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Dokumentenidentifikation DE10005309A1 30.11.2000
Titel Verfahren zur Regelung des axialen Schubausgleichs einer Welle von Turbomaschinen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Anmelder ABB ALSTOM POWER (Schweiz) AG, Baden, Aargau, CH
Erfinder Meylan, Pierre, Magglingen, CH
Vertreter Lück, G., Dipl.-Ing. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 79761 Waldshut-Tiengen
DE-Anmeldedatum 07.02.2000
DE-Aktenzeichen 10005309
Offenlegungstag 30.11.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.11.2000
IPC-Hauptklasse F01D 3/04
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des axialen Schubausgleichs einer Welle (1) von Turbomaschinen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Um den axialen Schub der Welle (1) auszugleichen, wird an der Welle (1) ein Druckkamm (2) befestigt, welcher an beiden Seiten durch eine Druckkammer (13, 14) hydraulisch gelagert ist. Ein Näherungsgeber (10) nimmt den Abstand zu einer Kupplung (3) der Welle (1) auf und entsprechend der axialen Verschiebung der Welle (1) wird der Druck in einer der beiden Druckkammern (13, 14) so verändert, dass die Veränderung des Drucks der axialen Verschiebung der Welle (1) entgegenwirkt.
Diese Art des axialen Schubausgleichs kann größere Belastungen als herkömmliche Axiallager aufnehmen und arbeitet bei einem kleineren Reibungsverlust. Die bisherigen Schubausgleichskolben können vorteilhaft entfallen und sowohl die Länge und der Durchmesser der Welle (1) als auch die Radialspiele der Labyrinthe der Beschauflung können im Hinblick auf einen optimalen Wirkungsgrad besser ausgelegt werden.

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zur Regelung des axialen Schubausgleichs einer Welle von Turbomaschinen und um eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

STAND DER TECHNIK

Die Wellen von Turbomaschinen, also Dampf- und Gasturbinen, weisen bei Betrieb einen gewissen axialen Schub auf. Dieser axialer Schub muss durch eine entsprechende Lagerung der Welle ausgeglichen bzw. aufgenommen werden. In der klassischen Bauweise von Dampfturbinen mit Reaktionen ab ca. 20% werden die Wellen mit Schubausgleichskolben und mit Axiallagern ausgestattet. Die Schubausgleichskolben, welche in jeder Teilturbine vorhanden sind, werden den Schub bei jedem Lastfall so ausgleichen, dass die Belastung des Axiallagers innerhalb bestimmter Grenzen bleibt. Die Verwendung von Ausgleichskolben bringt aber zahlreiche, konstruktive Nachteile bei dem Bau einer Turbine mit sich. Die Konstruktion mit den Ausgleichskolben wirkt sich beispielsweise negativ auf die optimale Baulänge einer Maschine aus. Durch verschiedene konstruktive Notwendigkeiten wird zudem der Wirkungsgrad nachteilig verkleinert. Durch die Verwendung von Ausgleichskolben ist notwendigerweise das Radialspiel grösser, was zu einer erhöhten Leckage führt. Weiter kann der Durchmesser der Labyrinthe in der Beschauflung nicht beliebig klein gemacht und die Länge der Beschauflung nicht optimal gewählt werden, was zu einem verringerten Wirkungsgrad führt. Eine Dampfturbine ohne diese Ausgleichskolben, in der die Axiallager allen axialen Belastungen standhalten müssten, würde aber sehr schnell an die Grenzen der Auslegung stossen, da sie alleine den axialen Schub nicht aufnehmen können. Die bisher grössten Axiallager haben lediglich eine zulässige Axialbelastung von maximal 2 MN. Für den axialen Ausgleich von Dampfturbinen ohne Schubausgleichskolben würden aber in den Axiallagern Belastungen von ca. 5 MN auftreten. Sie sind deshalb alleine für diesen Zweck ungeeignet.

