem Rotor verwendet wird.

Eine Eigenschaft eines Turbinentriebwerkes besteht darin, daß es rotierende Komponenten aufweist, die durch stationäre Komponenten gehalten werden, die Kräfte, die durch die rotierenden Komponenten erzeugt werden, aufnehmen oder durch diese beeinflußt werden. Beispielsweise weist in modernen Gasturbinentriebwerken eine rotierende Komponente oder ein Rotor verschiedenen Teile auf, wie beispielsweise Wellen, Wellenkegel, Scheiben oder Schaufeln tragende Trommeln, Strömungsmitteldichtungen und verschiedene tragende Verbindungsteile. An verschiedenen Punkten oder Abschnitten in dem Triebwerk wirken in Abhängigkeit von dem relativen Druck Schubkräfte in dem Triebwerk axial auf das Triebwerk. In dem Turbinenabschnitt des Triebwerks, in dem die Drucke der Gasströmung oder der Strömungsmittelbahn axial stromabwärts von dem Triebwerk abfallen, ist die resultierende axiale Kraft stromabwärts gerichtet. Ein durch eine Turbine angetriebener Verdichter kann bis zu einem gewissen Ausmaß eine derartige resultierende Axialkraft in stromabwärtiger Richtung in dem Triebwerk kompensieren: Der höchste Druck in dem Verdichter besteht in seinen letzten Stufen und hat die Neigung, eine resultierende Axialkraft nach vorne auszuüben. In einer freilaufenden Leistungsturbine jedoch wird die stromabwärts gerichtete Axialkraft durch ein Schublager oder eine komplexe Anordnung von Lagern aufgenommen. Bekannte Lager können für übliche Gasturbinentriebwerke verwendet werden, zu denen Standard-Leistungsturbinen gehören.

Die Gasturbinentechnik, soweit sie sich auf industrielle Applikationen bezieht, hat sich fortentwickelt durch die Verwendung von Dampf, um den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern und die Ausgangsleistung zu vergrößern. Diesbezüglich wird auf die US-Patentschriften 45 69 195 und 46 31 914 verwiesen. Ein Ergebnis ist eine erhebliche Vergrößerung der Rotorschublasten gewesen, wodurch Lager erforderlich werden, die bisher nicht zur Verfügung stehen.

Ein bisher bekanntes Mittel, um einen derartig hohen resultierenden Axialschub zu kompensieren, war die Verwendung von unter einem relativ hohen Druck stehender Luft, die aus dem Verdichter abgezweigt und einem Teil des Triebwerks zugeführt wurde. Ein anderes Mittel, wie es beispielsweise in der US-PS 45 78 018 beschrieben ist, verwendet ein Hydraulikmittel für diesen Zweck. Jedoch kann die Verwendung von Luft, die das Triebwerk verdichtet hat, oder von Hydraulikmitteln, wie sie in dem Triebwerk für Schmierzwecke verwendet werden, Verluste im Triebwerkswirkungsgrad hervorrufen.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes und effizientes Mittel zu schaffen, um wenigstens einen Teil des axialen Rotorschubs in einem Turbinentriebwerk aufzunehmen. Weiterhin soll ein derartiges Mittel für ein Gasturbinentriebwerk geschaffen werden, das Dampf anstelle von Triebwerksluft oder Hydraulikmittel verwendet. Weiterhin soll ein Gasturbinentriebwerkssystem geschaffen werden, das eine Dampfquelle und Mittel aufweist, um den Dampf für ein Dampfkolbengleichgewicht auszunutzen. Ferner soll ein verbessertes Verfahren geschaffen werden, um wenigstens einen Teil der Axialkraft auf ein Schublager während des Turbinentriebwerksbetriebs aufzunehmen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Dampfkolbengleichgewichtseinrichtung für ein Turbinentriebwerk geschaffen, das eine Druckkammer und Mittel aufweist zum Zuführen von Dampf in die Druckkammer. Die Kammer wird durch einen inneren Oberflächenabschnitt eines Teils, der mit einem Rotor verbunden ist und mit diesem umläuft, ein nicht-rotierendes zweites Teil, das im Abstand von der inneren Oberfläche angeordnet ist, und Dichtungsmittel zwischen der umlaufenden inneren Oberfläche und dem nicht-rotierenden zweiten Teil gebildet. Ferner sind Mittel vorgesehen, um Dampf in die Kammer einzuführen, damit der Dampf eine Ausgleichs- oder Gleichgewichtskraft auf den Rotor durch die verbundene innere Oberfläche ausüben kann.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel sind Mittel vorgesehen, um Dampf von der Kammer in die Strömungsbahn des Arbeitsmittels des Triebwerks einzuführen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein System mit einer derartigen Dampfkolbengleichgewichtseinrichtung und einer Dampfquelle zusammen mit Mitteln versehen, um der Kammer Dampf zuzuführen.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Turbinentriebwerk mit einem Schublager gemäß einem Verfahren betrieben, das unter Druck stehenden Dampf gegen ein Teil, beispielsweise einen Teil der Kammer, richtet, der wenigstens einen Teil der axialen Kraft auf das Schublager aufnimmt.

