DE69204169T2

DE69204169T2 - Triebwerkanordnung für gasturbinen.

Info

Publication number: DE69204169T2
Application number: DE69204169T
Authority: DE
Inventors: Robert Glinski; Gary Perkins
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1991-10-15
Filing date: 1992-09-04
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2012-09-05
Also published as: JP3146311B2; EP0608266A1; US5201796A; WO1993008391A1; EP0608266B1; DE69204169D1; JPH07500396A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenmascine und insbesondere auf eine Anordnung von Verdichter- und Turbinenabschnitten für die Verwendung z. B. in einem Feuchtluft- Turbinenkreislauf.

Hinterwrund

Bei Gasturbinenmaschinen ist es üblich, die verschiedenen Komponenten von einem Ende aus in der Reihenfolge Niederdruckverdichter, Hochdruckverdichter, Hochdruckturbine und Niederdruckturbine anzuordnen. Häufig sind der Niederdruckwerdichter und der Niederdruckturbinenrotor an einer Niederdruckwelle angebracht, wobei ein elektrischer Generator an diese Welle gekoppelt ist. Der Hochdruckverdichterrotor und der Hochdruckturbinenrotor sind an einer Hochdruckwelle belestigt.
Die Hochdruckwelle hat eine Hohlbohrung, durch die die Niederdruckwelle konzentrisch hindurchgeht. Der Durchmesser der Niederdruckwelle ist deshalb durch die Notwendigkeit beschränkt daß sie durch die Hochdruckwelle hindurchgeht. Das macht es schwierig, die Welle mit ausreichender Festigkeit auszulegen, um mit einem kurzgeschlossenen Generator zurechtzukommen, was das normale Drehmoment auf die Welle verdreifachen kann. Außerdem ist eine lange Niederdruckweile mit relativ geringem Durchmesser anfällig für Probleme kritischer Frequenzen. Deshalb sind üblicherweise mehr als zwei Lager nötig.
Bei konventionellen Maschinen ist das Axiallager der Niederdruckwelle üblicherweise an dem Verdichterende, weil die Axialspiele zwischen den Verdichterleitschaufeln und den Verdichterlaufschaufeln kritischer sind als die der Turbine. Die Anordnung des Axiallagers nahe dem Verdichter begrenzt die unterschiedliche Ausdehnung zwischen dem Stator und den Rotoren. Der angeschlossene Generator ist üblicherweise bei dem Turbinenende, wobei die Starterausrüstung an dem kalten Ende ist. Deshalb gibt es eine signifikante Niederdruckwellenausdehnung in Richtung auf die Kupplung mit dem Generator.
Der Turbinenstator ist an dem Ende nahe beim Generator befestigt, um die unterschiedliche Ausdehnung zwischen dem Generator und der Gasturbinenmaschine zu minimieren. Bei der konventionellen Maschine ist das das Turbinenende. Deshalb ist die Ausdehnung der Niederdruckwelle entgegengesetzt zu der des Stators und verursacht große unterschiedliche Ausdehnung in Längsrichtung zwischen den Statorleitschaufeln und den Rotorlaufschaufeln.
Auch die Kupplung zu dem Generator, die an dem Turbinenende angeordnet ist, ist den hohen Temperaturen in dem Turbinenabgasdiffusortunnel ausgesetzt.
FR-A-2,384,951 zeigt eine Gasturbinenanordnung mit Niederdruckverdichter und Niederdruckrurbine an einer Welle. Der Hochdruckverdichter und die Hochdruckturbine sind an einer anderen Welle.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein integrierter Gasentwickler-Feuchtluftturbinenkreislauf, wie er in dem U.S. Patent Nr. 4,829,763 dargestellt ist, benutzt einen Zwischenkühler zwischen dem Niederdruck- und Hochdruckverdichter und einen Sättiger und Wärmetauscher zwischen dem Hochdruckverdichter und der die Hochdruckturbine beaufschlagenden Verbrennungseinrichtung. Konventionelle, völlig axiale Strömung des Fluids durch die Turbine auf konventionelle Art ist nicht nötig.
Gemäß der Effindung sind ein Niederdruckverdichterrotor und ein Niederdruckturbinenrotor auf einer Niederdruckwelle nebeneinander angeordnet, wobei der Generator an dieser Niederdruckwelle dem äußeren Verdichter benachbart angebracht ist. Der Hochdruckverdichterrotor und der Hochdruckturbinenrotor sind auf einer Hochdruckturbinenrotorwelle an einem Hochdruckwellenende der Turbomaschine angebracht. Jede Welle erstreckt sich nur zu einer inneren hinsichtlich der Axialerstreckung zentralen Stelle der Gasturbinenmaschine.
Die Niederdruckwelle hat ein Axiallager und ein Drehiager an dem äußeren oder Generator-Kupplungsende und ein Drehiager an dem inneren Ende oder der zentralen Stelle. Die Hochdruckwelle hat ein schubaufnehmendes Kugellager an dem äußeren Ende und ein Rollenlager an dem inneren Ende oder der zentralen Stelle. Dieses Rollenlager kann in der Niederdruckwelle in einer "Huckepack" Anordnung angeordnet sein.
Das den Hochdruckverdichter und die Verbrennungseinrichtung umgebende Gehäuse ist axial nicht geteilt. Der Hochdruckabgaberaum und der Rest des Gasturbinenmaschinegehäuses ist horizontal geteilt, und so ist die Wartung erleichtert.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun durch ein Beispiel und mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichhungen

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht der Turbinen- und Verdichteranordnung einer erfindungsgemäßen Gasturbinenmaschine;
Fig. 2 ist eine Sicht von oben auf einen Schnitt der Gasturbinenmaschine und
Fig. 3 ist eine Darstellung des Zentrallagerbereichs.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die Gasturbinenmaschine 10 nach Fig. 1 weist einen Niederdruckverdichter 12 und eine Niederdruckturbine 14 mit den an einer Niederdruckwelle 16 befestigten Rotoren auf. Ein Leistungsgenerator in der Form eines elektrischen Generators 18 ist an der gleichen Welle über eine Kupplung 20 festgemacht.
Eine Hochdruckturbine 22 und ein Hochdruckverdichter 24 haben an einer Hochdruckwelle 26 befestigte Rotoren. Diese Hochdruckwelle ist unabhängig von der Niederdruckwelle 16 drehbar.
Luft strömt durch die Leitung 28 in den Niederdruckverdichter und strömt durch die Leitung 30 durch den Zwischenicühler 32 aus. Bei einer verringerten Temperatur strömt die Luft zu dem Hochdruckverdichter 24 durch die Leitung 34, aus dem die Hochdruckluft durch die Leitung 36 zu dem Sättiger 38 abströmt. Die gesättigte Hochdruckluft strömt durch die Leitung 40 zu der Verbrennungseinrichtung 42, in der Brennstoff 44 verbrannt wird. Durch die Leitung 46 strömt sie dann durch eine einstufige Hochdruckturbine 22 und dann durch die Niederdruckturbine 14 und strömt durch die Leitung 48 ab.
Man erkennt in Fig. 2, daß der Niederdruckverdichterrotor 52 des Niederdruckverdichters 12 an dem außenseitigen Ende 53 der Niederdruckwelle 16 befestigt ist. Der Niederdruckturbinenrotor 54 der Niederdruckturbine 14 ist an dem inneren Ende 55 der Niederdruckwelle 16 befestigt.
Die Hochdruckwelle 26 hat den Hochdruckverdichterrotor 56 des Hochdruckverdichters 24 an ihrem außenseitigen Ende 57 befestigt. Das innere Ende 60 dieser Welle hat einen einstufigen Hochdruckturbinenrotor 58 der Hochdruckturbine 22 daran befesügt. Das innere Ende 60 der Hochdruckwelle 26 ist günstig in das innere Ende 55 der Niederdruckwelle 16 verlängert, wie später mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben wird.
Ein erstes Lager 62 weist ein Dreh- und Axiallager auf und ist zwischen der statischen Struktur 64 und der Niederdruckwelle 16 an deren außenseitigen Ende angeordnet. Dieses Lager ist an Abstützverstrebungen 66 abgestützt. Auch die feste Stelle des Gehäuses ist an diesem Ende.
Ein zweites Lager 68, das ein Drehlager zwischen der statischen Struktur 64 und der Niederdruckwelle 16 aufweist, ist an dem inneren Ende der Welle angeordnet. Dieses Lager ist von Verstrebungen 70 abgestützt, die, wie man in Fig. 3 am besten sieht, durch den Gasströmungsweg hindurchgehen.
Ein drittes Lager 72 ist ein Rollenlager zwischen dem inneren Ende 60 der Hochdruckwelle und dem inneren Ende 55 der Niederdruckwelle. Ein gemeinsames Lagergehäuse 78 umgibt diese beiden Lager und dient als eine beidseitige Abstützung, wobei die Abstützung an der Struktur durch die Verstrebungen 70 erfolgt.
Ein viertes Lager 80 in der Form eines Kugel- und Axiallagers ist an dem außenseitigen Ende der Hochdruckwelle 26 angeordnet. Dieses ist durch Verstrebungen 82 von der statischen Struktur 64 abgestützt.
Das ganze Gehäuse, das den Niederdruckrotorbereich umgibt, ist bei einem Flansch 86 horizontal geteilt und erlaubt das einfache Entfernen des Niederdruckrotors zur Reparatur. Dieser Flansch erstreckt sich zurück zu dem umfangsmäßigen Flansch 88 zwischen dem Hochdruckturbinengehäuse und dem Gehäuse der Verbrennungseinrichtung. Der Hochdruckverdichterabgaberaum 90 ist auch horizontal geteilt. Das Gehäuse, das die Verbrennungseinrichtung und den Hochdruckverdichter umgibt ist nicht geteilt.
Der Hochdruckbereich der Maschine ist axial zusammengebaut und läßt die Verwendung eines üblichen Flugzeugtriebwerks- Hochdruckverdichters zu. Zugang und Zerlegen der ringförmigen Verbrennungseinrichtung ist auch einfach ausführbar. Nach dem Entfernen des geteilten Gehäuses 90, das den Abgaberaum umgibt, kann das ringförmige Verbrennungseinrichtungsgehäuse nach hinten bewegt werden, und dadurch wird die Verbrennungseinrichtung zur Inspektion oder zur Wartung freigelegt.
Die Scheiben 92 der hinteren Stufen der Niederdruckturbine benötigen Kühiluft. Bei dieser Anordnung kann das geleistet werden, indem an der Stelle 94 von dem Hochdruckverdichter Kühlluft abgezogen wird und in die Bohrung des Hochdruckrotors geleitet wird. Diese Kühlluft kann als Kühiluft 96 durch die Bohrung der Hochdruckwelle in die Bohrung der Niederdruckwelle an der Stelle des Lagers 68 strömen. Von dieser Stelle kann die Kühiluft zu den Stufen 92, die gekühlt werden müssen, strömen.
Das gemeinsame Lagergehäuse an der zentralen Stelle benötigt nur eine einzige Abstutzung für das ganze Zentrallagerpaket. Folglich müssen im ganzen nur drei Lagergehäuse für die Gasturbinenmaschine abgestützt werden. Die relativ kurze Niederdruckwelle mit großem Durchmesser kann mit nur zwei Lagern abgestützt sein, ohne in Probleme mit kritischen Frequenzen zu geraten. Sie kann auch einfach stabil genug ausgelegt sein, um das hohe Drehmoment auszuhalten, das in dem Fall eines Generatorkurzschiusses auftreten würde. Der große Generator, der an dem Niederdruckende der Turbine angebracht ist, macht es nicht ratsam, die Gasturbinenmaschine axiale zerlegbar zu konstruieren. Das geteilte Niederdruckgehäuse erlaubt das Entfernen von Niederdruckomponenten ohne axiale Bewegung.
Beide, das Niederdruckaxiallager und die feste Maschinenabstützung sind an dem kalten Ende, wie auch die Kupplung zu dem Generator. Der nötige Starterantrieb ist an dem anderen kalten Ende, und es gibt kein heißes Ende. Die Statoren und Rotoren dehnen sich in die gleiche Richtung aus, was das nötige Axialspiel verringert.
Die nötige Strömungsunterbrechung wird am besten bei einer Zweiwellengasturbine erzielt. Außerdem ist es mechanisch vorzuziehen, die Wellen in Serie statt konzentrisch zu haben.

