DE2600523C3

DE2600523C3 - Andrehvorrichtung für eine Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE2600523C3
Application number: DE2600523A
Authority: DE
Inventors: Robert W. Pecatonica Ill Meyer
Original assignee: Twin Disc Inc
Current assignee: Twin Disc Inc
Priority date: 1975-01-08
Filing date: 1976-01-08
Publication date: 1982-01-28
Also published as: DE2600523B2; JPS5195509A; GB1515200A; DE2600523A1; JPS5434849B2; US3951008A

Description

motor 3 auf (1000 PS Leistung). Die Hauptaniriebswelle 2 ist mit einer Abiriebswclle 4 verbunden. Ein Untersetzungszahnrad 5 steht mit einem auf einer Welle 6 festgelegten Zahnrad 5' im Eingriff. Ein hydraulischer Drehmomentenwandler TC ist abtriebsseitig (Welle 8) in Wälzlagern gestützt. Seine Pumpe 7 ist mit der Welle 6 verbunden. Die Abtriebswelle 8 ist über eine Keilwelle 9 und Zahnräder 10 und U mit einer Vorgelegewelle 12 verbunden. Steuereinrichtungen 13 und 13s diener, zur Steuerung des Drehmonientenwandlers

Eine Klauenkupplung /C ist normalerweise ausgerückt. Eine Freilaufkupplung OCist unmittelbar vor der Klauenkupplung/Cnuf der Vorgelegewelle 12 angeordnet. Die Freilaufkupplung OC läßt eine Drehbewegung nur in einer Richtung zu und besitzt ein großes Zahnrad 14, welches in dauerndem Eingriff mit einem Zahnrad 15 steht, das seinerseits zusammen mit einem großen Zahnrad 15 steht, das seinerseits zusammen mit einem großen Zahnrad 17 auf einer Welle 16 befestigt ist. Das Zahnrad 17 kämmt mit einem Ritzel 18 einer Welle 19, auf der ein großes Zahnrad 20 festgelegt ist. Die Zahnräder und Wellen bilden ein Untersetzungsgetriebe.

Auf einer Nebenweile 24 sitzt ein Ritzel 25, welches mit dem Zahnrad 20 kämmt. Die Nebenwelle 24 wird von einem Anwurfmotor 28 getrieben, welcher z. B. eine Leistung von 10 PS bei einer Drehzahl von 1200 U/min abgibt.

Die Abtriebswelle 4 ist mit einem Gasturbinenrotor GT verbunden, der z. B. eine Betriebsdrehzahl von 3600 U/min aufweist. Der Gasturbinenrotor dient seinerseits zum Antrieb eines Generators C.

Der Gasturbinenrotor GT hai im Stillstand eine extrem hohe Trägheit und einen hohen Lagerwiderstand. Es ist deshalb zum Anfahren notwendig, in die Welle 4 ein hohes Drehmoment einzuleiten. Der Drehmomentenwandier TC ist nicht in der Lage, ein ausreichend großes Drehmoment abzugeben. Der Hauptandrehmotor 3 dient zum Hochdrehen des Gasturbinenrotors, nach dieser z. B. eine Drehzahl von 6 U/min erreicht hat. Er treibt dann den Gasturbinenrotor so lange an, bis dieser bis auf die Leerlaufdrehzahl beschleunigt ist. Das heißt, der Drehmomentenwandler TC ist derart ausgelegt, daß er den Gasturbinenrotor von annähernd 6 U/min auf eine Drehzahl beschleunigen kann, bei welcher die Gasturbinenanlage in der Lage ist, sich selbst bis zu ihrer Betriebsdrehzahl zu beschleunigen. Dann wird die Klauenkupplung /C ausgerückt.

Der statische Anfahrwiderstand wird vom Anwurfmotor 28 überwunden, der den Gasturbinenrotor auf annähernd 6 U/min hochdreht. Der Anwurfmotor 28 dreht den Gasturbinenrotor anfänglich durch. Dabei bleibt der Drehmomentenwandler TC druekentlastet. Wenn der Gasturbinenrotor etwa eine Drehzahl von 6 U/min erreicht hat, wird Flüssigkeit in den Drehmomentenwandler TC eingeleitet, so daß bis zur Leerlaufdrehzahl beschleunigt werden kann.

