DE19600419A1 - Maschinensatz - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Maschinensatz, umfassend einen
drehbaren Wellenstrang, zwei auf diesem aufsitzende Maschi
nen, welche durch Rotation des Wellenstranges zwischenein
ander Energie austauschen, sowie eine Vielzahl von Lagern,
deren jedes den Wellenstrang lagert.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Maschinen
satz mit einer ersten Maschine in Form einer Turbine, insbe
sondere einer freilaufenden Gasturbine, sowie einer zweiten
Maschine in Form eines Generators. Bei einem solchen Maschi
nensatz überträgt der rotierende Wellenstrang mechanische
Energie, die von der Turbine durch Entspannung eines Strö
mungsmittels gewonnen wird, zu dem Generator, welcher die me
chanische Energie in Elektrizität umwandelt. Unter einer
"freilaufenden Gasturbine" wird in diesem Zusammenhang eine
Turbine verstanden, die mit einem Strömungsmittel nach Art
eines heißen Rauchgases beaufschlagt ist, wobei das Strö
mungsmittel nicht vorgesehen ist zur Kondensation hinter der
Turbine, und welche Turbine nicht in mechanischer Wirkverbin
dung mit einer weiteren Maschine nach Art eines Turbokompres
sors oder dergleichen steht; die Turbine ist lediglich mit
der anderen Maschine des Maschinensatzes mechanisch verkup
pelt. Der Gebrauch des Wortes "Gasturbine" im vorliegenden
Zusammenhang entspricht nicht der weit verbreiteten Praxis,
gemäß derer eine Gasturbine eine Einheit aus Kompressor zur
Bereitstellung verdichteter Luft, Verbrennungseinrichtung zur
Verbrennung eines Brennstoffes in der verdichteten Luft unter
Bildung eines Rauchgases und zumindest einer Turbine im
eigentlichen Sinne zur Entspannung des Rauchgases ist. Eine
solche Kombination wird vorliegend zwecks Unterscheidung als
"Gasturbinenanlage" bezeichnet.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Maschinen
satz mit einer Turbine, welche Bestandteil einer Gasturbinen
anlage des sogenannten "zweiwelligen Typs" ist. Eine Gastur
binenanlage des zweiwelligen Typs beinhaltet zwei Turbinen,
die auf verschiedenen Wellensträngen aufsitzen. Auf einem er
sten Wellenstrang sitzen eine der Turbinen sowie ein Korn
pressor, welcher über den ersten Wellenstrang angetrieben
wird. Auf einem zweiten Wellenstrang sitzt die andere Tur
bine, und diese andere Turbine ist über den zweiten Wellen
strang mit einer externen Abtriebsmaschine, beispielsweise
einem Generator, verbunden. In diesem Zusammenhang bilden die
andere Turbine, der zweite Wellenstrang sowie die Abtriebsma
schine einen Maschinensatz, der wie einleitend angegeben,
ausgeführt sein kann.
In einem Maschinensatz, der in der Einleitung genannten Art
ist der Wellenstrang in jeder Maschine zweifach gelagert, so
daß insgesamt zumindest vier Lager den Wellenstrang lagern.
Dies erklärt sich daraus, daß herkömmlicherweise jede Maschi
ne eine eigene Welle besitzt, welche zumindest zweifach ge
lagert ist, und der Wellenstrang durch Verkuppeln der Wellen
miteinander gebildet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Maschinensatz der eingangs
genannten Art wesentlich zu vereinfachen.
Zur Lösung dieser Aufgabe angegeben wird ein Maschinensatz,
umfassend einen drehbaren Wellenstrang, zwei auf diesem auf
sitzende Maschinen, welche durch Rotation des Wellenstranges
zwischeneinander Energie austauschen, sowie eine Vielzahl von
Lagern, deren jedes den Wellenstrang lagert, wobei nur drei
Lager vorhanden sind.