Die Erfindung ist besonders brauchbar bei industriellen Gasturbinentriebwerken, die von Flugzeug-Gasturbinen abgeleitet und so ausgelegt sind, daß sie als Versionen mit Dampfinjektion arbeiten. Im allgemeinen haben diese Triebwerkstypen einen einfachen oder doppelten Kerntriebwerksrotor mit freilaufenden Leistungsturbinen. Diese Anordnung unterscheidet sich von den üblichen, schwereren Industrie-Gasturbinentriebwerken zur Erzeugung elektrischer Energie, da die Standard-Triebwerke im allgemeinen Einwellenkonfigurationen sind die bei einer festen Drehzahl von beispielsweise 3000 oder 3600 U/min arbeiten. Die axial stromabwärtigen oder hinteren Turbinenrotorschübe derartiger Triebwerke werden bis zu einem großen Grad durch axial vordere oder stromaufwärtige Verdichterrotorkräfte ausgeglichen.

Mit dem Aufkommen von ein hohes Druckverhältnis aufweisenden Triebwerken mit Dampfinjektion, wie sie beispielsweise in den vorgenannten US-Patentschriften 45 69 195 und 46 31 914 beschrieben sind, kann die spezifische Triebwerksleistung um ein Vielfaches, beispielsweise um einen Faktor 5, vergrößert werden, im Vergleich zu ihren "trockenen" Versionen, in denen kein Dampf gespritzt wird. Die Rotorschubwerte der Leistungsturbine sind auf eine nach hinten gerichtete Kraft bis zu etwa 129 000 kp (285 000 pounds) angestiegen, was eine 3 bis 5-fache Vergrößerung der Rotorschublasten zu Folge hat. Diese Lasten überschreiten das Leistungsvermögen von bekannten Lagern für die auftretenden Wellengrößen. Zusätzlich erfordern gegenwärtige Lager, die eine sehr große Größe besitzen, sehr große Mengen Öl für den Betrieb und an ihnen treten große Reibungsverluste auf. Ein Versuch, die Last in einer duplexen oder anderen komplexen Lageranordnung zu verteilen, stellt viele Probleme hinsichtlich der Ausführung und des Wirkungsgrades und der Betriebssicherheit einer derartigen Verteilung dar. Hierfür schafft die Erfindung eine einfacherere, wirksamerere, betriebsicherere Alternative.

Die erfindungsgemäße Lösung für das Problem zieht Nutzen aus Hochdruckdampf, der im allgemeinen auf zweckmäßige Weise von einem Abwärmeboiler verfügbar ist, der zur Erzeugung von unter Druck stehendem Dampf für die Einspritzung in das Triebwerk verwendet wird. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in der vorgenannten US-PS 45 69 195 beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Dampf verwendet, um eine Druck- oder eine kolbenartige Kraft nach vorne in bezug auf die Leistungsturbine auszuüben. Eine derartige Kraft wird auf eine Oberfläche eines Teils ausgeübt, das mit dem Leistungsturbinenrotor verbunden ist und mit diesem umläuft. Da derartige Teile mit wenigstens einem Teil des Schublagers verbunden sind, wird eine Zugkraft nach vorne auf das Schublager ausgeübt. Dadurch wird wenigstens ein Teil der nach hinten oder stromabwärts gerichteten Lagerkraft aufgenommen, die aus dem Betrieb der Leistungsturbine resultiert.