Infolge des extremen Untersetzungsverhältnisses (ζ. B. 193 :1) seines Getriebes würde der Anwurfmotor 28 überdreht, wenn der Drehmomentenwandler greift. Deshalb ist die Freilaufkupplung OC vorgesehen, die aus einer Klemmrollenfreilaufkupplung besteht. Wenn die Freilaufkupplung OC löst, wird die elektrische Energie des Anwurfmotors 28 abgeschaltet.

Für den Anwurfmotor 28 ist eine hydraulische Strömungskupplung 40 vorgesehen, welche die vom Anwurfmotor 28 erzeugte kinetische Energie verringert und die Drehmomentstöße beim Anwerfen aufnimmt. Die Strömungskupplung 40 besitzt eine erste Kupplungshälfte 42. die stationär am Gehäuse // der Andreh-Vorrichtung festgelegt ist (F i g. 2). Ihre zweite • Kupplungshälfte 44 ist mit der Nebenwelle 24 verbunden. Zunächst ist die Strömungskupplung 40 ganz mit Flüssigkeit gefüllt, so daß sie erheblich verzögert. Der Anwurfmotor 28 kar.n nur auf eine geringe Drehzahl beschleunigen, bei der er nur ein von

ι» der Größe der Absorptionskapazität der Strömungskupplung 40 abhängendes Drehmoment erzeugt und die gespeicherte kinetische Energie relativ gering ist.

Nach einer vorbestimmten Verzögerungszeit, nach welcher der Anwurfmotor 28 seine Betriebsdrehzahl

'■"> erreicht, wird ein Steuermagnet 46 erregt (Fi g. 3), der mn einer Steuereinrichtung 48 verbunden ist.

In der Steuervorrichtung 48 (F i g. 3 und 4) ist in einer Bohrung 51 axial verschiebbar ein Ventilschieber 50 gelagert. Ferner ist eine Bypaßleitung 49, eine Drossel

-w 47 und ein Auslaß 52 vorgesehen, an den sich eine Ablaßleitung 53 anschließt, über welche die Flüssigkeit zum Gehäuse H abgeleitet wird. Ein Auslaß 54 leitet über eine Leitung 55 Hochdruckflüssigkeit zu einem Ablaßventil 60 (siehe F i g. 5 und 7). Von einer Pumpe 62

·?■-> kommende Hochdruckflüssigkeit tritt in die Steuervorrichtung 48 durch eine Leitung 64 ein. Ein Auslaß 68 (siehe F i g. 2 und 3) leitet die Druckflüssigkeit zur hydraulischen Strömungskupplung 40.

Der Steuermagnet 46 ermöglicht, daß die hydrauli-

i" sehe Strömungskupplung mit Flüssigkeit gefüllt wird. Sein Plunger 46a wird nach einem Signal in F i g. 3 nach links bewegt und verschließt die Drossel 47 und damit den Bypaß 49, bis eine Druckentlastung stattfindet. In F i g. 3 ist die Normalstellung der Steuervorrichtung 48

)' dargestellt, in der die Strömungskupplung 40 gefüllt ist, da die Hochdruckflüssigkeit vom Einlaß 64 zum Auslaß 68 strömen kann.

Der Ventilschieber 50 wird nach rechts verschoben, wenn der Plunger 46a nach links bewegt wird. Durch die

·"· Verschiebung des Plungers 46a nach links wird die Druckflüssigkehsstcömung in der Bypaßleitung 49 unterbrochen und wirkt nicht mehr auf das rechte Ende 50a des Ventilschiebers 50. Der Ventilschieber 50 wird durch eine Feder 70 (in F i g. 3 und 4) nach rechts

·*> bewegt, bis die Strömungskupplung 40 druckentlastet wird. Eine im Ventilschieber vorgesehene Drosselbohrung 50ό ermöglicht eine Ableitung der am rechten Ende des Ventilschiebers 50 anstehenden Druckflüssigkeit. Sobald die Flüssigkeit aus der Strömungskupplung

w entweicht, läßt das Verzögerungsmoment nach, und steigt das verfügbare Molormoment an.

Nachdem der Gasturbinenrotor GT angeworfen ist, wird der Steuermagnet 46 entregt, so daß die Strömungskupplung 40 wieder gefüllt wird und als

^r>^r) Verzögerungseinrichtung dient, um ein Überdrehen des Anwurfmotors 28 zu verhindern.

