DE69714536T2 - Gasturbinen-Triebwerk mit Dichtung für Lagerkammern - Google Patents
Gasturbinen-Triebwerk mit Dichtung für LagerkammernInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft Lagerkammern in Gasturbinenmaschinen generell und Lagerkammer-Schmiermitteldichtungen im Speziellen.
- Moderne Gasturbinenmaschinen weisen häufig mehrere koaxiale Wellen auf, welche die Turbinenstufen mit Verdichter- und Bläser-Stufen verbinden. Abhängig von der Anwendung können die koaxialen Wellen gleichläufig oder gegenläufig sein und können unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten aufweisen. Der Unterschied in der relativen Drehgeschwindigkeit zwischen gleichläufigen koaxialen Wellen beispielsweise ist fast immer geringer als der von gegenläufigen Wellen, weil letztere Wellen in entgegengesetzte Richtungen rotieren. Gleichläufige und gegenläufige Anwendungen werden folglich generell als Anwendungen mit niedriger Rotationsgeschwindigkeit bzw. hoher Rotationsgeschwindigkeit angesehen. Lager, die z wischen den zwei Wellen angeordnet sind, behalten die Konzentrizität zwischen den Wellen bei und erleichtern die Relativbewegung. Öl oder synthetisches Schmiermittel wird in die Lagerkammern eingebracht, um die Lager zu schmieren und zu kühlen. US 4342489 und US 3915521 beschreiben beide Lager in Gasturbinenmaschinen und beschreiben auch eine Einrichtung zum Halten der Schmierölzufuhr in diesen Lagern.
- Bei der momentanen Konstruktionsübung wird das Öl in der Lagerkammer von einer Kombination aus Dichtungen und Hochdruckluft gehalten, die von einer höherstufigen Verdichterstufe abgezapft wird, und manchmal als "Pufferluft" bezeichnet wird. Kammern, welche den Lagerkammern benachbart sind, werden auf einem höheren Druck als die Lagerkammer gehalten (d. h. Überdruck), und man lässt die Pufferluft in die Lagerkammer abströmen. Das Einströmen von Pufferluft verhindert ein Ausströmen von Öl. Die Pufferluft und Öl, welches möglicherweise von der Luft mitgenommen wird, wird anschließend abgezogen, durch einen Öl/Luftseparator geleitet und in die Lagerkammer rezykliert.
- Kontaktdichtungen und Labyrinthdichtungen werden üblicherweise zum Abdichten von Wellenlagerkammern verwendet. Kontaktdichtungen, die generell verwendet werden, wenn die relativen Weffenoberflächengeschwindigkeiten gering sind (geringer als etwa 130 Meter pro Sekunde (425 Fuß pro Sekunde)), besitzen günstige Dichtungseigenschaften, haben jedoch Grenzen bei der Kontaktgeschwindigkeit. Labyrinthdichtungen andererseits werden generell verwendet, wenn die relativen Wellenoberflächengeschwindigkeiten hoch sind (größer als etwa 130 Meter pro Sekunde (425 f.p.s.)). Ein Nachteil von Labyrinthdichtungen ist, dass sie nicht so gut wie Kontaktdichtungen abdichten. Tatsächlich ist die Menge an Pufferluft, die in die Lagerkammer eingelassen werden muss, wenn Labyrinthdichtungen verwendet werden (verglichen mit Kontaktdichtungen) beträchtlich.
- Einige Nachteile ergeben sich aus der Verwendung von Pufferluft als Dichtungsmittel. Ein Nachteil ist, dass die Luft, die für Dichtungszwecke abgezapft wird, anfangs bei hohem Druck und hoher Temperatur ist. Bevor die Luft als Pufferluft verwendet werden kann, muss sie durch einen Wärmetauscher gekühlt werden. Ein beträchtlicher Abfall beim Druck tritt auf, wenn die Pufferluft durch den Wärmetauscher strömt, was einen nur minimalen Unterschied im Druck über die Lagerkammer-Luftdichtungen übrig lässt. Wenn der Druck in den benachbarten Kammern unter den in der Lagerkammer fällt, kann unerwünschte heiße Luft aus nahe gelegenen Kammern eingezogen werden, oder Öl kann aus der Lagerkammer gezogen werden oder beides.
