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Dokumentenidentifikation DE69815886T2 18.12.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 1038091
Titel GASTURBINE MIT EINEM THERMISCHEN VENTIL
Anmelder Pratt & Whitney Canada Corp., Longueuil, Quebec, CA
Erfinder PATEL, Kiritkumar, Oakville, CA
Vertreter Klunker, Schmitt-Nilson, Hirsch, 80797 München
DE-Aktenzeichen 69815886
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 04.12.1998
EP-Aktenzeichen 989596838
WO-Anmeldetag 04.12.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/CA98/01131
WO-Veröffentlichungsnummer 0099030007
WO-Veröffentlichungsdatum 17.06.1999
EP-Offenlegungsdatum 27.09.2000
EP date of grant 25.06.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.12.2003
IPC-Hauptklasse F01D 3/04
IPC-Nebenklasse F16K 17/38   

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft Turbinenmaschinen und insbesondere Turbinenmaschinen mit einem inneren Hohlraum, der mindestens teilweise von einem temperaturansprechenden Thermoventil abgedichtet ist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Turbinenmaschinen, beispielsweise die, die als Flugzeug-Turbostrahl oder -Turbobläser verwendet werden, weisen typischerweise von vorne nach hinten in der Richtung der Fluidströmung in der Maschine einen Bläser-, Verdichter- und Turbinenabschnitt in einem Maschinengehäuse auf. Diese Maschinenabschnitte weisen einen rotierenden Bläser, einen rotierenden Verdichter und eine rotierende Turbine auf, die axial an einer oder mehreren koaxialen Wellen rotationsfähig um eine zentrale Achse der Maschine angebracht sind. Die Wellen sind von mindestens zwei Lageranordnungen abgestützt. Diese Lageranordnungen erlauben ein Rotieren der Wellen und wiederum des Bläsers, des Verdichters und der Turbine. Typischerweise verhindert auch die vorderste Lageranordnung in Richtung der Fluidströmung in der Maschine eine axiale Bewegung der Welle in dem Gehäuse, und diese wird als eine "Schublageranordnung" bezeichnet.

Obwohl Schublageranordnungen typischerweise auf enge Toleranzen bearbeitet sind, gibt es geringe Mengen an Spiel zwischen den Lagerkugeln und den Lagerläufen in dem Gehäuse. Dieses Spiel ist unerwünscht, da es unnötiges Geräusch und unnötige Schwingung der Maschine beim Betrieb der Maschine verursacht. Das ist besonders bemerkbar bei niedrigen Maschinendrehzahlen.

Viel von diesem Spiel kann eliminiert werden, indem man eine Kraft in Axialrichtung entweder nach vorne oder nach hinten auf das Lager aufbringt. Eine derartige Kraft, beispielsweise in die Richtung nach vorne, kann auf das Lager durch die Weilen aufgebracht werden. Die Kraft nach vorne kann beispielsweise durch unter Druck stehende Gase aus dem Verdichter ausgeübt werden, die eine Kraft nach vorne auf den hinteren Bereich des Verdichterabschnitts ausüben, der wiederum eine Kraft nach vorne auf die Wellen ausübt. In Folge der Größeneinschränkungen auf die Maschine und der Leistungsanforderungen des Verdichterabschnitts kann es jedoch sein, dass die Menge von Druck, die bei konventionellen Maschinenkonstruktionen ausgeübt wird, nicht ausreichend ist, um eine ausreichende nach vorne gerichtete Kraft auf das Schublager aufzubringen, um ausreichend das Spiel in der Lageranordnung und begleitendes Geräusch und Schwingung zu verringern. Deshalb wird die von derartigen unter Druck befindlichen Gasen ausgeübte Kraft abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit, dem Druck und der Temperatur in der Maschine variieren.

Eine Lösung, dieses Problem anzugehen, war es, einen rotierenden Ausgleichskolben vorzusehen, der an der Welle hinter dem Verdichterabschnitt der Maschine angebracht ist, wie es nachfolgend detaillierter beschrieben werden wird. Dieser Ausgleichskolben ist zwischen einem Hochdruckbereich und einem Niedrigdruckbereich in der Maschine angeordnet. Die Druckdifferenz über den Kolben übt eine nach vorne gerichtete Kraft auf die Welle und wiederum auf das Schublager aus. Die Druckdifferenz über den Kolben variiert jedoch mit der Rotationsgeschwindigkeit und der Temperatur der Maschine. Je höher die Drehzahl und die Temperatur der Maschine ist, umso größer ist die Druckdifferenz über den Kolben.