Das Ablaßventil 60 begrenzt die Abströmuing der Flüssigkeit aus der Strömungskupplung auf etwa 22,73 l/min durch eine Bohrung 75. Die Flüssigkeitsab-

M strömung durch das Ablaßventil 60 wird durch die von dem Steuerventil 48 über die Leitung 55 zugeführte Hochdruckflüssigkeit auf einem niedrigen Wert gehalten, indem diese einen Kolben 79 (in F i g. 7) nach links verschiebt, so daß die Auslaßöffnung 76 verschlossen

tf bleibt. Wenn sich der Kolben 79 in dieser Position befindet, strömt die Flüssigkeit über die Bohrung 75 ab. Wenn der in der Leitung 55 herrschende Druck abgebaut ist, sorgt eine Rückstellfeder 77, daß der

Kolben 79 des Ablaßventiles 60 (F ig. 7) nach rechts verschoben wird und die Auslaßölfnung 76 geöffnet wird, l-jii schnelles Abführen der Druckflüssigkeil iius der Strömungskupplung 40 durch eine groß dimensionierte Auslaßleitung 80 aus der Strömungskupplung ermöglicht dies. In l^: i g. 7 steht das Ablaßventil 60 in der !■ntlasiungsstellung. in der der Kolben 79 nach rechts verschoben ist und die Auslaßöffnung 76 freigibt. Die Auslaßleitung 80 sorgt zur Kühlung der Sirömungs-Kupplung für eine dauernde Ableitung von Druckflüssigkeit.

Die Strömungskupplung kann auch als Sichcrheitsvorrichuing verwendet werden, wenn das Freilaufrad tier Freilaufkupplung (X* während des Anwerfens sperren sollte, da die Strömungskupplung dann gefüllt ist und verhindert, daß das System überdreht.

Ferner kann die Strömungskupplung /ur Steuerung tier Beschleunigung des Gasturbinenrotors dienen, da die Drehmomentaufnahme proportional zum Füllungsgrad ist und da das /um Anwerfen dienende Drehmoment verändert werden kann, indem eine entsprechende Steuerung des Füllungsgrades stattfindet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Andrehvorrichtung für eine Gasturbinenanlage, mit einem die Haftreibung des Gasturbinenrotors überwindenden Anwurfmotor, der über eine Nebenwelle, ein stark untersetzendes Getriebe, eine Überholkupplung und eine Zwischenwelle mit dem Gasturbinenrotor antreibend verbindbar ist, und mit einem der weiteren Beschleunigung des Gasturbinenrotors auf die Startdrehzahl dienenden Hauptandrehmotor, der über eine Hauptantriebswelle, eine ausrückbare Kupplung und die Zwischenwelle ebenfalls mit dem Gasturbinenrotor antreibend verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Nebenwelle (24) eine hydraulische Strömungskupplung (40) angeordnet ist, deren erste Kupplungshälfte (44) mit der Nebenwelle (24) fest verbunden ist und deren zweite Kupplungshälfte (42) stationär ist, und daß eine Steuereinrichtung (48) zur Steuerung des Füllungsgrades der Strömungskupplung (40) vorgesehen ist.

Die Erfindung betrifft eine Andrehvorrichtung der im Oberbegriff von Anspruch 1 angegebenen Art.

Bei einer aus der FR-PS 12 64 709 bekannten Andrehvorrichtung ist ein Anwurfmotor zum langsamen Durchdrehen des Gasturbinenrotors am Ende der insgesamt zwei Untersetzungsgetriebe enthaltenden Antriebsverbindung zwischen einem Hauptandrehmotor und dem Gasturbinenrotor angeordnet. Der Anwurfmotor ist ein kräftiger, langsam drehender Elektromotor, der bereits nach /.. B. zwei Umdrehungen auf seine volle Betriebsgeschwindigkeit gelangt. Durch die Rückhaltekräfte in den Untersetzungsgetrieben und den im Kraftübertragungsweg bis zur Turbine vorhandenen, in Drehbewegung zu versetzenden Elementen, und der außerordentlich große Trägheitsmomente aufweisenden Rotoren der Gasturbinenanlage steht dem schnell anlaufenden Anwurfmotor die gesamte Kraftübertragung nahezu blockiert gegenüber. Allenfalls das in den Untersetzungsgetrieben vorhandene, funktionsnotwendige Zahnspiel bildet einen gewissen Elastizitätsfaktor zwischen der Rotorwelle und dem Anwurfmotor. Wenn der Anwurfmotor hochdreht, erreicht er seine Betriebsdrehzahl bereits vor dem Zeitpunkt, an dem das Zahnspiel in den Untersetzungsgetrieben überwunden ist und daher die Rotorwelle noch stillsteht. Er entwickelt dann eine in die Rotorwelle einzuleitende kinetische Energie, die dem Produkt aus der Trägheit des sich schon bewegenden Teils der Kraftübertragungseinrichtung und dem Quadrat seiner Geschwindigkeit entspricht. Diese kinetische Energie übt auf die Rotorwelle schlagartig einen Drehmomentstoß aus, durch den entweder die Zähne in den Untersetzungsgetrieben gefährdet werden oder die Torsionsbelastung in der Rotorwelle ein unzulässiges Maß erreicht. Um dies auszuschalten, wäre es erforderlich, die Kraftübertragung vom Anwurfmotor bis zum Rotor entsprechend überzudimensionieren oder die Rotorwelle selbst überdimensioniert auszubilden. Dadurch stiegen andererseits wieder die Trägheitskräfte, die für den Wert der kinetischen Energie wichtig sind. Wenngleich diese schlagartige Belastung der Untersetzungsgetriebe bzw. die übermäßige Torsion der Rotorwelle nicht unmittelbar zu einem völligen

