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Die
Erfindung betrifft eine Lagerstruktur zum Lagern eines Wellenteils
eines Rotorhinterendes einer Gasturbine gemäß Anspruch 1.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Verhinderung oder Einschränkung der
thermischen Verformung eines Rotorhinterendes einer dampfgekühlten Gasturbine.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Die
Temperatur des verbrannten Gases am Einlass einer Gasturbine ist
angestiegen, um den Wirkungsgrad der Gasturbine zu erhöhen, und
in den letzten Jahren wurde eine Gasturbine, in der die Temperatur
1500°C erreicht,
vorgeschlagen. Ein Rotorhinterende gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1 ist in
EP 0 894 942
A beschrieben.
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Eine
so genannte dampfgekühlte
Gasturbine, bei der die relativ niedrige Temperatur des Dampfs als
Kühlmittel
zum Schützen
der Statorschaufeln und Rotorschaufeln der Gasturbine vor dem verbrannten
Gas mit hoher Temperatur anstelle eines herkömmlichen Luftkühlsystems
verwendet wird, wird entwickelt. Um die Rotorschaufeln der Gasturbine
durch Dampf zu kühlen,
ist es erforderlich, Dampfdurchgänge
zum Zuführen
und Rückgewinnen
des Kühldampfs
für die
Rotorschaufeln entlang der Mittelachse des Rotors der Gasturbine
vorzusehen.
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Eine
Rotoranordnung einer Gasturbine mit einer Vielzahl von Rotorscheiben,
die durch Spindelbolzen aneinander befestigt sind, so dass sie sich
zusammen drehen, ist durch ein Zapfenlager drehbar gelagert. Da
die Rotoranordnung der Gasturbine sehr schwer ist, ist der Spalt
zwischen dem Wellenteil der Rotoranordnung und dem Zapfenlager sehr
genau verliehen. In der dampfgekühlten
Gasturbine strömt
jedoch der Dampf durch den mittleren Teil der Rotoranordnung und
daher wird die letztere und insbesondere ihr Wellenteil thermisch
verformt, so dass das Zapfenlager beschädigt werden kann.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Probleme zu beseitigen,
indem eine Wellenstruktur und eine Lagerstruktur für ein Rotorhinterende
einer dampfgekühlten
Gasturbine bereitgestellt werden, wobei wenig oder keine thermische Verformung
des Rotorhinterendes der Gasturbine auftritt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Lagerstruktur zum Lager
eines Wellenteils eines Rotorhinterendes einer Gasturbine mit den
in Anspruch 1 dargelegten Merkmalen bereitgestellt, die umfasst:
eine Rotoranordnung der Gasturbine mit einer Mittelachse; Rotorschaufeln
der Gasturbine; einen Dampfdurchgang, der sich entlang der Mittelachse
zum Zuführen
und Rückgewinnen
von Dampf zum Kühlen
von Rotorschaufeln erstreckt; einen Lagerklotz, der ein Zapfenlager
bildet; und Abdichtungsteile, die auf entgegengesetzten Seiten des Lagerklotzes
in der axialen Richtung vorgesehen sind, um einen Austritt eines
Schmiermittels zum Schmieren eines Raums zwischen dem Lagerklotz und
dem Wellenteil zu verhindern, wobei die Breite des Dichtungsteils
in der axialen Richtung derart ist, dass die Oberflächentemperatur
des Wellenteils des Rotorhinterendes durch das Schmiermittel unter
einer vorbestimmten Temperatur innerhalb der Breite des Lagerklotzes
in der axialen Richtung gehalten wird.
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Da
in der Lagerstruktur des Rotorhinterendes einer Gasturbine gemäß der Erfindung
die Abdichtungsteile, die auf entgegengesetzten Seiten des Lagerklotzes
vorgesehen sind, in der axialen Richtung länger gemacht sind als jene
der herkömmlichen Abdichtungsteile,
kann das zu einem Raum zwischen dem Wellenteil des Rotorhinterendes
und dem Lagerklotz gelieferte Schmiermittel über einen breiteren Oberflächenbereich
des Wellenteils in der axialen Richtung ausgebreitet werden. Folglich
kann ein breiterer Oberflächenbereich
des Wellenteils in der axialen Richtung durch das Schmiermittel
gekühlt
werden, so dass es möglich
ist, die Oberflächentemperatur
des Teils des Wellenteils, der dem Lagerklotz gegenüberliegt,
auf einer Temperatur unter einem vorbestimmten Wert zu halten. Folglich
ist es möglich, die
thermische Verformung und insbesondere die Wärmeausdehnung des Wellenteils
in der radialen Richtung am äußeren Oberflächenteil
des Wellenteils, der dem Lagerklotz gegenüberliegt, innerhalb eine zulässige Grenze
einzuschränken.