- Ein anderer Nachteil der Verwendung von Pufferluft zu Abdichtzwecken ist, dass Luft, die vom Verdichter zu Abdichtzwecken abgezogen wird, nicht so effizient verwendet werden kann, wie sie anderswo in der Maschine hätte verwendet werden können. Arbeit, die an der Luft durch den Verdichter verrichtet wurde, erhöht direkt die Arbeit die in der strömungsabwärtigen Turbine erzeugt wird, und entsprechend den Wirkungsgrad der Maschine. Arbeit, die an der Luft verrichtet wird, die zu Dichtungszwecken abgezapft wird, wird im Gegensatz dazu im Wesentlichen während des Dichtungsprozesses verbraucht und erhöht deshalb nicht direkt die in der Turbine geleistete Arbeit.
- Ein weiterer Nachteil des Verwendens von Pufferluft zu Dichtungszwecken ist, dass Wärmetauscher, Öl-Luftseparatoren und deren zugehörige Hardware die Komplexität, das Gewicht und die Kosten der Maschine erhöhen.
- US 4468066 beschreibt eine alternative Einrichtung zum Verhindern von Ölverlust aus einem Lager in einer Gasturbinenmaschine, wobei die Einrichtung aufweist: eine Reihe von umfangsmäßig beabstandeten Ölschaufeln, die in der Luft befindliche Öltröpfchen einfangen, die sonst aus dem Lager entkommen würden.
- Benötigt wird eine Vorrichtung zum Abdichten von Flüssigkeit zwischen Wellen einer Gasturbinenmaschine, die keine Pufferluft verwendet, und eine, die keine Wärmetauscher, Öl/Luftseparatoren und damit verbundene Hardware benötigt.
- Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Abdichten zwischen Wellen bereitzustellen, die keine Pufferluft verwendet.
- Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zum Abdichten zwischen Wellen, die keine Wärmetauscher und/oder Öl/Luftseparatoren erfordert.
- Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zum Abdichten zwischen Wellen, die den Wirkungsgrad der Maschine nicht negativ beeinflusst.
- Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zum Abdichten zwischen Wellen, die die Zuverlässigkeit der Maschine nicht negativ beeinflusst.
- Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zum Abdichten zwischen Wellen, die in Anwendungen mit hohen Relativdrehgeschwindigkeiten verwendet werden kann.
- Gemäß einem ersten breiten Aspekt liefert die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung aufweisend:
- eine innere Welle, die um eine Achse drehbar ist;
- eine äußere Welle, die im Wesentlichen koaxial zu der inneren Welle ist und um die Achse drehbar ist; und
- einen Flansch, der an der äußeren Welle angebracht ist, mit einer Einfangoberfläche, die ein Dichtungsende und ein Abgabeende aufweist, wobei der Flansch zwischen der inneren und der äußeren Welle derart angeordnet ist, dass sich die Einfangoberfläche in engerer Nähe zu der inneren Welle befindet;
- wobei die Einfangoberfläche gegenüber der Achse zwischen dem Dichtungsende und dem Abgabeende schräg gestellt ist;
- wobei Flüssigkeit, die zwischen der inneren Welle und der Einfangoberfläche vorhanden ist, durch die Zentrifugalkraft gegen die Einfangoberfläche gezwungen wird, wenn die Wellen mit einer ausreichenden Geschwindigkeit rotieren, und die Flüssigkeit axial entlang der schräg gestellten Einfangoberfläche in Richtung von dem Dichtungsende zu dem Abgabeende bewegt wird.