Die Erfindung geht aus von der überraschenden Erkenntnis, daß
es ausreichend ist, einen zum Austausch von Energie zwischen
zwei Maschinen vorgesehenen Wellenstrang nur dreifach zu la
gern. In der Tat erweist sich, daß in jedem nach herkömmli
cher Fachkunst ausgeführten Maschinensatz eines von insgesamt
vier Lagern überflüssig ist.
Vorzugsweise sind die Lager in dem Maschinensatz derart ver
teilt, daß einer ersten Maschine des Maschinensatzes ein La
ger unmittelbar benachbart ist und einer zweiten Maschine des
Maschinensatzes zwei Lager unmittelbar benachbart sind. Wei
terhin vorzugsweise hat die erste Maschine zusätzlich einen
den Wellenstrang umringenden Führungsring, durch welchen der
Wellenstrang bei einer Deformation aus einer Normalform ab
stützbar ist. Insbesondere diese Weiterbildung gewährleistet
ein hohes Maß an Sicherheit gegen unerwünschte Deformationen
der Welle, falls es, etwa im Rahmen eines Störfalles, zu
starken Deformationen und Schwingungen des Wellenstranges
kommt, und sie gewährleistet, daß die erste Maschine in her
kömmlicher Weise transportabel ausgeführt werden kann, obwohl
sie nur ein einziges Lager für ein in der ersten Maschine
vorgesehenes Stück des Wellenstranges aufweist. Bei regulärem
Betrieb des Maschinensatzes verbleibt zwischen dem Führungs
ring und dem Wellenstrang ein kleiner Spalt, so daß keine
nennenswerte Reibung zwischen dem Führungsring und dem Wel
lenstrang auftritt. Lediglich im Rahmen eines Störfalls, oder
im Rahmen eines Transports, kommt es zu einem Kontakt zwi
schen dem Wellenstrang und dem Führungsring, wobei allerdings
eine ausreichende Lagerung gewährleistet werden kann.
Das der ersten Maschine unmittelbar benachbarte Lager ist
insbesondere ein in der ersten Maschine angebracht es internes
Lager. In diesem Sinne bedeutet der Begriff "unmittelbar be
nachbart" nicht, daß die Lager und die Maschinen in dem Ma
schinensatz voneinander beabstandet sein müßten. Die Lager
können sehr wohl integrale Bestandteile der Maschinen sein.
Die erste Maschine ist vorzugsweise eine Turbine, insbeson
dere eine freilaufende Gasturbine, und die zweite Maschine
ist vorzugsweise ein Generator. Diese Wahl ist jedoch keines
wegs zwingend; je nach den Umständen des jeweiligen Einzel
falls kann auch die erste Maschine der Generator und die
zweite Maschine die Turbine sein. Wie dem auch sei, so kann
die Turbine von einer Art sein, daß sie bei ihrem Betrieb auf
den Wellenstrang einen Axialschub, also eine in einer Längs
richtung des Wellenstrangs gerichtete Kraft, ausübt. Diese
Kraft muß aufgefangen werden, und hierzu ist insbesondere
eines der Lager ein einen solchen Axialschub aufnehmendes La
ger, also ein Axiallager. Dieses Axiallager kann jedes der
drei Lager sein; über die Positionierung des Axiallagers ist
nach den Umständen des jeweiligen Einzelfalls entscheidbar.
Die beiden anderen Lager können einfache Radiallager sein,
welche lediglich Kräfte aufnehmen, die senkrecht zur Längs
richtung des Wellenstranges gerichtet sind.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausgestaltung enthält
der Wellenstrang eine zwischen den Maschinen angeordnete und
zwischen dem Wellenstrang zugehörige andere Teile eingekup
pelte Zwischenwelle, die eine Biegesteifigkeit hat, welche
wesentlich geringer ist als Biegesteifigkeiten der anderen
Teile, sowie jedes Lager lagert den Wellenstrang abseits der
Zwischenwelle. Bei dieser Ausgestaltung wird ein eventueller
Lagerversatz zwischen den Maschinen im wesentlichen von der
Zwischenwelle ausgeglichen, indem diese entsprechend verbogen
ist. Durch geeignete Wahl der Biegesteifigkeit kann die
Belastung der Lager sowie die Belastung von Kupplungen in dem
Wellenstrang in angemessener Höhe begrenzt werden. Die Zwi
schenwelle kann aus einem Metall oder aus einem faserver
stärkten, insbesondere glasfaserverstärkten, Kunststoff be
stehen.