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Diese
und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden angesichts der ausführlichen
Beschreibung von beispielhaften Ausführungsbeispielen derselben
besser ersichtlich, wie durch die Zeichnungen dargestellt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
zugehörigen
Zeichnungen, die in die Patentbeschreibung integriert sind und einen
Teil von dieser bilden, stellen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dar und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern der
Prinzipien der Erfindung. In den Zeichnungen geben dieselben Bezugsziffern dieselben
Teile an.
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1 ist
eine axiale Schnittansicht einer Hälfte eines Wellenteils eines
Rotorhinterendes gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel,
das nicht unter die Ansprüche
fällt,
die die vorliegende Erfindung definieren;
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2 ist
eine axiale Schnittansicht einer Hälfte eines Wellenteils eines
Rotorhinterendes gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel,
das nicht unter die Ansprüche
fällt,
die die vorliegende Erfindung definieren;
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3 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in 2 und
senkrecht zur Welle;
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4 ist
eine axiale Schnittansicht einer Hälfte eines Wellenteils eines
Rotorhinterendes gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel,
das nicht unter die Ansprüche
fällt,
die die vorliegende Erfindung definieren;
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5 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie V-V in 4 und senkrecht
zur Achse einer Hülse;
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6 ist
eine axiale Schnittansicht einer Hälfte eines Wellenteils eines
Rotorhinterendes gemäß dem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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7 ist
eine schematische Ansicht der thermischen Verformung eines Wellenteils
eines Rotorhinterendes, die der Nachteil des Stand der Technik ist;
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8 ist
eine schematische Schnittansicht der thermischen Verformung eines
Wellenteils eines Rotorhinterendes, wenn das Ausführungsbeispiel
der Erfindung angewendet wird;
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9 ist
eine axiale Schnittansicht einer Hälfte eines Wellenteils eines
Rotorhinterendes gemäß dem Stand
der Technik.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Vor
dem Weitergehen zu einer ausführlichen Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele wird
ein Stand der Technik mit Bezug auf die zugehörige Beziehung dazu für ein klareres
Verständnis
der Unterschiede zwischen dem Stand der Technik und der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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9 zeigt
ein bekanntes Zuführungs-/Rückgewinnungssystem
des Kühldampfs
für Rotorschaufeln
einer Turbine.
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Die
Struktur des Gasturbinenrotors auf der Turbinenseite ist durch Befestigen
eines Rotorhinterendes und einer Vielzahl von Turbinenscheiben fertig
gestellt.
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Um
den Kühldampf
zu den Schaufeln, die in die Turbinenscheiben eingebettet sind,
zu liefern und von diesen zurückzugewinnen,
ist das Rotorhinterende mit einem mittleren Loch versehen, um ein
koaxiales Dampfrohr festzulegen.
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Das
Rotorhinterende 100 ist mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Scheibenteil 120,
der eine Endscheibe festlegt, und einem im wesentlichen zylindrischen
hohlen Wellenteil 140 versehen. Ein mittleres Scheibenloch 130 und
ein mittleres Rotorhinterendloch 150 erstrecken sich entlang
der Mittelachse. Der Scheibenteil 120 ist mit einer Vielzahl
von Durchgangslöchern
(nicht dargestellt) versehen, die in der Umfangsrichtung in einem
gleichen Abstand voneinander beabstandet sind. Eine Vielzahl von
Rotorschaufelscheiben (nicht dargestellt) der Turbine werden vor
dem Scheibenteil 120 angeordnet und anschließend werden
Turbinenspindelbolzen (nicht dargestellt) in die Durchgangslöcher eingesetzt
und durch Muttern befestigt, um eine Rotoranordnung zu bilden, in
der die Rotorschaufelscheiben (nicht dargestellt) abgestützt und
zusammen gedreht werden.
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Das
mittlere Scheibenloch 130 des Rotors ist mit einem Dampfdurchgangselement 200 versehen, das
an dieses geschweißt
ist, durch welches der Rotorschaufel-Kühldampf zugeführt wird.