Bei Gasturbinen wird das Axiallager so ausgelegt, dass es für jede Betriebsweise den Gesamtschub aufnehmen kann. Da die Leistung von Gasturbinen in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen ist, müssen auch die Axiallager immer grösseren Belastungen standhalten. Der Schubausgleich durch die Axiallager kommt bei steigenden Leistungen einer stetig wachsenden Bedeutung zu. Auch hier wirkt sich dabei nachteilig aus, dass die Auslegung von Axiallagern bei immer grösser werdenden Belastungen sehr schnell an Grenzen stösst, die durch die Dimension, die Gleitgeschwindigkeit und die Verlustleistung bestimmt sind.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Ziel der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu überwinden. Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung eines axialen Schaubausgleichs einer Welle von Turbomaschinen zu schaffen, und gleichzeitig auf die herkömmlichen Schubausgleichskolben und Axiallager zu verzichten.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass an der Welle ein Druckkamm angebracht ist, der Druckkamm durch ein hydraulisches System durch zwei Druckkammern gelagert ist, welche beidseitig vom Druckkamm angeordnet sind, die Druckkammern durch Dichtungen voneinander und durch Dichtungen nach aussen hin abgedichtet sind, und jeweils mit einem Regelventil verbunden sind, und die Regelventile über einen Regler und einen Signalwandler mit einem die axiale Verschiebung der Welle messenden Instrument verbunden sind.

Die Vorteile dieser Erfindung bestehen darin, dass die hydraulische Lagerung eine wesentlich grössere Belastung als herkömmliche Axiallager aufnehmen kann. Durch den Wegfall von den bisherigen Schubausgleichskolben und den Axiallagern kann vorteilhaft die Länge, der Durchmesser der Welle und der Labyrinthe der Beschauflung so ausgewählt werden, dass sich im Hinblick auf einen optimalen Wirkungsgrad die Geometrie der Weile flexibler und damit vorteilhafter gestaltet werden kann. Ebenso wirkt sich der Wegfall der Schubausgleichskolben und der Axiallager positiv auf den Wirkungsgrad auf, da sie grössere Verluste (Reibungs- und Spaltverluste) als die erfindungsgemässe hydraulische Lagerung aufweisen.

Die weiteren Ausgestaltungsmöglichkeiten sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen erfindungsgemässen hydraulischen Lagerblock und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Schaftschemas des erfindungsgemässen Verfahrens zur hydraulischen Regelung des Schubausgleichs einer Welle einer Turbomaschine.

Es sind nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Lagerblocks für den hydraulischen Ausgleich gegen axiale Verschiebungen einer Welle 1, wie sie in Dampf- oder Gasturbinen vorkommt. In der Nähe der Welle 1 ist eine Kupplung 3 vorhanden, welche zwei nicht dargestellte Teilturbinen, beispielsweise einen Hochdruckteil und einen Niederdruckteil, miteinander verbindet. Zwischen den beiden Teilturbinen weist die Welle 1 zwischen dem nicht dargestellten Traglager einer Teilturbine und der Kupplung 3 eine Vorrichtung für den hydraulischen Schubausgleich auf. Sie besteht aus einem Druckkamm 2, welcher an der Welle 1 angebracht ist und von einem Lagerblock 4, 4a umgeben ist.

Der Lagerblock 4, 4a besteht aus zwei Teilen, einem Oberteil 4 und einem Unterteil 4a. Zwischen dem Druckkamm 2 und dem Lagerblock 4, 4a sind beidseitig zwei Druckkammern 13, 14 vorhanden. Diese Druckkammern 13, 14 sind durch Dichtungen 6, 6a voneinander und durch Dichtungen 5, 5a nach aussen hin so abgedichtet, dass ein möglichst geringer Verlust der in den Druckkammern 13, 14 vorhandenen Flüssigkeit, welche beispielsweise Öl sein kann, erreicht wird. In der Figur sind die Dichtungen 5, 5a, 6, 6a als Radialdichtungen ausgeführt, es können aber auch Axialdichtungen sein. In dem Oberteil 4a des Lagerblocks sind je Druckkammer 13, 14 eine Leitung 11, 12 integriert, welche die Druckkammern 13, 14 mit Flüssigkeit versorgen und damit einem bestimmten Druck p1 bzw. p2 in ihnen aufbauen. Zusätzlich sind im inneren Teil des Lagerblocks sowohl am Oberteil 4a als auch am Unterteil 4 Gleitsteine 15, 15a vorhanden. Der Abstand zwischen den Gleitsteinen 15, 15a und dem Druckkamm 2 wird traglagerseitig mit y1 und kupplungseitig mit y2 bezeichnet. Die Gleitsteine 15, 15a haben lediglich die Aufgabe die axiale Lagerung der Welle während des Stillstands der Maschine zu fixieren. Bei Betrieb der Turbine ist y1 bzw. y2 aber immer grösser Null. Weiter sind traglagerseitig und kupplungsseitig Flüssigkeitsabläufe 7, 8 vorhanden, welche im unteren Bereich zum Flüssigkeitsablauf 9 zusammenführt werden, und welche die Flüssigkeit, welche durch die Dichtungen 5, 5a von den Druckkammer 13, 14 nach aussen gedrungen ist, aufnehmen und in einem nicht dargestellten Flüssigkeitsrücklauf zurückführen.