Bei Verwendung der Erfindung kann ein fortgeschrittenes, ein hohes Druckverhältnis aufweisendes Triebwerk mit Dampfinjektion mit einem einzigen Lager aufgebaut werden, das auf einfache Weise die Rotorschublast aufnimmt, während es trocken - ohne Dampfinjektion - läuft. Gleichzeitig kann ein derartiges Lager eine angemessene Rotorschublast, beispielsweise die Hälfte, aufnehmen, wenn das Triebwerk mit Dampfinjektion läuft in Verbindung mit der Zugdampfkolbengleichgewichts-Einrichtung gemäß der Erfindung, um einen sicheren effizienten Betrieb zu ermöglichen. Dieses einzelne Lager braucht nur so ausgelegt zu sein, daß es die inkrementelle Rotorschublast für den trockenen Betrieb aufnimmt, wobei die Zugdampfkolbengleichgewichts-Einrichtung gemäß der Erfindung so ausgelegt ist, daß sie den Rest der möglichen Rotorschublast während des Betriebs Dampfinjektion aufnimmt.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung von einem relativ einfachen Ausführungsbeispiel eines Gasturbinentriebwerkes mit einer Leistungsturbine.

Fig. 2 ist eine Teilschnittansicht hauptsächlich von dem Leistungsturbinenabschnitt eines Gasturbinentriebwerks gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 3 ist eine vergrößerte Darstellung von einem Teil des in Fig. 2 gezeigten Leistungsturbinenabschnitts, um die Erfindung im Detail darzustellen.

Fig. 1 zeigt schematisch ein relativ einfaches Triebwerk mit Dampfinjektion. Diese und komplexere Ausführungsformen eines derartigen Triebwerks sind in der vorgenannten US-PS 45 69 195 beschrieben. Ein derartiges Triebwerk enthält hintereinander entlang einer Strömungsbahn 10 für das Arbeitsmedium einen Verdichter 12, eine Brennkammer 14 und eine Turbine 16, wobei ferner eine frei rotierende Leistungsturbine 18 vorgesehen ist, die zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie in bekannter Weise verwendet wird. Der Verdichter 12 ist mit der Turbine 20 verbunden, die den Verdichter 12 durch eine Welle 22 antreibt. Die Leistungsturbine 18 jedoch, die im allgemeinen von einer stationären Triebwerksstruktur durch vordere und hintere Lager der Leistungsturbine gehaltert wird, ist frei für eine Rotation als eine Funktion von Gasen, die durch die Triebwerksschaufeln expandieren. Eine Detaildarstellung von einem Typ einer Leistungsturbine ist in dem Teilschnitt von Fig. 2 gezeigt. Unter Druck stehender Dampf aus einer Quelle 23, der im allgemeinen in einem überhitzten Zustand ist, kann in das Triebwerk hinter der Turbine 20 eingeführt werden, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, enthält eine Leistungsturbine einen Turbinenrotor 25, der Turbinenschaufeln 24 aufweist, die durch miteinander verbundene rotierende Räder oder Scheiben 26 getragen werden. Wenigstens eine der Scheiben, beispielsweise die Scheibe 26a in Fig. 2, wird durch rotierende strukturelle Teile 28 und 30 mit vorderen und hinteren Lager- und Dichtungsanordnungen, wie sie bei 32 und 34 gezeigt sind, in bekannter Weise verbunden. Stationäre Schaufeln 36, die durch eine stationäre äußere Struktur, wie beispielsweise ein äußeres Gehäuse 38, getragen sind, sind zwischen den Laufschaufeln 24 angeordnet. In dem Triebwerk gemäß Fig. 2 ist eine Niederdruckturbine 40 stromaufwärts (links von der Figur) von der Leistungsturbine 18 gezeigt, wobei die Unterteilung zwischen der Niederdruckturbine 40 und der Leistungsturbine 18 in der Nähe der stationären hohlen Strebe 44 auftritt.