Ein Durchgang zur Rückgewinnung
des Dampfs zum Kühlen der
Rotorschaufel ist zwischen der Innenfläche des mittleren Lochs 150 des
Rotorhinterendes, die sich vom hinteren Ende der Endscheibe des
Rotors in den Wellenteil 140 des Rotors erstreckt, und
dem Dampfdurchgangselement festgelegt, so dass der zum Kühlen der
Rotorschaufeln mittels einer geeigneten Kühlvorrichtung (nicht dargestellt)
verwendete Dampf zurückgewonnen
werden kann.
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Die
Verbindung zwischen dem sich drehenden Rotorhinterende 100 und
dem stationären
Teil wird folgendermaßen
hergestellt. Für
das innere Rohr wird das Dampfdurchgangselement 200 mit
einem stationären
inneren Dampfrohr 290 über
eine Dichtungsrippe (Labyrinthdichtung) 230 verbunden. Anschließend werden
ein stationäres
kurzes Dampfrohr 270 und ein äußeres stationäres Dampfrohr 280 mit
dem Ende des Rotorhinterendes 100 über eine Dichtungsrippe (Labyrinthdichtung) 220 verbunden. Die
Dichtungsrippen 220 und 230 werden mit einem Austrittsdampf-Rückgewinnungsinstrument (nicht dargestellt)
verbunden.
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Die
so erhaltene Rotoranordnung ist am Rotorhinterende 100 derselben
durch ein Lager 240 drehbar gelagert. Der Rotorschaufel-Kühldampf
wird durch Erhitzen von unter Druck gesetztem Dampf, dessen Sättigungstemperatur
ungefähr
140°C bis 400°C oder mehr
beträgt,
erzeugt und wird durch den Durchgang geliefert, der durch das mittlere
Loch des Rotors festgelegt ist. Folglich wird der Rotor auf die Sättigungstemperatur
des Kühldampfs
erhitzt. Im Allgemeinen wird jedoch das Hinterende, an dem das Lager
vorgesehen ist, durch das Schmiermittel auf 100°C oder weniger als 100°C gekühlt, so
dass eine thermische Verformung des Hinterendes aufgrund einer Temperaturdifferenz
zwischen dem mittleren Loch und dem Hinterende auftritt.
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Die
bevorzugten Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die
Zeichnungen und die folgenden Ausführungsbeispiele, die nicht
unter den Schutzbereich der Ansprüche fallen, erörtert.
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1 zeigt
eine Schnittansicht einer Hälfte eines
Hinterendes 10 einer Rotoranordnung einer Gasturbine (das
nur als Rotorhinterende bezeichnet wird) gemäß einem Ausführungsbeispiel,
das nicht unter den Schutzbereich der Ansprüche fällt, die die Erfindung definieren.
In der vorliegenden Patentbeschreibung wird die Kompressorseite
der Gasturbine als Vorderseite (linke Seite in 1)
bezeichnet und die Expansionsvorrichtungsseite wird als Rückseite (rechte
Seite in 1) bezeichnet.
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Das
Rotorhinterende 10 umfasst eine Endscheibe 12 in
Form einer im Wesentlichen kreisförmigen Scheibe mit einem mittleren
Scheibenloch 13 und einen im Wesentlichen zylindrischen
hohlen Wellenteil 14. Ein Dampfdurchgangselement 20 zum
Zuführen
von Kühldampf
ist an das mittlere Scheibenloch 13 geschweißt. Überdies
ist die Endscheibe 12 mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern 12b (nicht dargestellt)
versehen, die in gleichem Abstand in der Umfangsrichtung um die
Mittelachse O in der Längsrichtung
der Rotoranordnung beabstandet sind. Turbinenspindelbolzen (nicht
dargestellt) sind in die Durchgangslöcher 12b eingesetzt,
während
die Endscheibe 12 an ihrer vorderen Stirnfläche 12a mit
einer anderen Scheibe (nicht dargestellt) in Kontakt steht und die
Turbinenspindelbolzen durch Mutter (nicht dargestellt) befestigt
sind, so dass eine Rotoranordnung, die sich als Einheit dreht, während sie
die Turbinenrotorschaufeln (nicht dargestellt) abstützt, gebildet
ist.