In der Nähe der Kupplung 3, welche mit einem Kupplungsdeckel 4b versehen ist, ist ein Näherungsgeber 10 eingebaut, welcher die Distanz zur Kupplung 3 misst. In der Fig. 1 ist der Abstand mit x bezeichnet. Allgemein kann aber auch eine andere Referenzfläche als die Kupplung 3 genommen werden. Um einer axialen Verschiebung der Welle 1 entgegenzuwirken und x auf einen vorgegebenen Sollwert einzustellen wird der Abstand x durch den Näherungsgeber 10 aufgenommen. Eine Veränderung des Abstands x zwischen Kupplung 3 und Näherungsgeber 10 wird über eine Regelung, welche in Fig. 2 näher dargestellt ist, so an die beiden Druckkammer 13, 14 weitergeleitet, dass durch eine Erhöhung oder Erniedrigung des Drucks p1, p2 in einer der beiden Druckkammern 13, 14 der Veränderung des Abstands x entgegengewirkt und der axiale Schub damit ausgeglichen wird.

Die für den axialen Schub massgebliche Kraft F kann wie folgt berechnet werden: F = π/4 × (D2 - d2) × (p1 - p2), wobei D der Durchmesser des Wellenkamms 2, d der Durchmesser der Welle 1 und p1, p2 der Druck auf je einer Seite des Druckkammes 2. Um die Grössenordnung des grössten Schubs auszurechnen, wird ein Beispiel angegeben.

Beispiel: D = 600 mm, d = 355 mm, p1 = 40 MPa, p2 = 10 MPa, was einen Schub von F = 5.5 MN ergibt.

Die Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer Regelung eines hydraulischen axialen Schubausgleichs gemäss der Erfindung. Um die Kraft F des axialen Schubausgleichs der Welle 1 auszugleichen misst der Näherungsgeber 10 den Abstand x zu der Kupplung 3. Das Signal wird an einen Regler 60 weitergeleitet. Als Regler 60 sind PI- oder PID-Regler geeignet, prinzipiell sind aber auch andere möglich. Über einen Signalwandler 58, welcher das elektrische Signal des Reglers 60 in ein hydraulisches Signal verwandelt, wird der Durchfluss zweier hydraulischer Regelventile 61, 62 über je eine Steuerleitung 65, 66 und jeweils über einen an das Regelventil 61, 62 angeschlossenen nicht dargestellten hydraulischen Servomotor geregelt. Die hydraulischen Regelventile 61, 62 sind auf der einen Seite über Leitungen und die Flüssigkeitszuläufe 11, 12 mit den Druckkammern 13, 14, welche neben dem Druckkamm 2 angeordnet sind, verbunden.