Ein umlaufendes Strukturteil 30, das in dem hinteren Abschnitt der Leistungsturbine mit einer rotierenden Scheibe 26a verbunden ist, steht mit einem zusätzlichen Strukturteil 50 in Verbindung, das den rotierenden Abschnitten der Lagereinrichtung 34 zugeordnet ist. In Fig. 2 ist ein Schublager 52 in der Lagereinrichtung 34 gezeigt. Durch diese allgemeine Art einer bekannten Anordnung wird der hintere resultierende Axialschub von der Leistungsturbine durch das Schublager aufgenommen.

Ein Dampfverteiler 46, der mit einer Druckdampfquelle 23 verbunden ist, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, führt Dampf durch eine Leitungseinrichtung 48 und das Innere einer Strebe 44 in ein Ausführungsbeispiel der Zugdampfkolbengleichgewichts-Einrichtung gemäß der Erfindung ein, wie es allgemein bei 54 und detailierter in Fig. 3 gezeigt ist. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 enthält die Leitung 48 ein Dampfströmungs-Regelventil 49, auf das später eingegangen wird. Zusätzlich steht die Dampfleitung 48 mit einer Luftleitung 51 in Verbindung, die ein Luftregelventil 53 enthält, das später näher erläutert wird.

In der Detaildarstellung gemäß Fig. 3 enthält die Zugdampfkolbengleichgewichts-Einrichtung gemäß der Erfindung eine Druckkammer 56 mit einer rotierenden inneren Oberfläche 58 von einem Abschnitt eines ersten Teils 60, das mit dem Leistungsturbinenrotor 25, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, durch ein rotierendes Strukturteil 28 verbunden ist und mit dem Rotor umläuft. Die Druckkammer 56 wird ferner durch ein nicht-rotierendes stationäres zweites Teil 62 gebildet, das durch die stationäre Strebe 44 getragen wird und im Abstand von einer Oberfläche 58 des ersten Teils 60 gehalten ist. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sind die ersten und zweiten Teile 60 und 62 im wesentlichen ringförmige, im Abstand angeordnete Teile. Vervollständigt wird die Druckkammer 56 gemäß Fig. 3 durch Dichtungsmittel 64a und 64b, die in der Zeichnung als entsprechend angeordnete, radial innere und äußere Fluiddruckabfalldichtungen in der Form von Labyrinthdichtungen gezeigt sind, die allgemein bekannt und in großer Vielfalt verwendet werden. Zweckmäßigerweise haben diese Dichtungen eine Ringform.

Unter Druck stehender Dampf, beispielsweise unter einem Druck, der wenigstens größer als derjenige an der Fluideingangsstation der Leistungsturbine unmittelbar stromabwärts von der Strebe 44 ist und so groß wie der erforderliche Druck für ein Schubgleichgewicht aus der Dampfquelle 23 gemäß Fig. 1 ist, wird von dem Verteiler 46 und der Leitung 48 gemäß Fig. 2 durch den hohlen Innenraum der Strebe 44 zu einer Dampfleitung 66 gemäß Fig. 3 und dann zur Druckkammer 56 zugeführt. Der Dampf wirkt auf die Wände der Kammer ein, um eine Kraft in Übereinstimmung mit der Art und Weise auszuüben, in der ein unter Druck stehendes Strömungsmittel innerhalb einer derartigen Kammer wirkt. Da jedoch das rotierende Teil 60 der Kammer 56 durch den Rotor 25 mit dem Schublager 52 in Verbindung steht, wie es vorstehend beschrieben wurde, wird die auf die Innenfläche 58 des ersten Teils 60 ausgeübte Kraft als eine axiale, nach vorne gerichtete Zugkraft auf das Schublager 52 ausgeübt, um dadurch wenigstens einen Teil der nach hinten gerichteten Axialkraft auf ein derartiges Lager aufzunehmen, die aus dem Betrieb des Triebwerks resultiert. Deshalb übt Dampf, der eine Druckkraft auf die Innenfläche 58 des Teils 60 ausübt, seinerseits eine Zugkraft auf das Schublager aus.