- Außerdem wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Dichtung für koaxiale innere und äußere Wellen, die um eine Achse drehbar sind, bereitgestellt, welche einen Flansch mit einer Einfangoberfläche aufweist. Der Flansch ist an der äußeren Welle befestigt und ist zwischen der inneren und der äußeren Welle derart angeordnet, dass sich die Einfangoberfläche in enger Nähe zu der inneren Weile befindet. Die Einfangoberfläche, welche ein Dichtungsende und ein Abgabeende aufweist, ist gegen die Achse zwischen dem Dichtungsende und dem Abgabeende schräg gestellt. Flüssigkeit, welche zwischen der inneren Welle und der Einfangoberfläche vorhanden ist, wird von der Zentrifugalkraft gegen die Einfangoberfläche gezwungen, wenn die Wellen mit ausreichender Drehzahl rotieren. Die Flüssigkeit wird anschließend entlang der schräg gestellten Einfangoberfläche von dem Dichtungsende zu dem Abgabeende in Richtung zu der Lagerkammer axial bewegt.
- Gemäß einem bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein Prallelement vorgesehen, das an der inneren oder der äußeren Welle dem Abgabeende der Einfangoberfläche benachbart vorgesehen ist. Die Endfläche des Prallelements befindet sich in enger Nähe zu der jeweils anderen von innerer oder äußerer Welle.
- Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein Damm vorgesehen, der sich von der Einfangoberfläche nach außen in eine Richtung im Wesentlichen rechtwinklig zur Achse entlang dem Dichtungsende der Einfangoberfläche erstreckt.
- Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine Mehrzahl von Laufschaufeln vorgesehen, welche nach außen von der Einfangoberfläche weg ragen und umfangsmäßig um die Einfangoberfläche verteilt sind.
- Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Flüssigkeit in einer Kammer zwischen Wellen ohne die Verwendung von Pufferluft gehalten werden kann. Die vorliegende Erfindung nutzt die Zentrifugalkraft, um Flüssigkeit, die zwischen der inneren Welle und der Einfangoberfläche vorhanden ist, radial nach außen und an die Einfangoberfläche zu zwingen. Der Winkel der Einfangoberfläche, die von dem Dichtungsende zu dem Abgabeende radial nach außen schräg gestellt ist treibt die Flüssigkeit zurück in die Lagerkammer.
- Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie das Erfordernis für einen Wärmetauscher und/oder einen Öl/Luftseparator eliminiert und deshalb die damit verbundenen Kosten und das damit verbundene Gewicht eliminiert.
- Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie das Erfordernis nach Pufferluft als ein Dichtungsmittel und damit die Ineffizienzen, die mit der Verwendung von Pufferluft als Dichtungsmittel verbunden sind, eliminiert.
- Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie den Wärmetauscher und/oder den Öl/Luftseparator und die Möglichkeit zum negativen Beeinflussen der Zuverlässigkeit der Maschine eliminiert.
- Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie bei Anwendungen mit hoher relativer Rotationsgeschwindigkeit, beispielsweise bei gegenläufigen Wellen, verwendet werden kann. Kohlenstoff und andere Materialien, die in Kontaktdichtungen verwendet werden, haben häufig rotationsmäßige Einschränkungen, in Folge der Entwicklung von thermischer Energie und Spannungen, die damit einhergehen. Die vorliegende Erfindung dichtet zwischen Wellen ohne einen Kontakt und vermeidet damit die unerwünschte thermische Energie und Spannungen, die sich aus dem Kontakt ergeben.
- Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
- Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht einer Gasturbinenmaschine.
- Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht einer Zweiwellen-Lagerkammer, welche die Dichtung der vorliegenden Erfindung aufweisend einen Damm und Laufschaufeln zeigt.