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Die
wie vorstehend konstruierte Rotoranordnung ist am Rotorhinterende 10 durch
ein Lager 24 drehbar gelagert. Das Lager 24 besteht
aus einem Lagerklotz 24a und Abdichtungsteilen 26,
die auf entgegengesetzten Seiten des Lagerklotzes 24a vorgesehen
sind. Wie auf dem Fachgebiet der Gasturbine gut bekannt ist, bildet
das Lager 24 ein Zapfenlager. Die Abdichtungsteile 26 umfassen
Stützen 26a,
die dazu ausgelegt sind, Dichtungselemente 26c am Lagerklotz 24a zu
montieren.
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Das
Rotorhinterende 10 ist mit einem mittleren Rotorhinterendloch 15 versehen,
das zum mittleren Scheibenloch 13 koaxial ist und dessen
Durchmesser größer ist
als der Durchmesser des mittleren Scheibenlochs 13. Eine
zylindrische Wärmehülse 16 ist
in das mittlere Rotorhinterendloch 15 eingesetzt. Das Vorderende
der Wärmehülse 16 (linkes
Ende in 1) ist an das mittlere Rotorhinterendloch 15 geschweißt und das
Hinterende (rechtes Ende in 1) ist an
das Hinterende des Wellenteils 14 geschweißt. Der
Außendurchmesser
der Wärmehülse 16 ist
kleiner als der Innendurchmesser des mittleren Rotorhinterendlochs 15 und
eine Wärmeisolationsgasschicht 18 wird
dazwischen gebildet. Vorzugsweise ist die Wärmeisolationsgasschicht 18 mit
trockenem Gas oder Inertgas wie z.B. Luft oder Argon gefüllt.
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Die
Wärmehülse 16 ist
an ihrem Hinterende mit einem gebogenen Teil 16a versehen,
der dazu ausgelegt ist, die Wärmebeanspruchung
und insbesondere die Druckbeanspruchung zu absorbieren, wenn eine
Temperaturdifferenz zwischen dem Wellenteil 14 und der
Wärmehülse 16 verursacht
wird, deren Temperatur gemäß dem Betrieb
der Gasturbine erhöht
wird. Bevorzugter wird die Wärmehülse 16 an
den Wellenteil 14 geschweißt, während die Wärmehülse in der axialen Richtung
gespannt wird, so dass eine Vorspannung auf diese aufgebracht wird. Wenn
eine Temperaturdifferenz zwischen der Wärmehülse 16 und dem Wellenteil 14 gemäß dem Betrieb
der Gasturbine verursacht wird, kann folglich die Druckbeanspruchung
verringert werden.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Wärmehülse 16 zwischen
das Dampfdurchgangelement 20 und den Wellenteil 14 eingefügt, so dass
die Wärmeisolationsgasschicht 18 zwischen
der Wärmehülse 16 und
der Innenfläche
des mittleren Rotorhinterendlochs 15 des Wellenteils 14 gebildet
wird. Wenn die Gasturbine arbeitet und der Kühldampf zum Kühlen der
Turbinenrotorschaufeln strömt,
wird folglich die Wärmeüberragung
auf den Wellenteil 14 eingeschränkt, was folglich zu keiner
oder einer geringen thermischen Verformung des Wellenteils 14 führt.
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Wenn
eine Wärmeausdehnungsdifferenz aufgrund
der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmehülse 16 und dem Wellenteil 14 durch
den Dampf, der im Dampfdurchgangselement 20 während des Betriebs
der Turbine strömt,
auftritt, wird überdies,
da die Wärmehülse 16 an
den Wellenteil 14 mit einer Vorspannung geschweißt ist,
die Wärmebeanspruchung,
die in der Wärmehülse 16 verursacht
wird, verringert und folglich kann deren Verformung verhindert werden.
Da die Wärmehülse 16 mit
dem gebogenen Teil 16a an deren Hinterende versehen ist,
kann überdies
die Wärmebeanspruchung,
die durch das Aufbringen der Vorspannung nicht absorbiert werden kann,
durch die Verformung des gebogenen Teils 16a absorbiert
werden. Folglich kann die Verformung des zylindrischen Teils der
Wärmehülse 16 vermieden werden. Überdies
ist die Wärmeisolationsgasschicht 18 gasdicht
und flüssigkeitsdicht
von der Außenseite isoliert,
so dass kein Dampf von außen
eindringen kann. Da die Wärmeisolationsgasschicht 18 mit
einem trockenen Gas gefüllt
ist, tritt überdies
keine Abführung
aufgrund der Kondensation des Dampfs auf, selbst wenn die Temperatur
während
des Stoppens der Gasturbine abfällt.