Ein Druckspeicher 55 versorgt sowohl über eine Anspeisung 59 den Signalwandler 58 als auch die hydraulischen Regelventile 61, 62 mit Flüssigkeit. Zusätzlich werden die hydraulischen Regelventile 61, 62 jeweils über eine Leitung, in welche Blenden 63, 64 eingebaut sind, umgangen. Diese Umgehungsleitung verbindet die Leitung des Regelventils 61, 62, welche vom Druckspeicher 55 kommt, mit der Leitung, welche zu den Druckkammern 13, 14 geht. Da der Druck p1, p2 in den Druckkammern 13, 14 durch Leckage durch die Dichtungen 5, 5a kontinuierlich abnehmen würde, sorgen diese Umgehungsleitung mit einem ständigen Fluss dafür, dass immer ein Mindestdruck in den Druckkammern 13, 14 vorhanden ist. Diese Leckage durch die Dichtungen 5, 5a nach aussen und den Austausch zwischen den beiden Druckkammern 13, 14 bei den Dichtungen 6, 6a sind durch Pfeile angedeutet. Die vorhandene Regelung des Drucks p1, p2 gleicht sowohl die Verluste durch die Dichtungen 5, 5a aus, welche zu unterschiedlichen Drücken p1, p2 in den Druckkammern 13, 14 führen würden, aus als auch die Veränderung des Abstandes x vom Näherungsgeber 10 zur Kupplung 3. Verändert sich der Abstand x von der Kupplung 3 zum Näherungsgeber 10, wird über den Regler 60 und den Signalwandler 58 der Durchfluss eines der beiden hydraulischen Regelventile 61, 62 durch den angeschlossenen Servomotor verändert. Dies führt zu einem erhöhten Druck p1 oder p2 in den Druckkammern 13, 14, neben dem Druckkamm 2. Diese Druckerhöhung in einer der beiden Druckkammern 13, 14 wirkt einer axialen Verschiebung x entgegen. Die Druckerhöhung wird solange fortgeführt, bis die axiale Verschiebung aufgehoben und der Abstand x vom Näherungsmelder 10 zur Kupplung 3 wieder auf einen vorgegebenen Sollwert zurückgekehrt ist. Es ist auch denkbar, den Sollwert für x von mindestens einer der Grössen Zeit, Maschinenleistung oder Temperatur abhängen zu lassen. Dieser Regelkreis wird in beide Richtungen durchgeführt: bei einer Verschiebung der Welle 1 nach links zum nicht dargestellten Traglager und einer Verkleinerung von y1 wird der Druck p1 in der Druckkammer 13 über das Regelventil 61 erhöht und wirkt dieser Verschiebung entgegen. Andersherum wird eine Verschiebung der Welle 1 nach rechts zur Kupplung 3 hin und eine mit der Verschiebung verbundenen Verkleinerung von y2 durch eine Erhöhung des Drucks p2 in der Druckkammer 14 abgefangen.

Um den Druckspeicher 55 bei einem bestimmten und konstanten Druck zu halten ist er über eine Leitung und ein Druckhalteventil 56 mit einem Flüssigkeitsbehälter 50 verbunden. Zusätzlich ist der Flüssigkeitsbehälter 50 über ein Saubkorb 51, eine mit einem Motor 53 betriebenen Pumpe 52 und ein Rückschlagventil 54 mit dem Druckspeicher 55 verbunden. Das Rückschlagventil 54 sorgt dafür, dass der Druckspeicher 55 nicht leer läuft und die Pumpe 52 fördert kontinuierlich Flüssigkeit in den Druckspeicher 55. Um aber den Druck im Druckspeicher 55 konstant zu halten lässt das Druckhalteventil 56 ab einem bestimmten, erhöhten Druck wieder Flüssigkeit in den Flüssigkeitsbehälter 50 ab.

Wie beispielhaft angegeben, kann mit dieser hydraulische Lagerung vorteilhaft ein Schubausgleich mit wesentlich grösseren Belastungen als bei herkömmlichen Axiallagern aufgenommen werden. Die bisherigen Schubausgleichskolben mit den hohen Verlusten fallen weg und können in der Länge und im Durchmesser auf ein Minimum reduziert werden. Weiter werden vorteilhaft die ebenfalls reibungsbehafteten Axiallager eingespart. Durch den Wegfall der hohen Reibungsverluste sowohl der Schubausgleichskolben als auch der Axiallager und die Einführung der reibungsärmeren hydraulischen Lagerung erhöht sich der Wirkungsgrad vorteilhaft. Der Durchmesser der Labyrinthe der Beschauflung kann durch die grössere konstruktive Flexibilität verkleinert und die ganze Welle durch den Wegfall der Länge der Schaubausgleichskolben vorteilhaft verkleinert werden, was sich positiv auf die Wellendynamik auswirkt und nicht zuletzt einen Materialgewinn mit sich bringt. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Welle