Bei einem Maschinensatz mit einer Zwischenwelle im Sinne der
vorstehenden Ausführungen, welche ausgelegt ist zur Rotation
des Wellenstranges mit einer vorbestimmten Nennfrequenz, ist
jede Eigenfrequenz, die zu einer Biegeschwingung der Zwi
schenwelle gehört, wesentlich verschieden von der Nennfre
quenz oder einem ganzzahligen Vielfachen der Nennfrequenz.
Diese Ausgestaltung vermeidet es, daß die wie erläutert even
tuell verbogene Zwischenwelle beim bestimmungsgemäßen Betrieb
des Maschinensatzes zu einer Biegeschwingung angeregt wird.
Hinsichtlich jedweder Schwingung, insbesondere jedweder Bie
geschwingung, ist die Zwischenwelle als gedämpfter Resonator
zu betrachten. Um die Zwischenwelle zu einer Biegeschwingung
anzuregen, muß daher eine Anregung nicht genau mit einer Ei
genfrequenz erfolgen, sondern auch eine Anregung mit einer
von einer Eigenfrequenz leicht verschiedenen Frequenz kann
die Zwischenwelle zu einer erzwungenen Biegeschwingung anre
gen. Der Umfang, in dem dabei eine Abweichung von der Eigen
frequenz möglich ist, ist festgelegt durch entsprechende Pa
rameter des Wellenstranges. "Wesentlich verschieden" bedeu
tet, daß es bei einer entsprechenden Anregung zu keinerlei
maßgeblichen Anregungen einer Biegeschwingung kommt.
Die Lager in dem Maschinensatz jedweder Ausgestaltung können
entsprechend den Umständen des jeweiligen Einzelfalls Gleit
lager oder Wälzlager sein, wobei als Wälzlager insbesondere
Rollenlager in Betracht gezogen werden.
Der Maschinensatz jedweder Ausgestaltung ist insbesondere
ausgelegt zum Austausch der Energie mit einer Leistung zwi
schen 25 Megawatt und 250 Megawatt, insbesondere von etwa
200 Megawatt. Dies kommt vor allem in Betracht für den Fall,
daß die Maschine eine frei laufende Gasturbine und ein Gene
rator sind. Ein derartiger Maschinensatz bildet beispiels
weise einen wesentlichen Bestandteil eines Gasturbinenkraft
werks oder eines Kombinationskraftwerks, bei dem ein aus der
Gasturbine entlassenes Abgas einem Dampfkessel zugeführt
wird, wo es zur Bereitstellung eines in einer entsprechend
vorgesehenen Dampfturbine zu entspannenden, hochgespannten
Dampfes dient.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand
der Zeichnung erläutert. Die Zeichnung beinhaltet mehrere
schematische Darstellungen, und die Erläuterung der Zeichnung
wird beschränkt auf die im vorliegenden Zusammenhang wichti
gen Merkmale. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 Schemazeichnungen von Ausführungs
beispielen für einen Maschinensatz im Sinne vorstehender Aus
führungen;
Fig. 4 einen Teil eines Längsschnittes durch eine Gasturbi
nenanlage mit einer Turbine, die Teil eines entsprechenden
Maschinensatzes ist.
In allen Figuren der Zeichnung tragen einander entsprechende
Teilmerkmale und Bestandteile jeweils dasselbe Bezugszeichen.