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2 und 3 zeigen
ein zweites Ausführungsbeispiel,
das nicht unter den Schutzbereich der Ansprüche fällt.
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Das
Rotorhinterende 10 gemäß diesem zweiten
Ausführungsbeispiel
besteht aus einem im Wesentlichen kreisförmigen Scheibenteil 12,
der eine Endscheibe bildet, und einem im Wesentlichen zylindrischen
hohlen Wellenteil 14. Ein mittleres Scheibenloch 13 eines
Rotors und ein mittleres Rotorhinterendloch 15 sind auch
im Rotorhinterende entlang der Längsmittelachse
O gebildet. Das mittlere Rotorhinterendloch 15 ist zum
mittleren Scheibenloch 13 koaxial und weist einen Durchmesser
auf, der größer ist
als der Durchmesser des mittleren Scheibenlochs 13. Wie
die Endscheibe 12 im ersten Ausführungsbeispiel
ist der Scheibenteil 12 mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern (nicht
dargestellt) versehen, die in einem gleichen Abstand in der Umfangsrichtung um die
Mittelachse O beabstandet sind. Turbinenspindelbolzen (nicht dargestellt)
sind in die Durchgangslöcher
eingesetzt, während
der Scheibenteil 12 an seiner vorderen Stirnfläche 12a mit
einer anderen Scheibe (nicht dargestellt) in Kontakt steht und die Turbinenspindelbolzen
durch Muttern (nicht dargestellt) befestigt sind, so dass eine Rotoranordnung, die
die Turbinenrotorschaufeln (nicht dargestellt) abstützt und
sich zusammen mit diesen dreht, gebildet ist. Ein Dampfdurchgangselement 20 ist
im mittleren Rotorscheibenloch 13 vorgesehen, um einen
Durchgang für
den Dampf zum Kühlen
der Turbinenrotorschaufeln zu bilden. Die innere Oberfläche des
mittleren Rotorhinterendlochs 15 des Wellenteils 14 des Rotors
und das Dampfdurchgangselement 20 definieren dazwischen
einen Durchgang zum Rückgewinnen
des Dampfs zum Kühlen
der Turbinenrotorschaufeln. Die wie vorstehend konstruierte Rotoranordnung
ist am Hinterende 10 durch das Lager 24 wie im
ersten Ausführungsbeispiel
drehbar abgestützt.
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Der
Wellenteil 14 ist mit einer Vielzahl von Wellenteil-Kühlluftdurchgängen versehen,
die aus sich radial erstreckenden Kühlluft-Einlassdurchgängen 31a,
sich axial erstreckenden Hauptluftdurchgängen 31b und sich
radial erstreckenden Kühlluft-Auslassdurchgängen 31c bestehen.
Die Wellenteil-Kühlluftdurchgänge sind
in einem gleichen Abstand in der Umfangsrichtung um die Mittelachse
O beabstandet. Die Hauptluftdurchgänge 31b können beispielsweise
durch Bohren des Rotors am Ende desselben, um sich axial erstreckende
Blindlöcher auszubilden,
und danach Schließen
der offenen Enden der Blindlöcher
durch Schweißstellen 31d ausgebildet
werden.
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Eine
Kühlluft-Einführungsvorrichtung 32 ist so
vorgesehen, dass sie den Kühlluft-Einlassdurchgängen 31a zugewandt
ist. Die Kühlluft-Einführungsvorrichtung 32 besteht
aus einem Lufteinführungsdurchgang 32a,
der an einem stationären
Teil der Gasturbine, wie z.B. einem Gehäuse (nicht dargestellt), vorgesehen
ist, und einem Abdichtungsteil 32b, der an der inneren
Umfangsfläche
des Lufteinführungsteils 32a vorgesehen
ist. Der Lufteinführungsteil 32a und
der Abdichtungsteil 32b sind jeweils mit Luftdurchgängen 32c und 32d versehen, die
mit den Kühlluft-Einlassdurchgängen 31a verbunden
sind und die in einem gleichen Abstand in der Umfangsrichtung beabstandet
sind, so dass die von der Kühlluft-Zuführungsquelle
(nicht dargestellt) zugeführte
Kühlluft
in die Kühlluft-Einlassdurchgänge 31a eingeführt werden
kann.