Obwohl Verfahren für das Schubausgleichen unter Verwendung von Zapf-Gasen bekannt sind, wie sie beispielsweise in dem US-Patent Nr. 5 167 484 beschrieben sind, scheinen derartige Methoden die Kraft auf ein Schublager nicht bezogen auf die Temperatur auszugleichen. In ähnlicher Weise werden, obwohl Thermoventile bekannt sind, beispielsweise wie in der deutschen Patentschrift Nr. DE 32 13 999 beschrieben, derartige Ventile typischerweise in Turbinenmaschinen zum Druckbeaufschlagen eines Hohlraums nicht verwendet. Deshalb ist eine verbesserte Turbinenmaschine, die ein Thermoventil aufweist, das so angeordnet ist, dass es einen Hohlraum mit Druck beaufschlagt und vorzugsweise die Kraft auf ein Schublager ausgleicht, wünschenswert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung präsentiert eine modifizierte Turbinenmaschinenkonstruktion, bei der eine Kraft nach vorne auf ein Schublager bei niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten verbessert wird und dabei minimale Auswirkungen auf die Maschinenleistung bei höheren Drehzahlen zur Folge hat.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Turbinenmaschine in einem Maschinengehäuse bereitgestellt, wobei die Turbinenmaschine eine Längsachse hat, wobei die Turbinenmaschine eine Welle, die an einem Schublager rotationsfähig um diese Achse angebracht ist, einen ersten und einen zweiten Wandbereich, die mindestens teilweise einen Hohlraum in dem Maschinengehäuse definieren, wobei sich der erste Wandbereich in einer Richtung im Wesentlichen weg von der Welle erstreckt und rotationsfähig damit festgelegt ist; wobei der zweite Wandbereich an dem Gehäuse befestigt ist, ein temperaturgesteuertes Ventil mit einem Auslass in Verbindung mit dem Hohlraum und einem Einlass in Verbindung mit den druckbeaufschlagten Gasen in der Maschine aufweist, wobei das temperaturgesteuerte Ventil in einer Temperaturerfassungsrelation mit der Umgebungstemperatur der Maschine ist, wodurch der Hohlraum durch die Gase druckbeaufschlagt werden kann, um den ersten Wandbereich zu belasten und so das Schublager durch die Welle zu belasten, wenn das Ventil offen ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Aufbringen einer Belastung auf ein Schublager in einer Turbinenmaschine in einem Maschinengehäuse bereitgestellt, wobei die Turbinenmaschine eine Längsachse hat, wobei die Turbinenmaschine eine Welle, die an dem Schublager rotationsfähig um die Achse angebracht ist, einen Wandbereich, der sich in eine Richtung im Wesentlichen weg von der Welle erstreckt und rotationsfähig mit dieser befestigt ist, der zum Teil einen Hohlraum definiert, aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Erfassen der Umgebungstemperatur in der Maschine, b) Abzapfen einer Menge an druckbeaufschlagtem Gas in den Hohlraum, wobei die Menge an Gas proportional zur erfassten Temperatur ist und so Ausüben einer nach vorne gerichteten Belastung proportional zu der Temperatur auf den Wandbereich, die Welle und das Schublager.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Figuren, die Ausführungsformen der Erfindung illustrieren, gilt:

Fig. 1 ist eine Seitenansicht, zum Teil im Schnitt einer repräsentativen Turbinenmaschine gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils von Fig. 1;

Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils von Fig. 2;

Fig. 4 ist eine weitere vergrößerte Ansicht eines Teils von Fig. 2.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 1 zeigt eine repräsentative Gasturbinenmaschine 10. Die Maschine 10 weist einen Bläserabschnitt 11 und eine Kernmaschine auf, die in Strömungsreihenfolge aufweist: einen Verdichterabschnitt 12, einen Brennkammerabschnitt 14, einen Turbinenabschnitt 16 und eine Ausströmeinrichtung 18, die alle in dem Maschinengehäuse 19 angebracht sind.