Claims

1. Gasturbinenmaschine aufweisend:

eine Niederdruckwelle (16);

eine Hochdruckwelle (26);

einen Niederdruckverdichterrotor (52) an der Niederdruckwelle;

einen Niederdruckturbinenrotor (54) an der Niederdruckwelle;

einen Hochdruckverdichterrotor (56) an der Hochdruckwelle;

einen Hochdruckturbinenrotor (58) an der Hochdruckwelle;

wobei die Niederdruckwelle und die Hochdruckwelle axial fluchtend sind und in Längsrichtung versetzt sind und so ein äußeres Ende (53, 57) und ein inneres Ende (55, 60) jeder Welle festlegen;

eine Leistungsabgabeeinheit (18), die mit der Niederdruckwelle (16) verbunden ist;

wobei die Niederdruckwelle (16) und die Hochdruckwelle (26) unabhängig drehbar sind, gekennzeichnet durch

ein erstes Lager (62) aufweisend ein Dreh- und Axiallager zwischen statischer Struktur (64) und der Niederdruckwelle (16) an dem äußeren Ende (53) der Niederdruckwelle;

ein zweites Lager (68) aufweisend ein Drehlager zwischen statischer Struktur (64) und der Niederdruckwelle (16) an dem inneren Ende (55) der Niederdruckwelle;

ein drittes Lager (72) aufweisend ein Rollenlager zwischen dem inneren Ende (55) der Niederdruckwelle und dem inneren Ende (60) der Hochdruckwelle; und

ein viertes Lager (80) aufweisend ein Kugel- und Axiallager zwischen statischer Struktur und dem äußeren Ende (57) der Hochdruckwelle (26).

2. Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1 aufweisend:

ein gemeinsames Lagergehäuse (78), das das zweite (68) und das dritte (72) Lager umschließt.