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Ebenso
ist eine Kühlluft-Auslassvorrichtung 33 so
vorgesehen, dass sie den Kühlluft-Auslassdurchgängen 31c zugewandt
ist. Die Kühlluft-Auslassvorrichtung 33 besteht
aus Luftauslassteilen 33a, die am stationären Teil
der Gasturbine, wie z.B. dem Gehäuse,
vorgesehen sind, und einem Abdichtungsteil 33b, der an
der inneren Umfangsfläche
des Luftauslassteils 33a vorgesehen ist. Der Luftauslassteil 33a und
der Abdichtungsteil 33b sind jeweils mit einer Vielzahl
von Luftdurchgängen 33c und 33d versehen,
die mit den Kühlluft-Auslassdurchgängen 31c verbunden
sind und die in einem gleichen Abstand in der Umfangsrichtung beabstandet
sind. Die Luft von der Kühlluft-Einführungsvorrichtung 32 wird
einer Vielzahl von Wellenteil-Kühlluftdurchgängen 31a, 31b und 31c zugeführt, um
das Rotorhinterende 10 zu kühlen, und wird an die Außenseite
der Gasturbine ausgelassen.
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Da
im dargestellten Ausführungsbeispiel
der Wellenteil 14 mit einer Vielzahl von Wellenteil-Kühlluftdurchgängen 31a, 31b und 31c versehen
ist, in denen die Kühlluft
strömt,
wenn der Turbinenrotorschaufel-Kühldampf
im Dampfdurchgangselement 20 gemäß dem Betrieb der Gasturbine
strömt,
wird der Wellenteil 14 an dessen Teil in der Nähe der Oberfläche durch
die Kühlluft
gekühlt,
die in den Wellenteil-Kühlluftdurchgängen 31a, 31b und 31c strömt, und
folglich kann eine thermische Verformung des Wellenteils 14 minimiert
oder eingeschränkt
werden.
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel,
das nicht unter den Schutzbereich der Ansprüche fällt, ist in 4 und 5 gezeigt.
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Im
vorstehend erwähnten
zweiten Ausführungsbeispiel
sind eine Vielzahl von Wellenteil-Kühlluftdurchgängen 31a, 31b und 31c durch
direktes Bohren des Wellenteils 14 ausgebildet. Im dritten Ausführungsbeispiel
sind jedoch die Wellenteil-Kühlluftdurchgänge zwischen
der äußeren Umfangsfläche des
Wellenkörperteils
und der Hülse
durch Anfügen
einer Hülse
an eine äußere Oberfläche des
Wellenkörperteils
des Rotorhinterendes gebildet.
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Mit
Bezug auf 4 und 5 besteht
das Rotorhinterende 10 des dritten Ausführungsbeispiels aus einem im
Wesentlichen kreisförmigen
Scheibenteil 12, der eine Endscheibe definiert, einem im
Wesentlichen zylindrischen hohlen Wellenkörperteil 14 und einer
Hülse 17,
die auf den Wellenkörperteil 14 aufgesetzt
ist. Das mittlere Hinterendloch 15 des Rotors ist so ausgebildet,
dass es sich entlang der Längsmittelachse
O erstreckt. Wie die vorherigen Ausführungsbeispiele ist eine Rotoranordnung
gebildet und ist durch ein Lager 24 ähnlich jenem in den vorherigen
Ausführungsbeispielen
am Rotorhinterende 10 drehbar abgestützt. Der Wellenkörperteil 14 und
die Hülse 17,
die darauf aufgesetzt ist, definieren nämlich den Wellenteil in den
vorherigen Ausführungsbeispielen.
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Die
Hülse 17 besteht
aus einem im Wesentlichen zylindrischen Element mit einer inneren
Umfangsfläche 17a mit
einem Innendurchmesser, der gleich dem Durchmesser des Wellenteils 14 ist,
und einer äußeren Umfangsfläche 17b mit
einem Außendurchmesser,
der gleich dem Wellenteil der Rotoranordnung ist, die durch das
Lager 24 drehbar abgestützt
ist. Die innere Umfangsfläche 17a ist
mit einer Vielzahl von sich axial erstreckenden halbkreisförmigen Nuten 17c versehen.
Die Hülse 17 wird
auf die äußere Umfangsfläche des
Wellenkörperteils 14 aufgesetzt
und anschließend
wird die ringförmige
Endplatte 17d am Ende des Wellenkörperteils 14 mittels Bolzen 17e befestigt.