2 Druckkamm

3 Wellenkupplung

4 Lagerblock Unterteil

4a Lagerblock Oberteil

4b Kupplungsdeckel

5 Dichtungen wellenseitig Unterteil

5a Dichtungen wellenseitig Oberteil

6 Dichtung kammseitig Unterteil

6a Dichtung kammseitig Oberteil

7 Flüssigkeitsablauf kupplungsseitig

8 Flüssigkeitsablauf traglagerseitig

9 Flüssigkeitsablauf

10 Näherungsgeber

11 Flüssigkeitszulauf traglagerseitig

12 Flüssigkeitszulauf kupplungsseitig

13 Druckkammer traglagerseitig

14 Druckkammer kupplungsseitig

15 Gleitstein Unterteil

15a Gleitstein Oberteil

50 Flüssigkeitsbehälter

51 Saugkorb

52 Pumpe

53 Motor

54 Rückschlagventil

55 Druckspeicher

56 Druckhalteventil

57 Rückflussrohr

58 Signalwandler

59 Anspeisung

60 Regler

61 Regelventil

62 Regelventil

63 Blenden zu Regelventil 61

64 Blenden zu Regelventil 62

65 Steuerleitung zu Ventil 61

66 Steuerleitung zu Ventil 62

F Axialer Schub

d Durchmesser der Welle 1

D Durchmesser des Druckkamms 2

x Axialer Abstand zwischen Näherungsgeber 10 und Wellenkupplung 3

y1 Axialer Abstand zwischen Gleitstein 15, 15a und Druckkamm 2

y2 Axialer Abstand zwischen Gleitstein 15, 15a und Druckkamm 2

p1 Druck der Druckkammer 13 traglagerseitig

p2 Druck der Druckkammer 14 kupplungsseitig


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Regelung eines axialen Schubausgleiches einer Welle (1) von Turbomaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass
    1. - die axiale Verschiebung der Welle (1) gemessen wird,
    2. - der Messwert an einen Regler (60) und weiter an einen Signalwandler (58) geleitet wird,
    3. - der Signalwandler (58) den Durchfluss von hydraulischen Regelventilen (61, 62) einstellt und
    4. - die hydraulischen Ventile (61, 62) den Druck in um einem an der Welle (1) befestigten Druckkamm (2) angeordneten Druckkammern (13, 14) so einstellen, dass der Druck einer axialen Verschiebung der Welle (1) entgegenwirkt und die axiale Lage der Weile (1) so auf einen vorgegebenen Sollwert zurückgebracht wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Verschiebung der Welle (1) durch einen Näherungsgeber (10) in bezug zu einer Referenzfläche gemessen wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, die axiale Verschiebung der Welle (1) durch einen Näherungsgeber (10) in bezug zu einer Kupplung (3) gemessen wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Sollwert von mindestens einer der Grössen Zeit, Maschinenleistung oder Temperatur abhängt.
  5. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    1. - an der Welle (1) ein Druckkamm (2) angebracht ist,
    2. - der Druckkamm (2) durch ein hydraulisches System durch zwei Druckkammern (13, 14) gelagert ist, welche beidseitig vom Druckkamm (2) angeordnet sind,
    3. - die Druckkammern (13, 14) durch Dichtungen (6, 6a) voneinander und durch Dichtungen (5, 5a) nach aussen hin abgedichtet sind, und jeweils mit einem Regelventil (61, 62) verbunden sind, und
    4. - die Regelventile (61, 62) über einen Regler (60) und einen Signalwandler (58) mit einem die axiale Verschiebung der Welle (1) messenden Instrument verbunden sind.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das die axiale Verschiebung der Welle (1) messende Instrument ein Näherungsgeber (10) ist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (60) ein PI- oder PID-Regler ist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelventile (61, 62) und der Signalwandler (58) mit einem Druckspeicher (55) verbunden sind.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (55) durch pro Regelventil (61, 62) einen Bypass, welcher die Regelventile (61, 62) umgeht und in welchem je eine Blende (63, 64) eingebaut ist, mit den Druckkammern (13, 14) verbunden ist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (55) durch eine Leitung und ein Druckhalteventil (56) mit einem Flüssigkeitsbehälter (50) und der Flüssigkeitsbehälter (50) über einer mit einem Motor (53) betriebenen Pumpe (52) und ein Rückschlagventil (54) mit dem Druckspeicher (55) verbunden ist.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das hydraulische System mit Öl gespeist ist.






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