Ein weiteres Merkmal des Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, ist eine Einrichtung zum Leiten von Dampf aus der Druckkammer 56 in die Strömungsmittelbahn 10 des Gasturbinentriebwerks für eine Vergrößerung des Wirkungsgrads, wie es beispielsweise in der eingangs genannten US-PS 45 69 195 beschrieben ist. Dampf aus der Kammer 56 strömt in einer kontrollierten Weise, beispielsweise durch Dichtungsmittel 64a und 64b, für einen Eintritt in die Triebwerksströmungsmittelbahn oder die Gasströmungsbahn 10 in dem Turbinenabschnitt des Triebwerks. Eine derartige Dampfströmung kann aus den radial inneren und äußeren Dichtungsmitteln in die Triebwerkskammern 68 bzw. 70 erfolgen und dann durch verschiedene Triebwerksstrukturen und Komponenten, wie es durch die Pfeile 72a und 72b gezeigt ist.

Ein weiteres Merkmal des Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, ist die Anordnung einer Dampfströmungs-Steuereinrichtung, wie beispielsweise eines Ventils 49 in der Dampfleitung 48 oder an einer anderen Stelle in der Dampfzuführungsleitung zur Kammer 56, wenn dies zweckmäßiger ist, um die Strömung von Druckdampf in die Druckkammer 56 einzustellen oder zu steuern. Ein derartiges Ventil kann beispielsweise wenigstens teilweise als eine Funktion der Abnutzung der Dichtungsmittel 64a und 64b während des Betriebs arbeiten. Eine derartige Dichtungsabnutzung würde dazu neigen, daß mehr Dampf aus der Kammer 56 strömen kann, wodurch der Druck in der Kammer verkleinert und dadurch wiederum die Zugkraft oder die Wirkung auf das Schublager 52 gemäß Fig. 2 verkleinert wird. Die Funktion einer derartigen Strömungssteuereinrichtung, wie die des Ventils 49, kann an eine zentrale Steuer- bzw. Regeleinrichtung weitergeleitet werden, zu der Signale betreffend die Kraft- oder Beanspruchungswerte oder andere Zustände auf das Lager 52 übertragen werden können. Dies kann unter Verwendung bekannter Signalabtast- und Übertragungstechnologien und Mitteln erfolgen, die in der Gasturbinentechnik zum Abtasten und Übertragen von Betriebszuständen und Parametern innerhalb des Triebwerkes und seiner zugeordneten Systeme bekannt sind.

Ein weiteres Merkmal des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist die Anordnung einer Luftleitung 51, die durch eine Luftsteuereinrichtung oder ein Ventil 53 gesteuert wird. Eine derartige Struktur ist vorgesehen, um den Zustand zu ermöglichen, bei dem das Triebwerk in dem "trockenen" Zustand betrieben wird, d. h. ohne die Einspritzung von Dampf für eine erhöhte Last und einen verbesserten Wirkungsgrad, wie es in der vorgenannten US-PS 45 69 195 beschrieben ist. Bei einem derartigen "trockenen" Betrieb kann das Schublager 52 die axial gerichtete Schubkraft aufnehmen wie bei einem üblichen Gasturbinentriebwerk. Es ist jedoch wünschenswert, eine reinigende Luftströmung oder Druckluft in die Kammer 56 und dann in die Kammern 68 und 70 zu richten. Wenn beispielsweise das Ventil 49 in der Leitung 48 geschlossen ist und kein Dampf durch die Leitung 48 strömt, kann das Ventil 53 bis zu einem gewünschten Grad geöffnet werden, um Druckluft, die zweckmäßigerweise stromaufwärts in dem Triebwerk, beispielsweise von dem Verdichter, abgezweigt wird, durch die Leitung 51 und in die Kammern 56, 68 und 70 zu leiten.