Die Endplatte 17d ist mit einer Vielzahl von Kühlluft-Auslassdurchgängen 31c versehen,
die mit Hauptluftdurchgängen 17f verbunden werden
können,
die zwischen der äußeren Umfangsfläche des
Wellenkörperteils 14 und den
Nuten 17c der Hülse 17 ausgebildet
sind, wenn sie zusammengefügt
sind, wie in 4 gezeigt. Der Wellenteil 14 ist mit
einer Vielzahl von Kühlluft-Einlassdurchgängen 31a in
der Nähe
des proximalen Endes davon versehen, die mit den Hauptluftdurchgängen 17f verbunden
werden können.
Die Kühlluft-Einlassdurchgänge 31a,
die Hauptluftdurchgänge 17f und
die Kühlluft-Auslassdurchgänge 31c bilden
eine Vielzahl von Wellenteil-Kühlluftdurchgängen. Die
Wellenteil-Kühlluftdurchgänge 31a, 17f und 31c sind
in einem gleichen Abstand in der Umfangsrichtung in Bezug auf die
Mittelachse O beabstandet.
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Wie
beim zweiten Ausführungsbeispiel
ist eine Kühlluft-Einführungsvorrichtung 32 so
vorgesehen, dass sie den Kühlluft-Einlassdurchgängen 31a zugewandt
ist, und eine Kühlluft-Auslassvorrichtung 33 ist
so vorgesehen, dass sie den Kühlluft-Auslassdurchgängen 31c zugewandt
ist. Die Luft von der Kühlluft-Einführungsvorrichtung 32 wird
den Wellenteil-Kühlluftdurchgängen 31a, 17f und 31c zugeführt, um
das Rotorhinterende 10 zu kühlen, und wird zur Außenseite
der Gasturbine ausgelassen.
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Da
in diesem Ausführungsbeispiel
die Wellenteil-Kühlluftdurchgänge 31a, 17f und 31c,
in denen die Kühlluft
geleitet werden kann, zwischen dem Wellenkörperteil 14 und der
Hülse 17 ausgebildet sind,
wird die Hülse 17,
die einen Teil des Wellenteils des Rotorhinterendes bildet, gekühlt, wenn
der Rotorschaufel-Kühldampf
im Dampfdurchgangselement 20 gemäß dem Betrieb der Gasturbine
zugeführt wird.
Folglich wird die thermische Verformung des Wellenteils minimiert
oder eingeschränkt.
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6 bis 8 beschreiben
das Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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In 6 besteht
das Rotorhinterende 10 des Ausführungsbeispiels der Erfindung
aus einem im Wesentlichen kreisförmigen
Scheibenteil 12, der eine Endscheibe definiert, und einem
im Wesentlichen zylindrischen hohlen Wellenteil 14. Das
mittlere Scheibenloch 13 des Rotors und das mittlere Rotorhinterendloch 15 sind
so ausgebildet, dass sie sich entlang der Längsmittelachse O erstrecken.
Das mittlere Rotorhinterendloch 15 ist zum mittleren Scheibenloch 13 koaxial
und weist einen Durchmesser auf, der größer ist als der Durchmesser
des mittleren Scheibenlochs 13. Wie die Endscheibe 12 im
ersten Ausführungsbeispiel
ist der Scheibenteil 12 mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern (nicht
dargestellt) versehen, die in einem gleichen Abstand in der Umfangsrichtung
um die Mittelachse O beabstandet sind. Turbinenspindelbolzen (nicht
dargestellt) sind in die Durchgangslöcher eingesetzt, während der Scheibenteil 12 an
seiner Vorderendfläche 12a mit
einer anderen Scheibe (nicht dargestellt) in Kontakt steht, die
Turbinenspindelbolzen sind durch Muttern (nicht dargestellt) befestigt,
so dass eine Rotoranordnung, die die Turbinenrotorschaufeln (nicht
dargestellt) abstützt
und sich zusammen damit dreht, gebildet ist. Ein Dampfdurchgangselement 20 ist
im mittleren Rotorscheibenloch 13 vorgesehen, um einen Durchgang
für den
Dampf zum Kühlen
der Turbinenrotorschaufeln zu bilden. Die innere Oberfläche des mittleren
Rotorhinterendlochs 15 des Wellenteils 14 des
Rotors und das Dampfdurchgangselement definieren dazwischen einen
Durchgang zum Rückgewinnen
des Dampfs zum Kühlen
der Turbinenrotorschaufeln. Die wie vorstehend konstruierte Rotoranordnung
ist am Hinterende 10 durch das Lager 24 drehbar
abgestützt.
