EP0704603A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Wellendichtung und zur Kühlung auf der Abgasseite einer axialdurchströmten Gasturbine - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Wellendichtung und zur Kühlung auf der Abgasseite einer axialdurchströmten Gasturbine Download PDF

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EP0704603A2
EP0704603A2 EP95810584A EP95810584A EP0704603A2 EP 0704603 A2 EP0704603 A2 EP 0704603A2 EP 95810584 A EP95810584 A EP 95810584A EP 95810584 A EP95810584 A EP 95810584A EP 0704603 A2 EP0704603 A2 EP 0704603A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
air
sealing
cooling air
rotor
exhaust gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP95810584A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Dr. Beeck
Eduard Brühwiler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB AG Germany
Original Assignee
ABB Management AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Management AG filed Critical ABB Management AG
Publication of EP0704603A2 publication Critical patent/EP0704603A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
    • F01D11/04—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type using sealing fluid, e.g. steam
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for shaft sealing and for cooling on the exhaust gas side of a thermal turbomachine, in particular a gas turbine with axial flow, according to the preamble of patent claim 1.
  • thermal turbomachines in particular gas turbines with axial flow, essentially consist of the bladed rotor and the vane carrier equipped with guide vanes, which is suspended in the turbine housing.
  • the gas housing Connected to the turbine housing is the gas housing, which is flanged to the turbine housing in modern machines and essentially consists of a hub-side annular inner part and an annular outer part, which delimit the gas diffuser.
  • the inner part and the outer part are connected to one another by a plurality of radial flow ribs arranged uniformly over the circumference.
  • the outlet-side bearing of the turbine rotor is arranged in the cavity within the inner part, that is to say inside the diffuser construction itself.
  • Shaft seals (labyrinth seals, stuffing box) are provided for the contact-free sealing of the rotor bushings through the exhaust housing and to reduce leakage to a reasonable level.
  • compressor air from a certain stage has so far been taken, led to the exhaust housing via a separate line and fed directly into the stuffing box on the exhaust side as sealing air. Part of the air escapes through the seal into the storage room, the rest flows along the wave washer into the hot gas duct.
  • Extracting the air at a high level has the disadvantage that, at full load, highly compressed air is "consumed” without output, which has an unfavorable effect on the efficiency of the gas turbine. If, on the other hand, you switch between different stages, more tapping points on the compressor and switching valves are necessary, so that the costs increase.
  • the rotor cooling air is also extracted from a certain compressor stage in addition to the sealing air and fed into the rotor via a special pipe.
  • the pipeline / rotor transition is made with labyrinth seals sealed.
  • the labyrinth leakage air gets into the vicinity of the warehouse and causes the storage room to heat up. This is undesirable because the storage temperature is limited due to the instruments available, the storage oil and the possibility of inspection.
  • the storage room In addition to the leakage of sealing air and rotor cooling air, the storage room is also warmed up by the heat flow from the exhaust gas flow through the insulation or the support structure. In most machines, the storage room is cooled by natural convection. Also known is the cooling of the storage space by cooling air, which enters through openings in the exhaust gas diffuser and exits through the gap between the cladding and the rib of the exhaust gas housing. With this solution, the supporting structure of the exhaust gas housing does not have a uniform temperature on the circumference, which disadvantageously leads to thermal stresses occurring and / or the bearing no longer being in the center.
  • the invention tries to avoid all of these disadvantages. It is based on the task of developing a sealing and cooling air system on the exhaust side in a thermal turbomachine, in particular an axially flow-through gas turbine, which prevents the entry of the exhaust gas into the storage space with low manufacturing and / or operating costs, which minimizes air leakage in the Allows storage space and with which the storage space temperature can be kept relatively low and in which the supporting structure of the exhaust gas housing has a uniform temperature on the circumference.
  • this is done in a device for performing the above.
  • the method is achieved in that the labyrinth seals are divided at the transition from the rotor cooling air line to the exhaust-side end of the cooled rotor and an intermediate tap with a pipe to the stuffing box for the sealing air is arranged at the dividing point, so that another pipe terminating at the stuffing box for acting as cooling air Ambient air is arranged in the storage room, the stuffing box being divided into two concentric annular spaces for the sealing air and for the cooling air, and the storage space is fed with cooling air from the cooling air ring space and that the storage space is divided in the upper part by means of a hood and in the lower part by means of an oil drip plate is.
  • the amount of sealing air and the sealing air pressure are set to an optimal level by changing the number of labyrinths and the respective gap sizes of the labyrinths, because this allows the leakage air entering the storage room to be kept at a low level and thus prevents undesired storage room heating.