Zusammenbrechen des Systems führen müssen, so bedeuten sie doch einen erheblich gesteigerten Verschleiß für die Untersetzungsgetriebe und eine starke Schwellbelastung für die Rotorwelle, die zu einer veifrühten Ermüdung des Werkstoffes der Rotorwelle führen kann.

Die US-PS 37 93 905 beschreibt eine Andrehvorrichtung, bei der auch der Anwurfmotor direkt mit der Kraftübertragung zum Gasturbinenrotor kuppelbar ist und entweder die Untersetzungsgetriebe oder die Rotorwelle gerade in der Anlaufphase außerordentlich hoch belastet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Andrehvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die schlagartige Belastung der Untersetzungsgetriebe bzw. der Rotorwelle beim Anlaufen des Anwurfmotors auf ein tragbares Ausmaß verringert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptansprucfies angegebenen Merkmale gelöst.

Die hydraulische Strömungskupplung b.-emst den Anwurfmotor während seiner ersten Umdiv-uuiigcn, indem sie als Verzögerungseinrichtung wirkt. Die Drehgeschwindigkeit des Anwurfmotors kann auf weniger als die Hälfte seiner normalen Betriebsgeschwindijkeil reduziert werden. Der halbe Geschwindigkeiiswert führt quadriert zu einem Wert an kinetischer Energie, der nunmehr ein Viertel von dem beträgt, der an sich durch die Hetriebsgeschwindigkeit des Anwurfmotors erzeugt werden könnte. Dementsprechend wird auch die schlagartige Belastung in den Untersetzungsgetrieben bzw. für die Rotorwelle auf ein Viertel reduziert. Wenn dann die Kraftübertragung zum Rotor hergestellt ist. und der Rotor sich zu drehen beginnt, läßt sich der Bremswiderstand der Strömungskupplung vollständig abbauen, bis die Betriebsgeschwindigkeit des Anwurfmotors voll genutzt wird. Ein übermäßiger Verschleiß im gesamten Kraftübertragungssystem und hohe Torsionsbelastungen der Rotorwelle werden zuverlässig unterbunden. Zweckmäßigerweise regelt ein Ventil mit beweglichem Ventilschieber den Füllungsgrad der Strömungskupplung, wobei ein Ablaßventil zusätzlich zum raschen Entleeren der Strömungskupplung einsetzbar ist. Es wird durch die Wirkung der Strömungskupplung ein übermäßiger Verschleiß im Kraftübertragungsweg zur Rotorwelle und eine frühzeitige Ermüdung des Werkstoffes der Rotorwelle mit Sicherheit unterbunden, da der Anwurfmotor daran gehindert wird, schlagartig seine volle Betriebsgeschwindigkeit aufzunehmen und damit die von ihm erzeugte kinetische Energie in die Kraftübertragung einzuleiten.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Schema einer Andrehvorrichtung für einen Gasturbinenrotor,

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt einer Strömungskupplung, die in F i g. 1 angedeutet wurde;

F i g. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in F i g. 2;

F i g. 4 einen Schnitt entlang der Linie 4-4 in F i g. 3;

F i g. 5 eine Stirnansicht in der Ebene 5-5 in F i g. 2;

F i g. 6 eine Ansicht in der Ebene 6-6 in F i g. 5, und

Fig. 7 einen vergrößerten Schnitt eines Details aus Fig. 5.

Eine Andrehvorrichlung für eine Gasturbinenanlage weist eine Hauptantriebswclle 2 zu einem Hauptandreh-