- Fig. 3 ist eine schematische Schnittansicht einer Zweiwellen-Lagerkammer, welche die Dichtung der vorliegenden Erfindung nur mit einer Einfangoberfläche zeigt.
- Fig. 4 ist eine schematische Axialansicht von koaxialen Wellen, welche die umfangsmäßig um die Einfangoberfläche erteilten Laufschaufeln zeigt.
- Es wird auf die Fig. 1 Bezug genommen. Eine Gasturbinenmaschine 10 weist einen Bläserabschnitt 12, einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 16, einen Verbrennungsabschnitt 18, eine Hochdruckturbine 20 und eine Niederdruckturbine 22 auf. Eine Niedriggeschwindigkeits-Welle 24 verbindet den Bläserabschnitt 12, den Niederdruckverdichter 14 und die Niederdruckturbine 22 miteinander. Die Niederdruckturbine 22 treibt den Bläserabschnitt 12 und den Niederdruckverdichter 14. Eine Hochgeschwindigkeitswelle 26 verbindet den Hochdruckverdichter 16 und die Hochdruckturbine 20 miteinander. Die Hochdruckturbine 20 treibt den Hochdruckverdichter 16. Lager 28 (die in Fig. 1 nicht gezeigt sind - siehe Fig. 2 und 3), die zwischen der Hochgeschwindigkeitswelle 26 und der Niedriggeschwindigkeitswelle 24 angeordnet sind, helfen, die Wellen 24, 26 in einer koaxialen Beziehung beizubehalten. Die Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Gasturbine für illustrative Zwecke, mit zylindrischen Wellen. Bei den meisten Anwendungen haben die Wellen komplexe Geometrien, um Konstruktionsparameter, beispielsweise Belastung und Kühlen unterzubringen. Fig. 2 und 3 zeigen einen schematischen Schnitt zwischen der Hochgeschwindigkeitswelle 26 und der Niedriggeschwindigkeitswelle 24 in der Nähe einer Lagerkammer 30.
- Es wird auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen. Ein Fortsatz der Hochgeschwindigkeitswelle 26 ist in einer Tasche 32 der Niedriggeschwindigkeitswelle 24 aufgenommen gezeigt. Ein Lager 28 ist zwischen beiden Wellen 24, 26 angeordnet und in Kontakt mit diesem. Eine erste 34 und eine zweite 36 Öldichtung und eine erste 38 und eine zweite 40 Luftdichtung sind in der Tasche 32 zwischen der Öffnung 42 der Tasche 32 und dem Lager 28 angeordnet, die zusammen die Lagerkammer 30 bilden. Die Öldichtungen 34, 36 sind zwischen den Luftdichtungen 38, 40 und dem Lager 28 positioniert. Die gezeigten Luftdichtungen 38, 40 sind üblicherweise als "Spaltkontrolldichtungen" ("control gap seals") bekannt. Andere Luftdichtungen können alternativ verwendet werden. Ein Öleinlass 44 und ein Ablass 46 sind in der Tasche 32 an der Lagerseite der ersten 34 und zweiten 36 Öldichtung angeordnet. Luftpassagen 48 verbinden den Ringraum 50 zwischen den Öldichtungen 34, 36 und den Luftdichtungen 38,40 mit einer benachbarten Kammer 51.