  • cooling channels are arranged between the supporting structure and the insulation in the inner part of the exhaust gas housing along the flow ribs, preferably on both sides at the foot of the flow ribs, which cooling channels have holes on their turbine-side inlet part with the cooling air ring duct of the stuffing box and on their outlet part are connected to the storage room and the cooling air flows through them from the cooling air ring duct.
  • Fig. 1 shows an overview of a partial longitudinal section of a single-shaft axial gas turbine, through which the exhaust side and the last stage of the turbine are shown.
  • the storage area in the exhaust tract is shown in partial longitudinal sections in FIG. 2 and the area of the labyrinth in FIG. 3 is enlarged.
  • the gas turbine with axial flow essentially consists of the rotor 2 equipped with rotor blades 1 and the blade carrier 4 equipped with guide vanes 3, which is suspended in the turbine housing 5.
  • the exhaust gas housing 6 is flanged to the turbine housing 5, in which a plurality of flow ribs 12 are uniformly distributed over the circumference. It can be seen from FIG. 2 that the flow ribs 12 envelop the support ribs 20, which are surrounded by insulation 11.
  • the exhaust gas diffuser 9 is flanged to the exhaust gas housing 6.
  • the outlet-side mounting of the rotor 2 (bearing housing 14, bearing 15) is arranged within the exhaust housing construction. Between the bearing housing 14 and the annular inner part 7 of the exhaust gas housing 6 extends the storage space 16, which is sealed on the turbine side via the stuffing box 18 against the exhaust gas channel 32 and via labyrinth seals 17 against the rotor cooling air.
  • rotor cooling air R is taken from the compressor, not shown here, and through a pipe 19 which, coming from the compressor, leads through one of the passages 8 located at the end of the exhaust tract and extends in the region of the extended machine axis to the exhaust-side shaft end exhaust shaft end introduced into the rotor 2.
  • a leakage L of this air which, according to the prior art, emerges as a whole into the storage space 16 and reaches the surroundings of the bearing 15. This point is usually sealed with labyrinth seals 17.
  • the labyrinth 17 is now subdivided into a labyrinth 17.1 with n1 sealing strips and a gap width s1 and into a labyrinth 17.2 with n2 sealing strips and a gap width s2.
  • a pipe 22 for the sealing air S is arranged in the two labyrinths 17.1 and 17.2, which leads past the bearing housing 14 to the stuffing box 18.
  • Part of the rotor cooling air leakage L is therefore used as sealing air S. So that the sealing air S just has the required pressure, it is removed after part of the seals. This removal reduces the amount of leakage air over the remaining labyrinths, so that only a minimum of air loss and thus a minimum of efficiency loss occurs and the storage room environment is warmed up only slightly.
  • the invention is not limited to the arrangement of a single sealing air line 22.
  • two or more such pipes can be arranged at any possible locations around the bearing housing.
  • FIG. 4 shows an example of the dependence of the mass flow ratios (mass flow m1 of the total rotor cooling air leakage L1 / mass flow m2 of the leakage air L2 actually flowing into the storage space 16) in a divided labyrinth on the ratio of the number of sealing strips (n2 / n1) or on the size ratio the column (s1 / s2).
  • the mass flow ratio m1 / m2 increases with an increase in n2 / n1 and s1 / s2.
  • the amount of sealing air S (m1-m2) and its pressure can therefore be changed by changing the number of sealing strips of the labyrinth seals and by changing the gap sizes.
  • a significant additional advantage of the solution according to the invention is that no separate sealing air supply from the compressor is necessary and that there is also no need for a separate extraction point for the sealing air S in the compressor.
  • the storage space 16 does not heat up too much due to the leakage air and the heat flow from the exhaust gas flow A through the insulation 11 and the support structure 10, which comprises the hub 31 and the support ribs 20, it is cooled (see FIG. 2).
  • the heat entering the storage space 16 is transported outside through the passages 8 in the exhaust gas diffuser 9 by ambient air, which is introduced by a fan 23 through a pipe 24 reaching to the stuffing box 18.
  • the stuffing box 18 is divided into two concentric annular spaces 25, 26, the annular space 25 serving for the sealing air S and the annular space 26 for the storage space cooling air K.
  • the air is distributed evenly over the circumference by the stuffing box 18.
  • the storage space 16 is divided into two parts in the upper part by means of a hood 27 arranged between the bearing housing 14 and the support structure 10, essentially parallel to the support structure 10, and in the lower part by means of an oil drip plate 28, with holes drilled in the stuffing box 18 in the cooling air ring space 26 29 the necessary amount of cooling air in the two parts of the storage room 16 is determined.
  • the support structure 10 can thus be cooled in a targeted and uniform manner on the circumference.