Die Koordination und das Ausmaß des Betriebs der Ventile 49 und 53 kann durch relativ einfache Strömungssteuereinrichtungen erreicht werden, wie beispielsweise durch eine Schalt- oder Ventilsteuereinrichtung 55 in Fig. 2. Beispielsweise kann eine Umschaltung in einer Triebwerksregelung enthalten sein, die einen Betrieb zwischen "Trocken"- und Dampfinjektion wählt, wobei eine in der Regeltechnik von Gasturbinentriebwerken bekannte Technologie verwendet wird. Weiterhin kann diese Teil- oder Vollumschaltung von Dampf auf Luft in der Strömungsregeleinrichtung 55 auf verschiedenen Wegen programmiert sein. Beispielsweise kann sie als eine Funktion des Ölpumpendruckes des Schublagers des Leistungsturbinenrotors verändert werden, d. h. der Dampf zum Dampfkolben kann verkleinert werden, wenn die Schublagerlast der Leistungsturbine unterhalb von Sollwerten liegt. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Verhältnis des Dampfkammerdruckes zum Einlaßgasströmungsdruck der Leistungsturbine durch eine Dampfventildrosselung eingestellt werden, um die Anforderungen des Zugrotorschubs zu steuern.

Es sind Vergleichsberechnungen angestellt worden zwischen der vorliegenden Erfindung und der erwarteten Leistungsfähigkeit von komplexeren mechanischen Lagern, wie beispielsweise angepaßten Paaren von Last aufteilenden Lagern, die für die oben beschriebenen großen Lastbedingungen während des Dampfinjektionsbetriebs verwendet werden müßten. Vergleichsberechnungen haben gezeigt, daß die erfindungsgemäße Einrichtung etwa den gleichen thermischen Wirkungsgrad hat ohne die Risiken und Leistungsverluste, die bei den komplexen mechanischen Lagereinrichtungen auftreten. Weiterhin haben Vergleichsberechnungen gezeigt, daß die erfindungsgemäße Einrichtung etwa den gleichen thermischen Wirkungsgrad hat, wie komplexe mechanische, konische Rollenlager- Lastverteilungsvorrichtungen, die einen Leistungsverlust von etwa 1% haben, aber ohne die Risiken. Es ist ein betriebssichereres System mit zuverlässigeren Voraussagen hinsichtlich der Lebensdauer; es eliminiert auch die Handhabung einer großen Ölversorgung und von Pumpen, die bei anderen Systemen erforderlich sind.

Die Verwendung der Strömungssteuereinrichtung 55 und ihrer Koordination der Strömung des Druckdampfes, wie beispielsweise aus der Quelle 23 in Fig. 1, durch die Leitung 48 und die Strömung von Druckluft durch die Leitung 51 ist im allgemeinen eine Funktion des Triebwerksbetriebs. Ein Beispiel ist das Ereignis, daß die Triebwerksleistung gesenkt wird, beispielsweise durch Zurückziehen des Gashebels, von Dampfinjektion in Richtung auf "trocken" oder Betrieb ohne Dampf. Die Steuereinrichtung 55 kann auf das Luftventil 53 und das Dampfventil 49 einwirken, um die entsprechenden Drucke einzeln zu drosseln, so daß der Dampfdruck bei konstanter Gesamtenthalpie gesenkt wird und die Dampfüberhitzung ansteigt. Auf diese Weise wird eine Mischung des unter Druck stehenden, überhitzten Dampfes und kälterer Luft keine Kondensation bewirken. Ein anderes Beispiel ist das Ereignis, daß die Triebwerksleistung vergrößert wird, beispielsweise durch Vorschieben des Gashebels, von "trockenem" Betrieb mit Reinigungsluft in Richtung auf einen Dampfeinspritzbetrieb. Die Quelle oder Versorgung von Druckluft kann so gewählt werden, daß sie auf einer ausreichend hohen Temperatur ist, um eine Kondensation zu verhindern, wenn überhitzter Dampf zugesetzt wird. Eine derartige Regelung und Koordination kann ausgeführt werden unter Verwendung von üblichen Technologien, die in der Turbinentriebwerkstechnik allgemein bekannt sind.