- Die erste Öldichtung 34, die an der Niedriggeschwindigkeitswelle 24 angebracht ist, und die zweite Öldichtung 36, die an der Hochgeschwindigkeitswelle 26 angebracht ist, weisen jeweils einen Flansch 52 mit einer Einfangoberfläche 54 mit einem Dichtungsende 56 und einem Abgabeende 58 auf. Die Einfangoberfläche 54 ist mit einem Winkel 59 relativ zur Rotationsachse 60 der Wellen 24, 26 derart angeordnet, dass das Dichtungsende 56 der Einfangoberfläche 54 radial näher bei der Achse 60 ist als das Abgabeende 58 der Einfangoberfläche 54. In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist ein Damm 62 dem Dichtungsende 56 benachbart positioniert. Der Damm 62 erstreckt sich radial in Richtung der Spule 24, 26, die der Öldichtung 34, 36 gegenüber liegt. Ein Prallelement 64 ist dem Abgabeende 58 der Einfangoberfläche 54 benachbart positioniert. Das Prallelement 64 erstreckt sich von der Hochgeschwindigkeitswelle 26 oder der Niedriggeschwindigkeitswelle 24 radial nach außen zu einer Position in enger Nähe zu der jeweils anderen von Hochgeschwindigkeitswelle 26 oder Niedriggeschwindigkeitswelle 24. In der in den Fig. 2 und 4 gezeigten Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Laufschaufeln 66 an der Einfangoberfläche 54 angebracht. Die Laufschaufeln 66 erstrecken sich radial von der Einfangoberfläche 54 nach außen zu einer Position in enger Nähe zu der gegenüber liegenden Hochgeschwindigkeitswelle 26 oder Niedriggeschwindigkeitswelle 24. Abhängig von der Anwendung kann es vorteilhaft sein, flache Laufschaufeln zu verwenden, die mit einem Winkel relativ zur Rotationsachse 60 der Wellen 24, 26 angeordnet sind oder gekrümmte Laufschaufeln.
- Beim Betrieb der Gasturbinenmaschine können die Niedriggeschwindigkeitswelle 24 und die Hochgeschwindigkeitswefle 26 gleichläufig mit unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten oder gegenläufig relativ zueinander rotieren. In beiden Fällen erzeugt der Unterschied in der Geschwindigkeit und/oder der Rotationsrichtung eine Turbulenz in dem Öl und der Luft, die in der Lagerkammer 30 und benachbarten Kammern vorhanden sind. Ein Teil des Öls wird von der Luft mitgenommen und strömt ziellos in der Lagerkammer 30 umher. Die Prallelemente 64, die dem Abgabeende 58 der Öldichtung 34, 36 benachbart sind, verhindern, dass eine substanzielle Menge an Öl die Öldichtungen 34, 36 erreicht; ein gewisser Prozentsatz des Öls, der generell von der Luft mitgerissen wird, erreicht jedoch trotzdem die Öldichtung 34, 36. 01, welches mit der Oberfläche der rotierenden Welle 24, 26, die der Einfangoberfläche 54 gegenüber liegt in Kontakt kommt, wird durch die Zentrifugalkraft hinüber zu der Einfangoberfläche 54 geschleudert. Öl, welches mit der rotierten Einfangoberfläche 54 in Kontakt kommt, wird von der Zentrifugalkraft gegen die Oberfläche 54 gezwungen. In der Ausführungsform, bei der die Einfangoberfläche 54 einen Damm 62 aufweist (siehe Fig. 2), schafft die Radialoberfläche 68 des Damms 62 eine Stoppfläche, um die axial gerichtete Strömung zu behindern. Bei der Ausführungsform, welche Laufschaufeln 66 aufweist, die von der Einfangoberfläche 54 nach außen weg ragen, dienen die Laufschaufeln 66 als ein Laufrad, welches die Luftströmung und das Öl in Richtung zu der Lagerkammer 30 weg von der Öldichtung 34, 36 drängt. Die Laufschaufeln 66 beschleunigen auch sämtliche Luft in enger Nähe zu den Laufschaufeln 66 in umfangsmäßiger Richtung. Als Folge wird Öl, welches von der Luft mitgerissen wird, Zentrifugalkräften ausgesetzt und damit von der Luft getrennt.