Der Turbinenabschnitt 16 und der Verdichterabschnitt 12 weisen mehrere Stufen auf. Mindestens eine Turbine in dem Turbinenabschnitt 16 ist rotationsfähig mit der letzten Stufe des Verdichterabschnitts 12 durch eine Welle 20 verbunden. Die Welle 20 ist in der Nähe ihres hinteren Endes durch eine Wälzlageranordnung 22 und in der Nähe ihres vorderen Endes durch eine Schublageranordnung 24 abgestützt. Die Schublageranordnung 24 weist ein Schublager 27 in einem Gehäuse 25 auf.

Fig. 2 zeigt im Schnitt einen Teil einer Turbinenmaschine und umfasst das hintere Ende des Verdichterabschnitts 12 und das vordere Ende des Verbrennungsabschnitts 14. Die letzte Stufe des Verdichterabschnitts 12 ist ein rotationsfähiges Impellerrad 26 in Strömungsverbindung mit dem Brennkammerabschnitt 14. Das Impellerrad 26 ist an dem äußersten Schaftende 20 rotationsfähig um eine zentrale Achse der Maschine angebracht. Ein Wellenstummel 66 rotiert zusammen mit dem Impellerrad 26.

Der Verbrennungsabschnitt 14 weist den ringförmigen Hohlraum auf, der von dem Brennkammergehäuse 28 und dem Diffusorgehäuse 30, welches ein Teil der Diffusoranordnung 32 bildet, radial begrenzt ist. Die Diffusoranordnung 32 weist ferner Diffusorleitungen 34, ein Wärmeschild 36 und eine Wärmeschildabstützung 38 auf. Es gibt einen Spalt 76 zwischen dem Diffusorgehäuse 30 und der Spitze des Impellerrads 26.

Die Diffusorleitung 34 ist in dem Verbrennungsabschnitt 14 angeordnet und schafft eine Fluidverbindung zwischen der Spitze des Impellerrads 26 und dem Verbrennungsabschnitt 14. Außerdem ist in dem Verbrennungsabschnitt 14 eine Brennkammerverkleidung 44, die eine Brennkammer 46 definiert. Die Verkleidung ist an dem Maschinengehäuse 19 (Fig. 1) mittels der Gehäuseabstützung 48 angebracht. Die Brennkammer 46 befindet sich in Fluidverbindung mit einem Hochdruck("P3")-Bereich 50 des Verbrennungsabschnitts 14. Ebenso in Fluidverbindung mit der Brennkammer 46 ist die Brennstoffdüse 52.

Eine Wälzlageranordnung 22, die ein Gehäuse 55 und ein Lager 54 aufweist, stützt das hintere Ende der Welle 20 ab. Carbondichtungen 56a und 56b dichte die Anordnung 22 ab. Ein Ausgleichskolben 62 ist auch an der Welle 20 rotationsfähig damit angebracht.

Der untere Bereich des Diffusorgehäuses 30 und die hintere äußere Oberfläche des Laufrads 26 und die vordere Abdeckung 57 des Wälzlagergehäuses 55 definieren einen hinteren Impellerradhohlraum 64 ("IRC") (impeller rear cavity). Der IRC 64 ist zum Teil durch Labyrinthdichtungen 70 und Bürstendichtungen 68 abgedichtet. Bürstendichtungen 68 ragen von dem hinteren Bereich des Lagergehäuses 55 weg und dichten einen Hohlraum 72 vor dem Ausgleichskolben 62. Der Hohlraum 72 befindet sich in Strömungsverbindung mit einem der Welle 20 benachbarten Niederdruckbereich 69 durch Öffnungen 69a in dem Wellenstummel 66.

Ein Hohlraum 73 ist hinter dem IRC 64 und befindet sich in Strömungsverbindung mit dem IRC 64 durch das Ende 65. Der Hohlraum 73 ist zum Teil durch einen an dem Gehäuse 19 befestigten zylindrischen Wandbereich 74, die Bürstendichtung 68 und den Ausgleichskolben 62 definiert und erstreckt sich generell radial von der Welle 20. Bohrungen 90 einer vorderen Verlängerung der Hochdruckturbinenscheibe erstrecken sich durch die hintere Turbinenscheibe 86 und bilden Strömungsverbindungen zwischen dem Hohlraum 73 und dem Turbinenbereich 16 der Maschine 10. Somit erstreckt sich ein kompletter Strömungsweg von der Spitze des Impellerrads 26 durch den IRC 64, den Hohlraum 73 und die Bohrung 90 zum Turbinenabschnitt 16.

Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, bildet eine Ventilanordnung 80 einen Teil des Hohlraum 73. Die Ventilanordnung 80 weist eine Mehrzahl von Schlitzen oder Öffnungen 82 in der Wand 74 auf und einen weiteren zylindrischen Wandbereich 84, der koaxial zu der Wand 74 ist und sich in überlappender Anordnung mit den Schlitzen 82 befindet und einen radialen Spalt 92 bildet. Der zylindrische Bereich 84 ist generell ein "frei floatender Ring", der seinen Radius und seine Länge in Reaktion auf seine Temperatur ändert. Von den zylindrischen Bereichen 84 erstrecken sich ringförmige Bänder 86 und 88. Wie detaillierter nachfolgend beschrieben wird, ist die Ventilanordnung 80, wie in der Fig. 3 gezeigt, geöffnet, wenn die Maschine 10 außer Betrieb ist oder sich bei niedrigen Leerlaufdrehzahlen befindet. Gase aus dem P3-Bereich 50 strömen durch die Ventileinlassöffnungen 82, an den ringförmigen Bändern 86 und 88 vorbei und durch die Ventilauslässe 83 in den durch den Hohlraum 73 definierten Bereich.

Der zylindrische Bereich 74 und der zylindrische Wandbereich 84 sind beide aus Metall oder Legierung gebildet. Jedoch haben die zur Herstellung dieser zylindrischen Bereiche gewählten Materialien unterschiedliche Wärmeexpansionskoeffizienten, wobei der innere Zylinder 84 einen höheren Wärmeexpansionskoeffizienten als der Wandbereich 74 hat. Somit expandiert sich der innere zylindrische Bereich 84 radial nach außen mehr als es der zylindrische Wandbereich tut, wenn die Temperaturen der Wandbereich 74 und 84 zunehmen. Beispielsweise kann der Zylinderbereich 84 AMS 5525 Stahl und der Wandbereich 74 AMS 4975 Titan sein. Das für den Zylinderbereich 84 gewählte Material ist derart, dass sich der radiale Spalt 92 bei den Temperaturen, die die Maschine einnimmt, wenn sie bei normalen Drehzahlen arbeitet, schließt, wie in der Fig. 4 gezeigt. Es ist bekannt, dass die Maschinentemperaturen einer Turbinenmaschine direkt proportional zu ihrer Rotationsgeschwindigkeit ist. Somit arbeitet die Ventilanordnung 80 als ein temperaturgesteuertes Ventil.

Beim Betrieb zieht der Bläserabschnitt 11 Luft in die Maschine 10, und die Luft strömt von dem Bläserabschnitt 11 zu dem Verdichterabschnitt 12, wo sie durch mehrere Verdichterstufen verdichtet wird. Die letzte Verdichtungsstufe ist das Impellerrad 26. Hochdruckluft verlässt die Spitze des Impellerrads 26. Der größte Teil dieser Hochdruckluft wird zu dem P3-Bereich 50 des Verbrennungsabschnitts 14 durch die Diffusorleitung 34 gelenkt. Dort gelangt viel von der P3-Luft in die Kammer 46 und wird mit Brennstoff der Düse 52 vermischt und verbrannt. Ein geringer Teil der verdichteten P3-Luft wird jedoch in den IRC 64 durch den nicht abgedichteten Spalt 76 zwischen der Spitze des Impellerrads 26 und dem Diffusorgehäuse 30 abgelassen. Diese Zapfluft der Impellerluft sorgt für eine Druckbeaufschlagung des IRC 64 und des Hohlraums 73. Derart druckbeaufschlagte Hohlräume werden typischerweise als "P2.9"-Bereiche der Maschine bezeichnet.