Anspruch[de]
  1. 1. Zugdampfkolben-Ausgleichseinrichtung für das Schublager eines Gasturbinentriebwerkes zur Aufnahme wenigstens eines Teils der axialen Kraft von dem Schublager, gekennzeichnet durch :

    eine Druckkammer (56) mit einer umlaufenden inneren Oberfläche (58), die durch wenigstens einen Abschnitt eines ersten Teils (60) gebildet ist, das mit einem rotierenden Abschnitt des Schublagers (52) verbunden ist und mit diesem umläuft, und

    Mittel zum Zuführen von unter Druck stehendem Dampf zu der Kammer (56) und gegen die Innenfläche (58) zum Ausüben einer Druckkraft auf die Innenfläche und dadurch einer Zugkraft auf das Schublager (52).
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammer (56) durch wenigstens einen Abschnitt des ersten Teils (60), das mit dem Rotor verbunden ist und mit diesem umläuft, ein nicht-umlaufendes zweites Teil (62), das im Abstand von der Innenfläche (58) angeordnet ist, und Dichtungsmittel (64) zwischen der umlaufenden Innenfläche und dem nicht-umlaufenden zweiten Teil gebildet ist.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind zum Leiten von Dampf von der Druckkammer in die Strömungsbahn des Arbeitsmediums des Turbinentriebwerks.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Dampf aus der Druckkammer durch die Dichtungsmittel geleitet ist.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsmittel zwei Labyrinth-Druckabfalldichtungen aufweisen.
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Teile (60, 62) im wesentlichen ringförmige, im Abstand angeordnete Teile sind, die auf entsprechende Weise durch eine rotierende und eine nicht-rotierende Struktur getragen sind, die mit den Dichtungsmitteln eine im wesentlichen ringförmige Druckkammer bilden, und die Dichtungsmittel radial innere und äußere Strömungsmittel-Druckabfalldichtungen aufweisen, durch die die Dampfströmung aus der Druckkammer steuerbar ist.
  7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Zuführen von Druckdampf zu der Druckkammer eine Dampfströmungssteuereinrichtung aufweisen zum Steuern der Dampfströmung in die Druckkammer wenigstens als eine Funktion des Triebwerksbetriebs.
  8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Zuführen von Druckluft zu der Druckkammer, eine Luftströmungs-Steuereinrichtung zum Steuern der Strömung der Druckluft in die Druckkammer und eine Strömungsmittel-Steuereinrichtung vorgesehen sind, die mit der Dampfströmungs-Steuereinrichtung und der Luftströmungs-Steuereinrichtung verbunden ist zum Koordinieren der Strömung von Dampf und Luft in die Druckkammer als eine Funktion des Triebwerksbetriebs.
  9. 9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

    daß das Gasturbinentriebwerk in Strömungsrichtung hintereinander einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine und ferner eine Leistungsturbine mit einem frei umlaufenden Leistungsturbinenrotor aufweist, der axial durch wenigstens ein Rotorschublager gehaltert ist,

    die Druckkammer radial innen von der Strömungsbahn der Leistungsturbine angeordnet ist und eine umlaufende Innenfläche aufweist, die durch wenigstens einen Abschnitt eines ersten Teils, das mit dem Rotor verbunden ist und mit diesem umläuft, ein nicht-rotierendes zweites Teil, das im Abstand von der Innenfläche angeordnet ist, und Dichtungsmittel zwischen der rotierenden Innenfläche und dem nicht-rotierenden zweiten Teil gebildet ist, und