In Anbetracht dessen gelten die nachfolgenden Ausführungen
entsprechend für alle Figuren.
Zunächst wird Bezug genommen auf die Fig. 1, 2 und 3. De
ren jede zeigt einen Maschinensatz mit einer ersten Maschine
1 in Form einer freilaufenden Gasturbine 1, einer zweiten Ma
schine 2, nämlich eines Generators 2, sowie eines Wellen
stranges 3, auf dem die Maschinen 1 und 2 aufsitzen und über
den, wenn er rotiert, die Maschinen 1 und 2 zwischeneinander
Energie austauschen. Der Austausch von Energie erfolgt in der
Weise, daß die freilaufende Gasturbine 1 über den Wellen
strang 3 den Generator 2 antreibt; dabei wandelt die freilau
fende Gasturbine 1 thermodynamische Energie um in mechanische
Energie, welche entlang des Wellenstranges 3 dem Generator 2
zufließt und dort in elektromagnetische Energie umgewandelt
wird.
Der Wellenstrang 3 ist gelagert in drei Lagern 4 bzw. 5, wo
bei in unmittelbarer Nachbarschaft der ersten Maschine 1 ein
Lager 4 angeordnet ist bzw. in unmittelbarer Nachbarschaft
der zweiten Maschine 2 zwei Lager 4 und 5 angeordnet sind.
Die Lager 4, 5 umfassen zwei Radiallager 4 zur Aufnahme von
Kräften senkrecht zu einer Längsrichtung des Wellenstranges 3
sowie ein Axiallager 5 zur Aufnahme eines dem Wellenstrang 3
mitgeteilte Axialschubs. In den vorliegenden Beispielen hat
das Axiallager 5 zusätzlich dieselben Funktionen wie ein
Radiallager 4.
Der Wellenstrang 3 ist zusammengekuppelt aus einer zwischen
den Maschinen 1, 2 angeordneten Zwischenwelle 7 sowie zwei
anderen Teilen 6, deren jedes eine eine der Maschinen 1 oder
2 durchquerende Welle ist. Zusammengekuppelt sind die Teile 6
und 7 an jeweiligen Kupplungen 9. Die Anordnung des einzigen
Lagers 4 an der ersten Maschine 1 kann im übrigen den Anfor
derungen des jeweiligen Einzelfalls Rechnung tragen. Gemäß
Fig. 1 befindet sich dieses Lager 4 an einer der Zwischen
welle 7 abgewandten Seite der ersten Maschine 1. Nach Fig. 2
befindet sich dieses Lager im Inneren der ersten Maschine 1,
und nach Fig. 3 befindet sich dieses Lager 4 an einer der
Zwischenwelle 7 zugewandten Seite der ersten Maschine 1.
Die Zwischenwelle 7 erfüllt in jedem der Ausführungsbeispiele
spezifische Funktionen. Zunächst einmal kann dadurch, daß sie
vorgesehen wird, zwischen den Maschinen 1 und 2 Platz ge
schaffen werden, um ein Abgasführungsystem zur Abführung von
Abgas aus der freilaufenden Gasturbine 1 in der Nähe des Wel
lenstrangs 3 vorzusehen. Dies ist im Sinne vieler bekannter
Konstruktionen erforderlich, da insbesondere Gasturbinen hö
herer Leistung eine axiale Abströmung ihrer Abgase erfordern.