  • the surroundings of the bearing housing 14 and the instruments arranged inside the hood 27 are cooled separately.
  • the hood 27 has the task of preventing heat radiation on instruments and bearing housing 14.
  • cold air is brought selectively into the vicinity of the oil wipers 13 in the upper and lower part from the cooling air ring space 26. This ensures that only cold air penetrates into the bearing body 15, in which a small negative pressure should always prevail.
  • cooling channels 30 are also arranged in the support structure 10 here. These cooling channels 30 are located at the foot of the supporting ribs 20 and are fed with air from the cooling air ring space 26 via bores 29. The cooling channels 30 are each preferably arranged on both sides at the foot of the support ribs 20 and serve to dissipate the heat coming from the exhaust gas stream before it enters the hub 31 or the interior.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Wellendichtung und zur Kühlung auf der Abgasseite einer thermischen Turbomaschine, insbesondere einer axialdurchströmten Gasturbine, bei der die austrittsseitige Lagerung des Turbinenrotors (2) innerhalb der Abgasgehäusekonstruktion erfolgt und zur Abdichtung Labyrinthdichtungen (17) und Stopfbüchse (18) verwendet werden, wobei zur Wellendichtung Sperrluft (S) mit einem höheren Druck als der Druck des Abgases (A) im Abgaskanal (32) in die Stopfbüchse (18) und anschliessend in den Abgaskanal (32) geleitet wird, und wobei die Rotorkühlluft (R) einer Verdichterstufe entnommen und über eine Rohrleitung (19) durch das abgasseitige Wellenende in den Rotor (2) eingespeist wird, wird ein Teil der Rotorkühlluftleckage nach einem Teil der Labyrinthdichtungen abgezweigt und als Sperrluft (S) verwendet. Ausserdem wird in den Lagerraum (16) Umgebungsluft als Kühlluft (K) eingebracht, über die Stopfbüchse (18), getrennt von der Sperrluft (S), gleichmässig am Umfang verteilt, teilweise durch Kühlkanäle (30) zur gezielten Tragstrukturkühlung verwendet und durch Durchgänge (8) im Abgasdiffusor (9) nach aussen transportiert. <IMAGE>

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wellendichtung und zur Kühlung auf der Abgasseite einer thermischen Turbomaschine, insbesondere axialdurchströmten Gasturbine gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1.
    • Stand der Technik
  • Thermische Turbomaschinen, insbesondere axialdurchströmte Gasturbinen, bestehen bekanntermassen im wesentlichen aus dem beschaufelten Rotor und dem mit Leitschaufeln bestückten Schaufelträger, der im Turbinengehäuse eingehängt ist. An das Turbinengehäuse schliesst sich das Angasgehäuse an, das bei modernen Maschinen am Turbinengehäuse angeflanscht ist und im wesentlichen aus einem nabenseitigen ringförmigen Innenteil und einem ringförmigen Aussenteil, welche den Angasdiffusor begrenzen, besteht. Das Innenteil und das Aussenteil sind durch mehrere, gleichmässig über den Umfang angeordnete radiale Strömungsrippen miteinander verbunden. Im Hohlraum innerhalb des Innenteils, also innerhalb der Diffusorkonstruktion selbst, ist die austrittsseitige Lagerung des Turbinenläufers angeordnet.
  • Zwecks berührungsfreier Abdichtung der Durchführungen des Rotors durch das Abgasgehäuse und Reduktion der Leckage auf ein sinnvolles Mass sind Wellendichtungen (Labyrinthdichtungen, Stopfbüchse) vorhanden.
  • Um zu verhindern, dass heisse Abgase in den Lagerraum eindringen können, wird bisher Kompressorluft einer bestimmten Stufe entnommen, über eine separate Leitung zum Abgasgehäuse geführt und als Sperrluft direkt in die Stopfbüchse auf der Abgasseite eingespeist. Ein Teil der Luft entweicht durch die Dichtung in den Lagerraum, der Rest strömt an der Wellenscheibe entlang in den Heissgaskanal.
  • Wird bei einer Gasturbine ein Verdichter mit einer oder mehreren variablen Leitschaufeln verwendet und sind diese Leitschaufeln im Teillastbereich um einen bestimmten Betrag geschlossen, so bewirkt dies einen tieferen Druck bei der Entnahmestelle der Sperrluft gegenüber dem Druck bei Vollastbetrieb. Damit in jedem Betriebszustand genügend Sperrluftdruck vorhanden ist, muss deshalb entweder bei einer hohen Stufe Luft entnommen werden, bei der immer genügend Druck herrscht, oder es muss zwischen verschieden Stufen umgeschaltet werden.