Das Druckbeaufschlagen des IRC 64 übt eine Kraft auf die Rückseite des Impellerrads 26 und das Diffusorgehäuse 30 aus. Die Kraft auf die Rückseite des Impellerrads 26 wiederum übt eine nach vorne gerichtete Kraft auf die Welle 20 und somit auf das Schublager 27 aus. Theoretisch könnte die Maschine 10 so konstruiert sein, dass sie einen ausreichenden Oberflächenbereich an der Rückseite des Laufrads 26 schafft, so dass der Druck in dem IRC 64 einen ausreichenden Druck nach vorne auf die Rückseite des Impellerrads 26 und so auf das Schublager 27 ausübt, um das Spiel und das begleitende Geräusch und die Schwingung in der Lageranordnung 24 zu verringern. Jedoch sind in der Praxis die Größe und das Gewicht des Impellerrads 26 und der Maschine 10 und der Druck der Abgabeluft des Verdichterabschnitts 12 von primärem Augenmerk. Folglich ist der Druck in dem IRC 64 und an dem rückwärtigen Oberflächenbereich des Impellerrads 26 häufig unzureichend, eine ausreichende Belastung nach vorne auf das Schublager 27 aufzubringen. Folglich wird eine zusätzliche nach vorne gerichtete Belastung auf die Welle 20 und das Schublager 27 durch den Ausgleichskolben 62 aufgebracht, wie nachfolgend ausgeführt.

Man lässt Hochdruckluft den IRC 64 an seiner Rückseite 65 verlassen. Das druckbeaufschlagt den Hohlraum 73 hinter dem Ausgleichskolben 62. Der Hohlraum 72 an der entgegengesetzten Seite des Ausgleichskolben 62 befindet sich in Strömungsverbindung mit einem Niederdruckbereich 69 in der Nähe der Welle 20. Somit befindet sich der Hohlraum 72 bei einem niedrigeren Druck als der Hohlraum 73, und so wird ein Druckunterschied über den Ausgleichskolben 62 ausgebildet. Dieser Druckunterschied wird wiederum eine nach vorne gerichtete Kraft auf den Kolben 62, die Welle 20 und das Schublager 27 erzeugen. Die Größe des Ausgleichskolbens 62 und der Druckunterschied über diesen können so gewählt werden, dass sie eine inadäquate nach vorne gerichtete Kraft auf die rückwärtige Oberfläche des Impellerrads 26 kompensieren und so die erforderliche Belastung nach vorne auf das Schublager 27 bei normalen Betriebsbedingungen liefern.

Jedoch kann es sein, dass ohne die Ventilanordnung 80 der Druckunterschied über den Kolben 62 nicht ausreichend hoch ist, um eine ausreichende nach vorne gerichtete Belastung auf das Lager 27 bei Start- oder niedrigen Leerlaufdrehzahlen aufzubringen. Um das kompensieren, erlaubt die Ventilanordnung 80 in der in Fig. 3 gezeigten offenen Position das Wandern von P3-Luft von dem Bereich 50 des Verbrennungsabschnitts 14 an den ringförmigen Bändern 86 und 88 vorbei in den Hohlraum 73. Diese P3-Luft in dem Hohlraum 73 schafft einen zusätzlichen Druck in dem Hohlraum 73 und über den Kolben 62. Wenn die Maschinendrehzahl zunimmt, wird weniger von der P3-Luft in dem Hohlraum 73 benötigt, um den erforderlichen Druckunterschied an dem Kolben 62 aufrecht zu erhalten. Außerdem stört das Unterbrechen der Strömung von P3-Luft in dem Compartment 50 die Effizienz des Verbrennungsabschnitts 14 und des Turbinenabschnitts 16.

Da der zylinderförmige Bereich 84 einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der zylindrische Bereich 74 hat, verengt sich der radiale Spalt zwischen den zwei Zylindern, wenn die Drehgeschwindigkeit und die Temperatur der Maschine 10 zunehmen. Die Materialien der Zylinder 74 und 84 sind derart gewählt, dass bei normaler Betriebsdrehzahl und normalen Temperaturen für die Maschine 10 die ringförmigen Ringe 86 und 88 in Anlage mit dem inneren Bereich der Wand 74 gedrängt werden und so die Ventilanordnung 80 dicht machen und die Strömung von P3-Luft in den Hohlraum 73 durch die Öffnungen 82 abschneiden. Dieses Schließen des Ventils erlaubt deshalb einen effizienten Betrieb der Maschine 10 bei normaler Betriebsdrehzahl mit einem Druckbeaufschlagen des Hohlraums 73, zu dem es wegen der Zapfluft von der Spitze des Impellerrads 26 kommt.