- Bei allen Ausführungsformen bewirkt die Nähe der Einfangoberfläche 54 zu der gegenüber liegenden Welle 24, 26, der Winkel 59 der Einfangoberfläche 54 relativ zur Rotationsachse 60 der Wellen 24, 26 und die Turbulenz in der Luft, die zwischen der Einfangoberfläche 54 und der gegenüber liegenden Welle 24, 26 angeordnet ist, dass Öl, welches von der Luft mitgerissen wird, an der Einfangoberfläche 54 der radial äußeren Welle 24, 26 endet. Sobald sich das Öl an der Einfangoberfläche 54 befindet bewirkt der Winkel 59 der Einfangoberfläche 54 relativ zu Rotationsachse 60, dass sich das Öl die Einfangoberfläche 54 von dem Dichtungsende 56 zu dem Abgabeende 58 nach unten bewegt. Eine Ablassöffnung 71 kann in der Nähe des Abgabeendes 58 angeordnet sein, falls erforderlich.
- Die Luftdichtungen 38, 40, die zwischen der Öffnung 42 der Tasche 32 und den Öldichtungen 34, 36 angeordnet sind, verhindern, dass heiße Luft in benachbarten Kammern 70 in die Lagerkammer 30 gelangt. Heiße Luft, welche durch die Luftdichtungen 38, 40 tritt, wird aus dem Ringraum 50 zwischen den Luftdichtungen 38, 40 und den Öldichtungen 34, 36 durch Passagen 48 in eine benachbarte Kammer abgelassen, bevor sie in die Lagerkammer 30 gelangen kann.
- Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf die detaillierten Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, werden die Fachleute erkennen, dass zahlreiche Änderungen in deren Form und Gestalt vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen.
Claims (6)
1. Vorrichtung aufweisend:
eine innere Welle (24; 26), die um eine Achse drehbar ist;
eine äußere Welle (24; 26), die im Wesentlichen koaxial zu der inneren
Welle ist und um die Achse drehbar ist; und
einen Flansch (52), der an der äußeren Welle angebracht ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch eine Einfangoberfläche (54)
aufweist, die ein Dichtungsende (56) und ein Abgabeende (58) aufweist;
wobei der Flansch zwischen der inneren und der äußeren Welle derart
angeordnet ist, dass sich die Einfangoberfläche in enger Nähe zu der
inneren Welle befindet;
wobei die Einfangoberfläche gegenüber der Achse zwischen dem
Dichtungsende und dem Abgabeende schräg gestellt ist;
so dass Flüssigkeit, welche zwischen der inneren Welle und der
Einfangoberfläche vorhanden ist, durch Zentrifugalkraft gegen die
Einfangoberfläche gedrängt wird, wenn die Wellen mit einer ausreichenden Drehzahl
rotieren, und die Flüssigkeit axial entlang der schräg gestellten Oberfläche
in Richtung von dem Dichtungsende zu dem Abgabeende bewegt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend:
ein Prallelement (64), das an der inneren oder der äußeren Welle dem
Abgabeende (58) der Einfangoberfläche benachbart angebracht ist, wobei
das Prallelement eine Endfläche in enger Nähe zu der jeweils anderen von
innerer oder äußerer Welle aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Flansch (52) ferner
aufweist:
einen Damm (62), welcher sich von der Einfangoberfläche (54) in Richtung
im Wesentlichen rechtwinklig zur Achse erstreckt und der entlang des
Dichtungsendes (58) der Einfangoberfläche angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend:
eine Mehrzahl von Laufschaufeln (66), die von der Einfangoberfläche (54),
jede gegenüber der Achse schräg gestellt, umfangsmäßig um die
Einfangoberfläche verteilt weg ragen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die innere und die
äußere Welle (24; 26) Turbinenwellen sind, wobei die Vorrichtung eine
Dichtung zwischen den Turbinenwellen liefert.
6. Vorrichtung aufweisend eine innere und eine äußere koaxiale
Turbinenwelle mit einer dazwischen definierten Lagerkammer (30); und aufweisend
eine Vorrichtung (34; 36) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, welche
Dichtungen an entsprechenden Enden des Lagerelements (30) liefert.
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