Im vorliegenden Zusammenhang von Bedeutung ist auch, daß die
Zwischenwelle 7 so ausgestaltet werden kann, daß sie leicht
verbiegbar ist und einen eventuellen Versatz zwischen den
verschiedenen Lagern 4 und 5 im wesentlichen allein aus
gleichen kann. Hierzu wird die Zwischenwelle 7 mit einer ver
gleichsweise geringen Biegesteifigkeit, gemessen an den Bie
gesteifigkeiten der anderen Teile 6, ausgeführt. Von Bedeu
tung ist auch, die Zwischenwelle 7 so zu gestalten, daß sie
bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb des Maschinensatzes
nicht zu Biegeschwingungen neigt; solche Biegeschwingungen
können sich insbesondere dann ergeben, wenn die Zwischenwelle
7 wegen eines Versatzes zwischen den Lagern 4 und 5 leicht
verbogen ist. Zu diesem Zweck wird die Zwischenwelle 7 so
ausgelegt, daß jedwede Eigenfrequenz, die einer möglichen
Biegeschwingung der Zwischenwelle 7 entspricht, wesentlich
verschieden ist im Sinne der bereits früher gemachten Aus
führungen von einer Nennfrequenz oder einem vielfachen der
Nennfrequenz, mit welcher der Wellenstrang 3 beim bestim
mungsgemäßen Betrieb des Maschinensatzes rotiert. Durch ent
sprechende Wahl der Biegesteifigkeit sowie anderer Parameter
der Zwischenwelle 7, insbesondere ihrer Masse, kann auch die
Belastung der Lager 4 und 5 sowie der Kupplungen 9 einge
stellt werden; es ist beispielsweise möglich und erstrebens
wert, die Zwischenwelle 7 und ggf. die anderen Teile 6 des
Wellenstranges 3 so auszulegen, daß wenigstens eine der Kupp
lungen 9 selbst bei einer gewissen Verbiegung des Wellen
stranges 3, womit eventuell schon beim Stillstand des Wellen
stranges 3 aufgrund der Verteilung der Masse zu rechnen ist,
nicht mit Dreh- oder Biegemomenten belastet wird. Im Rahmen
solcher Erwägungen kann es auf eine sorgfältige Auswahl des
Werkstoffes für die Herstellung der Zwischenwelle 7 ankommen;
hierzu kommen nicht nur übliche Metalle, sondern auch Kunst
stoffe, insbesondere kohle- oder glasfaserverstärkte Kunst
stoffe, in Betracht.
Fig. 4 zeigt einen Teil eines Längsschnittes durch eine
Gasturbinenanlage, welche eine freilaufende Gasturbine 1 be
inhaltet, welche zu einem Maschinensatz der soeben erläuter
ten Art gehört. In unmittelbarer Nachbarschaft der freilau
fenden Gasturbine 1 ist ein Lager 4 vorgesehen entsprechend
dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1. Eine Welle 6 im Inne
ren der freilaufenden Gasturbine 1 ist gebildet aus miteinan
der verschraubten und hintereinander angeordneten Scheiben.
Dieser Welle 6 zugeordnet sind das Radiallager 4 an der lin
ken Seite der freilaufenden Gasturbine 1 sowie ein, Führungs
ring 8 an der rechten Seite der freilaufenden Gasturbine 1,
welcher Führungsring 8 die Welle 6 während deren bestimmungs
gemäßen Betriebs nicht berührt, sondern einen kleinen, in
Fig. 4 nicht erkennbaren Spalt freiläßt. Die Welle 6 soll den
Führungsring 8 nur dann berühren, wenn sie, beispielsweise im
Rahmen eines Störfalls, stark deformiert wird. Ein solcher
Störfall kann beispielsweise auftreten, wenn es in der frei
laufenden Gasturbine 1 zu einem Bruch kommt. An einer Kupp
lung 9 ist die Zwischenwelle 7 an die Welle 6 angekuppelt.
Links neben der freilaufenden Gasturbine 1 ist eine andere
Gasturbine 11 angeordnet, welche einen (nicht dargestellten)
Turboverdichter treibt, aus dem verdichtete Luft einer
(ebenfalls nicht dargestellten) Verbrennungsanlage zugeführt
wird, wo in dieser Luft ein Brennstoff unter Bildung eines
Rauchgases verbrennt, welches Rauchgas zunächst der anderen
Turbine 11 und dann der freilaufenden Gasturbine 1 zugestellt
wird. Zur Lagerung beider Gasturbinen 1 und 11 ist ein ge
meinsames Lagergehäuse 10 vorgesehen. Beide Gasturbinen 1 und
11 sind außerdem von einem gemeinsamen Turbinengehäuse 12
umgeben.