Außerdem können die Materialien für die zylindrischen Wandbereiche 74 und 84 derart gewählt sein, dass der radiale Spalt zwischen den Bereichen Bereich 84 und 74 linear mit einem korrespondierenden Anstieg der Maschinentemperatur und -drehzahl vom Leerlaufzustand auf normalen Betriebszustand abnimmt. Das ändert die effektive Größe der Passage von dem P3-Bereich 50 zu dem Hohlraum 73 durch die Öffnungen 82. So variiert bei Drehzahlen und Temperaturen unter den normalen Betriebsbedingungen die Menge an P3- Luft, die durch Öffnungen 82 in den Hohlraum 73 abgezapft wird, in direkter Beziehung zur Maschinen-Temperatur/Drehzahl. Das ist bevorzugt, da der Druck über dem Kolben 62 oder die Ventilanordnung 80 sich auch in direkter Beziehung zu der Maschinen-Temperatur/Drehzahl ändert. Die Größe der Öffnung in der Ventilanordnung 80 wird so mit der Maschinendrehzahl und -temperatur moduliert, was sämtliches Fehlen an Druckunterschied über den Kolben 62 kompensiert, um die erforderliche Belastung nach vorne auf das Schublager 27 zu schaffen.

Man wird natürlich verstehen, dass die vorangegangenen Ausführungsformen auf einer Anzahl von Wegen modifiziert werden können. Beispielsweise könnte die Ventilanordnung 80 einen Teil der Wand 30 des IRC 64 bilden und es so der P3-Luft erlauben, den IRC 64 direkt und den Hohlraum 73 indirekt durch die Öffnung in der Rückwand 65 des IRC 64 mit Druck zu beaufschlagen.

Die Ventilanordnung 80 könnte mit einem zylindrischen Wandbereich 74 mit ringförmigen Bändern 86, 88 angeordnet sein, anstatt diese am zylinderförmigen Wandbereich 84 zu haben. Außerdem könnte der Wandbereich 84 außerhalb des Wandbereichs 74 angeordnet sein und einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Der Wandbereich 74 würde sich dann ausdehnen, um die Ventilanordnung 80 abzudichten. Obwohl das nicht bevorzugt ist, könnte die Ventilanordnung 80 durch ein temperaturunempfindliches Ventil ersetzt werden, welches ansprechend auf einen Umgebungstemperatursensor arbeitet.

Ähnlich kann die Ventilanordnung 80 verwendet werden, um teilweise jeglichen Hohlraum abzudichten, der zumindest teilweise von einer zylinderförmigen Wand in einer Turbinenmaschine definiert wird, wie es bei einer Anzahl von Anwendungen erforderlich sein kann.

Man wird ferner verstehen, dass die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen Darstellungen begrenzt ist, die lediglich Darstellungen einer bevorzugten Ausführungsform zum Ausführen der Erfindung sind, und die zugänglich sind für Modifikationen in der Form, Größe, Materialauswahl, Anordnung von Teilen und Details des Betriebs. Die Erfindung kann leicht verwirklicht werden, um existierende Maschinenkonstruktionen, die anders sind als die repräsentative vorangehend beschriebene Maschine, zu modifizieren. Die Erfindung soll stattdessen alle derartigen Modifikationen in ihren Umfang, wie er durch die Ansprüche definiert ist, einschließen.


Anspruch[de]

1. Turbinenmaschine in einem Maschinengehäuse, wobei die Turbinenmaschine eine Längsachse hat, wobei die Turbinenmaschine aufweist:

eine Welle (20), die an einem Schublager (24) rotationsfähig um die Achse angebracht ist;

einen ersten und einen zweiten Wandbereich (62, 74), die zumindest teilweise einen Hohlraum (73) in dem Maschinengehäuse definieren;

wobei der erste Wandbereich (62) sich in einer Richtung generell weg von der Welle (20) erstreckt und rotationsfähig mit dieser befestigt ist;

wobei der zweite Wandbereich (74) an dem Gehäuse befestigt ist;

dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine ferner aufweist ein temperaturgesteuertes Ventil (80) mit einem Auslass in Verbindung mit dem Hohlraum (73) und einem Einlass in Verbindung mit den druckbeaufschlagen Gasen in der Maschine, wobei das temperaturgesteuerte Ventil (80) in einer Temperaturerfassungsrelation zur Umgebungstemperatur der Maschine steht, wodurch der Hohlraum (73) durch die Gase druckbeaufschlagt werden kann, um den ersten Wandbereich (62) und so das Schublager (24) durch die Welle (20) zu belasten, wenn das Ventil (80) offen ist.