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Das
Lager 24 besteht in diesem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung
aus einem Lagerklotz 24a und Abdichtungsteilen 26,
die an entgegengesetzten Seiten des Lagerklotzes 24a vorgesehen sind.
Die Abdichtungsteile 26 umfassen Dichtungselemente 26c und
Stützen,
um die Dichtungselemente 26c am Lagerklotz 24a anzubringen.
Die Stützen
umfassen radiale Befestigungsteile 26a, die am Lagerklotz 24a angebracht
sind, und Leisten 26b, die mit den radialen Befestigungsteilen 26a verbunden
sind, so dass die Stützen
in einem Querschnitt L-förmig sind.
In diesem Ausführungsbeispiel
sind die Dichtungselemente 26c in der Breite, d.h. in der
Größe in der
axialen Richtung, größer als
jene der Ausführungsbeispiele,
die in 1 bis 5 dargestellt sind. Folglich
sind die Stützen
des Lagers 24 mit den Leisten 26b versehen, die
sich in der axialen Richtung erstrecken, im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsbeispielen,
die in 1 bis 5 gezeigt sind.
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Wie
vorstehend erwähnt,
ist in einem Zapfenlager, das üblicherweise
in einer Gasturbine verwendet wird, der Lagerklotz mit einem Öldurchgang (nicht
dargestellt) versehen, der sich in der radialen Richtung durch diesen
erstreckt, so dass ein Schmiermittel durch den Öldurchgang geliefert wird, um
den Spalt zwischen dem Wellenteil der Rotoranordnung und dem Lager
zu schmieren und den Spalt zwischen dem Wellenteil und dem Lagerklotz
zu kühlen.
Das Dichtungselement verringert den Austritt von Schmiermittel aus
dem Spalt zwischen dem Wellenteil und dem Lagerklotz, so dass die
Schmierung zwischen dem Wellenteil und dem Lagerklotz gefördert werden
kann. In einem herkömmlichen
Zapfenlager ist jedoch die Breite des Abdichtungsteils in der axialen
Richtung unzureichend und daher weist die Verteilung der Temperatur
T der Außenfläche des Wellenteils
in der axialen Richtung eine konstante niedrige Temperatur TL im
mittleren Bereich "a" des Lagerklotzes
auf, der durch das Schmiermittel gekühlt wird, und bildet Asymptoten,
die sich einer konstanten hohen Temperatur TH symmetrisch auf beiden
Seiten des Bereichs "a" in den axialen Richtungen
vom mittleren Bereich "a" weg nähern. Folglich tritt
eine thermische Verformung analog zu der in 7 gezeigten
Temperaturverteilung im Wellenteil auf, so dass der Spalt zwischen
dem Wellenteil und dem Lagerklotz übermäßig schmal gemacht wird oder
der Wellenteil und der Lagerklotz einander stören oder einander berühren.
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Im
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung werden die Dichtungselemente 26c,
die eine größere Breite
in der axialen Richtung aufweisen als die Dichtungselemente des
Standes der Technik, verwendet, um die vorstehend erwähnten Probleme des
Standes der Technik zu lösen.
Die Dichtungselemente 26c müssen nämlich lang genug sein, um die Oberflächentemperatur
des Wellenteils 14 auf der konstanten niedrigen Temperatur TL
in dem Bereich der axialen Länge
L0 des Lagerklotzes 24a zu halten, d.h. im Oberflächenbereich
des Wellenteils 14, der dem Lagerklotz gegenüberliegt.
Mit den Dichtungselementen mit der Breite in der axialen Richtung
zum Kühlen
des Wellenteils 14 über
den breiteren Bereich in der axialen Richtung als der Stand der
Technik ist es möglich
zu verhindern, dass der Spalt zwischen dem Wellenteil 14 und
dem Lagerklotz 24a übermäßig klein
gemacht wird, oder es ist möglich,
die thermische Verformung des Wellenteils 14 zu verringern, wodurch
keine Störung
oder kein Kontakt des Wellenteils mit dem Lagerklotz 24a stattfindet.