DE60132642T2 - Wellen- und Lageranordnung für eine dampfgekühlte Gasturbine - Google Patents

Wellen- und Lageranordnung für eine dampfgekühlte Gasturbine Download PDF

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Katsunori Tanaka
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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Lagerstruktur zum Lagern eines Wellenteils eines Rotorhinterendes einer Gasturbine gemäß Anspruch 1.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Verhinderung oder Einschränkung der thermischen Verformung eines Rotorhinterendes einer dampfgekühlten Gasturbine.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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.
  • 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;
  • 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;
  • 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in 2 und senkrecht zur Welle;
  • 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;
  • 5 ist eine Schnittansicht entlang der Linie V-V in 4 und senkrecht zur Achse einer Hülse;
  • 6 ist eine axiale Schnittansicht einer Hälfte eines Wellenteils eines Rotorhinterendes gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 7 ist eine schematische Ansicht der thermischen Verformung eines Wellenteils eines Rotorhinterendes, die der Nachteil des Stand der Technik ist;
  • 8 ist eine schematische Schnittansicht der thermischen Verformung eines Wellenteils eines Rotorhinterendes, wenn das Ausführungsbeispiel der Erfindung angewendet wird;
  • 9 ist eine axiale Schnittansicht einer Hälfte eines Wellenteils eines Rotorhinterendes gemäß dem Stand der Technik.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • 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.
  • 9 zeigt ein bekanntes Zuführungs-/Rückgewinnungssystem des Kühldampfs für Rotorschaufeln einer Turbine.
  • Die Struktur des Gasturbinenrotors auf der Turbinenseite ist durch Befestigen eines Rotorhinterendes und einer Vielzahl von Turbinenscheiben fertig gestellt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 2 und 3 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel, das nicht unter den Schutzbereich der Ansprüche fällt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ein drittes Ausführungsbeispiel, das nicht unter den Schutzbereich der Ansprüche fällt, ist in 4 und 5 gezeigt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 6 bis 8 beschreiben das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (1)

  1. Rotorhinterende (10) einer Gasturbine mit – einer Lagerstruktur zum Lagern eines Wellenteils (14) des Rotorhinterendes, – einer Rotoranordnung der Gasturbine mit einer Mittelachse (O); – Rotorschaufeln der Gasturbine; – einem Dampfdurchgang (20), der sich entlang der Mittelachse (O) erstreckt, zum Zuführen und Rückgewinnen von Dampf zum Kühlen der Rotorschaufeln; – einem Lagerklotz (24a), der ein Zapfenlager (24) bildet; – und Abdichtungsteilen (26), die auf entgegengesetzten Seiten des Lagerklotzes (24a) in der axialen Richtung vorgesehen sind, um den Austritt eines Schmiermittels zum Schmieren eines Raums zwischen dem Lagerklotz und dem Wellenteil zu verhindern, wobei die Abdichtungsteile (26) Dichtungselemente (26c) und Stützen, um die Dichtungselemente (26c) an dem Lagerklotz (24a) anzubringen, umfassen – dadurch gekennzeichnet, dass – die Stützen radiale Befestigungsteile (26a), die am Lagerklotz (24a) angebracht sind, und Leisten (26b), die mit den radialen Befestigungsteilen (26a) verbunden sind, umfassen und die Stützen in einem Querschnitt L-förmig sind, – die Breite des Abdichtungsteils (26) in der axialen Richtung derart ist, dass die Oberflächentemperatur des Wellenteils (14) des Rotorhinterendes durch das Schmiermittel innerhalb der Breite (L0) des Lagerklotzes (24a) in der axialen Richtung unter einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird.
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