2. Turbinenmaschine nach Anspruch 1, wobei das Ventil (80) ein thermosensitives Element (84) aufweist, welches sich bei Erwärmung ausdehnt, um die Öffnung des Ventils zu modulieren.

3. Turbinenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Wandbereich (62) einen Ausgleichskolben (62) aufweist.

4. Turbinenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (73) eine Öffnung (82) in Verbindung mit Gasen aus einem Impellerrad (26) hat, was Teil eines Verbrennungsabschnitts (14) für die Maschine bildet und eine weitere Öffnung (90), die eine Strömung der Gase von der Impellerrad-Spitze zu einem Turbinenabschnitt der Maschine erlaubt, wenn das Ventil offen oder geschlossen ist.

5. Turbinenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ventil (80) derart angeordnet ist, dass es sich schließt, wenn die Temperatur der Maschine ansteigt und es sich öffnet, wenn die Temperatur der Maschine abnimmt.

6. Turbinenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ventil (80) derart angeordnet ist dass es sich vollständig schließt, wenn die Temperatur der Maschine einen vorbestimmten Wert der Betriebstemperatur der Maschine erreicht.

7. Turbinenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite Wandbereich (74) einen ersten im Wesentlichen zylinderförmigen Bereich (74) um die Welle aufweist, und wobei das temperaturgesteuerte Ventil aufweist:

eine Ventileinlassöffnung (82) in dem ersten im Wesentlichen zylinderförmigen Bereich in Verbindung mit den Hochdruckgasen; und

einen zweiten im Wesentlichen zylinderförmigen Bereich (84), der koaxial zu dem ersten Bereich ist und radial im geöffneten Zustand des Ventils davon beabstandet ist;

wobei der erste zylindrische Bereich und der zweite zylindrische Bereich (74, 84) unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben; so dass sich mindestens einer von dem ersten und dem zweiten zylindrischen Bereich radial ausdehnt, um die Öffnung (82) zu schließen, wenn die Maschinentemperatur ansteigt.

8. Turbinenmaschine nach Anspruch 7, wobei mindestens einer von ersten und zweiten zylindrischen Bereichen (74, 84) sich zusammenzieht, um das Ventil (80) zu öffnen, wenn die Maschinentemperatur abnimmt.

9. Turbinenmaschine nach Anspruch 7 oder 8, wobei mindestens einer von dem ersten und dem zweiten zylindrischen Bereich (74, 84) sich linear über einen gewählten Temperaturbereich ausdehnt, um die Strömung der Hochdruckgase in den Hohlraum (73) in direkter Beziehung zum Anstieg bei der Maschinentemperatur zu verringern.

10. Turbinenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei einer von dem ersten und dem zweiten im Wesentlichen zylinderförmigen Bereich (74, 84) zwei ringförmige Ringe (86, 88) aufweist, die sich von diesem in Richtung auf den anderen von dem ersten und dem zweiten im Wesentlichen zylinderförmigen Bereich (74, 84) erstrecken, wobei die ringförmigen Ringe (86, 88) axial an beiden der axial beabstandeten Seiten der Öffnung (82) sind.

11. Thermoventil nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der erste zylindrische Bereich (74) sich radial außerhalb von dem zweiten zylindrischen Bereich (84) befindet, und wobei der zweite zylindrische Bereich (84) einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der erste zylindrische Wandbereich hat.

12. Verfahren zum Aufbringen einer Belastung auf ein Schublager in einer Turbinenmaschine in einem Maschinengehäuse, wobei die Turbinenmaschine eine Längsachse hat, wobei die Turbinenmaschine aufweist:

eine Welle (20), die an dem Schublager (24) rotationsfähig um die Achse angebracht ist;

einen Wandbereich (62), der sich in einer Richtung im Wesentlichen weg von der Welle erstreckt und rotationsfähig damit befestigt ist und zum Teil einen Hohlraum definiert;

eine Ventileinrichtung (80), die eine Strömungsverbindung mit dem Hohlraum herstellt;

wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch:

a) Erfassen der Umgebungstemperatur in der Maschine;

b) Ablassen einer Menge von druckbeaufschlagtem Gas in den Hohlraum (73) durch die Ventileinrichtung (80), wobei die Menge an Gas proportional zur erfassten Temperatur ist;

und so Ausüben einer nach vorne gerichteten Last proportional zur Temperatur auf den Wandbereich (62), die Welle (20) und das Schublager (24).







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