    Mittel vorgesehen sind zum Zuführen von unter Druck stehendem Dampf zu der Druckkammer und gegen die Innenfläche, um eine Druckkraft auf die Innenfläche und somit eine Zugkraft auf das Schublager auszuüben.
  10. 10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Leiten von Dampf von der Druckkammer in die Strömungsbahn der Turbine vorgesehen sind.
  11. 11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Teile im wesentlichen ringförmige, im Abstand angeordnete Teile sind, die auf entsprechende Weise durch eine rotierende Struktur und eine nicht-rotierende Struktur der Turbine gehalten sind, die mit den Dichtungsmitteln eine im wesentlichen ringförmige Druckkammer bilden, und Dichtungsmittel vorgesehen sind, die radial innere und äußere Strömungsmittel-Druckabfalldichtungen aufweisen, durch die die Dampfströmung aus der Druckkammer steuerbar ist.
  12. 12. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Zuführen von Druckluft aus dem Verdichter zu der Druckkammer, eine Luftströmungs-Steuereinrichtung zur Steuerung der Strömung von Druckluft in die Druckkammer und eine Strömungsmittel-Steuereinrichtung vorgesehen sind, die mit der Dampfströmungs-Steuereinrichtung und der Luftströmungs-Steuereinrichtung verbunden ist zum Koordinieren der Strömung von Dampf und Luft in die Druckkammer als eine Funktion des Triebwerksbetriebs.
  13. 13. Gasturbinentriebwerkssystem mit einer Dampfquelle auf einem ersten Druck, einem Gasturbinentriebwerk mit in einer Arbeitsmittel-Strömungsbahn hintereinander angeordneten Verdichter, einer Brennkammer und einer Turbine, wobei das Triebwerk einen Rotor aufweist, der axial durch wenigstens ein Rotorschublager gehaltert ist, und mit Mitteln zum Einführen von Dampf in das Triebwerk, gekennzeichnet durch eine mit dem Schublager verbundene Zugdampfkolben- Ausgleichseinrichtung zum Aufnehmen wenigstens eines Teils der axialen Kraft von dem Schublager, wobei die Dampfkolben-Ausgleichseinrichtung aufweist:

    1. a) eine Druckkammer mit einer rotierenden Innenfläche, die durch wenigstens einen Abschnitt eines ersten Teils, das mit dem Rotor verbunden ist und mit diesem umläuft, einem nicht-rotierenden zweiten Teil, das im Abstand von der Innenfläche angeordnet ist, und Dichtungsmitteln zwischen der rotierenden Innenfläche und dem nicht-rotierenden zweiten Teil gebildet ist,
    2. b) Mittel zum Zuführen des Dampfes zu der Druckkammer und gegen die Innenfläche, um eine Druckkraft auf die Innenfläche und somit eine Zugkraft auf das Schublager auszuüben, und
    3. c) Mittel zum Einführen von Dampf aus der Druckkammer in einen gewählten Abschnitt der Strömungsbahn des Arbeitsmittels stromabwärts von dem Verdichter, wobei das Arbeitsmittel in der Strömungsbahn an dem gewählten Abschnitt auf einem zweiten Druck ist, der kleiner als der erste Druck ist.


  14. 14. Verfahren zum Betreiben eines Turbinentriebwerks mit einer Strömungsbahn für das Arbeitsmittel und einem Schublager, das während des Betriebs einer axialen Kraft ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß:

    eine Versorgung für unter Druck stehendem Dampf ausgebildet wird und

    der Dampf gegen ein Teil gerichtet wird, das mit dem Schublager verbunden ist, um eine Druckkraft auf das Teil in einer Richtung auszuüben, die wenigstens einen Teil der axialen Kraft aufnimmt bzw. entspannt.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf, nachdem er gegen das Teil geströmt ist, in die Arbeitsmittel-Strömungsbahn gerichtet wird.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil wenigstens einen Abschnitt einer Druckkammer bildet und der Dampf in die Druckkammer und gegen das Teil gerichtet wird, eine Versorgung von Druckluft und Mittel zum Richten der Luft in die Druckkammer ausgebildet wird und die Strömung der Druckluft und des Druckdampfes in die Druckkammer als eine Funktion des Triebwerksbetriebs koordiniert gesteuert wird.
  17. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung der Luft und die Strömung des Dampfes gesteuert und koordiniert werden, wenn die Triebwerksleistung gesenkt wird, um den Dampfdruck bei einer konstanten Gesamtenthalpie zu senken und die Dampfüberhitzung zu vergrößern.
  18. 18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung der Luft und die Lufttemperatur und die Strömung des Dampfes gesteuert und koordiniert werden, wenn die Triebwerksleistung erhöht wird, um eine Kondensation aus dem Dampf zu verhindern.






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