Die Erfindung stellt einen Maschinensatz mit zwei über einen
Wellenstrang 3 verkuppelten Maschinen 1 und 2 bereit, welcher
im Hinblick auf die notwendige Lagerung des Wellenstranges 3
besonders einfach und somit kostengünstig gestaltet ist.
Claims (12)
1. Maschinensatz, umfassend einen drehbaren Wellenstrang (3),
zwei auf diesem aufsitzende Maschinen (1, 2), welche durch
Rotation des Wellenstranges (3) zwischeneinander Energie
austauschen, sowie eine Vielzahl von Lagern (4, 5), deren
jedes den Wellenstrang (3) lagert,
dadurch gekennzeichnet, daß nur drei
Lager (4, 5) vorhanden sind.
2. Maschinensatz nach Anspruch 1, bei dem die Maschinen (1,
2) eine erste Maschine (1) und eine zweite Maschine (2) sind,
wobei der ersten Maschine (1) ein Lager (4, 5) unmittelbar
benachbart ist und wobei der zweiten Maschine (2) zwei Lager
(4, 5) unmittelbar benachbart sind.
3. Maschinensatz nach Anspruch 2, bei dem die erste Maschine
(1) zusätzlich einen den Wellenstrang (3) umringenden Füh
rungsring (8) aufweist, durch welchen der Wellenstrang (3)
bei einer Deformation aus einer Normalform abstützbar ist.
4. Maschinensatz nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das der
ersten Maschine (1) unmittelbar benachbarte Lager (4, 5) ein
in der ersten Maschine (1) angebrachtes internes Lager (4, 5)
ist.
5. Maschinensatz nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem
die erste Maschine (1) eine Turbine (1), insbesondere eine
freilaufende Gasturbine (1), und die zweite Maschine (2) ein
Generator (2) ist.
6. Maschinensatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem
die Maschinen (1, 2) eine Turbine (1), insbesondere eine
freilaufende Gasturbine (1), sowie ein Generator (2) sind.
7. Maschinensatz nach Anspruch 5 oder 6, bei dem eines der
Lager (4, 5) ein einen Axialschub aufnehmendes Lager (5) ist.
8. Maschinensatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
dem der Wellenstrang (3) eine zwischen den Maschinen (1, 2)
angeordnete und zwischen dem Wellenstrang (3) zugehörige
andere Teile (6) eingekuppelte Zwischenwelle (7) aufweist,
die eine Biegesteifigkeit hat, welche wesentlich geringer ist
als Biegesteifigkeiten der anderen Teile (6), sowie jedes
Lager (4, 5) den Wellenstrang (3) abseits der Zwischenwelle
(7) lagert.
9. Maschinensatz nach Anspruch 8, bei dem die Zwischenwelle
(7) aus einem Metall oder aus einem faserverstärkten, insbe
sondere glasfaserverstärkten, Kunststoff besteht.
10. Maschinensatz nach Anspruch 8 oder 9, welcher ausgelegt
ist zur Rotation des Wellenstranges (3) mit einer vorbestimm
ten Nennfrequenz, und bei dem jede Eigenfrequenz, die zu
einer Biegeschwingung der Zwischenwelle (7) gehört, wesent
lich verschieden von der Nennfrequenz oder einem ganzzahligen
Vielfachen der Nennfrequenz ist.
11. Maschinensatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Lager (4, 5) Gleitlager (4, 5) oder Wälzlager (4,
5) sind.
12. Maschinensatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Maschinen (1, 2) ausgelegt sind zum Austausch der
Energie mit einer Leistung zwischen 25 MW und 250 MW, insbe
sondere von etwa 200 MW.
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8131 | Rejection |