  • Die Entnahme der Luft bei einer hohen Stufe hat den Nachteil, dass bei Vollast hoch verdichtete Luft ohne Leistungsabgabe "verbraucht" wird, was sich ungünstig auf den Wirkungsgrad der Gasturbine auswirkt. Wird dagegen zwischen verschiedenen Stufen umgeschaltet, so sind mehr Entnahmestellen am Verdichter und Umschaltventile notwendig, so dass die Kosten steigen.
  • Falls Kühlluft durch das abgasseitige Wellenende in den Rotor eingebracht werden muss, wird neben der Sperrluft auch die Rotorkühlluft einer bestimmten Kompressorstufe entnommen und über eine spezielle Rohrleitung in den Rotor eingespeist. Der Übergang Rohrleitung/Rotor wird dabei mit Labyrinthdichtungen abgedichtet. Die Labyrinth-Leckageluft gelangt in die Umgebung des Lagers und führt zu einer Aufheizung des Lagerraumes. Das ist unerwünscht, weil die Lagertemperatur wegen der vorhandenen Instrumente, dem Lageröl und der Möglichkeit einer Begehung begrenzt ist.
  • Neben der Leckage von Sperrluft und Rotorkühlluft wird der Lagerraum auch noch durch den Wärmefluss aus dem Abgasstrom durch die Isolation bzw. die Tragstruktur aufgewärmt. Die Kühlung des Lagerraumes erfolgt bei den meisten Maschinen durch natürliche Konvektion. Bekannt ist auch die Kühlung des Lagerraumes durch Kühlluft, welche durch Öffnungen im Abgasdiffusor eintritt und durch den Spalt zwischen Verkleidung und Rippe des Abgasgehäuses austritt. Die Tragstruktur des Abgasgehäuses weist bei dieser Lösung keine gleichmässige Temperatur am Umfang auf, was nachteilig dazu führt, dass Wärmespannungen auftreten und/oder das Lager nicht mehr mittig ist.
    • Darstellung der Erfindung
  • Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer thermischen Turbomaschine, insbesondere einer axialdurchströmten Gasturbine ein Sperr- und Kühlluftsystem auf der Abgasseite zu entwikkeln, welches mit geringen Fabrikations- und/oder Betriebskosten den Eintritt des Abgases in den Lagerraum verhindert, welches möglichst wenig Luftleckage in den Lagerraum zulässt und mit dem relativ einfach die Lagerraumtemperatur genügend tief gehalten werden kann und bei dem die Tragstruktur des Abgasgehäuses am Umfang eine gleichmässige Temperatur aufweist.
  • Erfindungsgemäss wird dies bei einem Verfahren zur Wellendichtung zwischen rotierender Welle und Abgasgehäuse sowie zur Kühlung des Rotors und des Lagerraumes auf der Abgasseite einer thermischen Turbomaschine, insbesondere einer axialdurchströmten Gasturbine, bei der die austrittsseitige Lagerung der Turbinenwelle innerhalb der Abgasgehäusekonstruktion erfolgt und zur Abdichtung Labyrinthdichtungen und Stopfbüchse verwendet werden, wobei zur Wellendichtung Sperrluft mit einem höheren Druck als der Druck des Abgases im Abgaskanal in die Stopfbüchse und anschliessend in den Abgaskanal geleitet wird, und bei der die Rotorkühlluft einer Verdichterstufe entnommen und über eine Rohrleitung durch das abgasseitige Wellenende in den Rotor eingespeist wird, dadurch erreicht, dass ein Teil der Rotorkühlluftleckage nach einem Teil der Labyrinthdichtungen abgezweigt und als Sperrluft verwendet wird und dass in den Lagerraum Umgebungsluft als Kühlluft eingebracht wird, welche über die Stopfbüchse gleichmässig am Umfang verteilt und durch Durchgänge im Abgasdiffusor nach aussen transportiert wird.
  • Erfindungsgemäss wird dies bei einer Vorrichtung zur Durchführung des o.g. Verfahrens dadurch erreicht, dass die Labyrinthdichtungen beim Übergang von der Rotorkühlluftleitung zum abgasseitigen Ende des gekühlten Rotors geteilt sind und an der Teilungsstelle eine Zwischenabzapfung mit einer zur Stopfbüchse gehenden Rohrleitung für die Sperrluft angeordnet ist, dass eine weitere an der Stopfbüchse endende Rohrleitung für als Kühlluft wirkende Umgebungsluft im Lagerraum angeordnet ist, wobei die Stopfbüchse in zwei konzentrische Ringräume für die Sperrluft und für die Kühlluft geteilt ist und der Lagerraum über Bohrungen aus dem Kühlluftringraum mit Kühlluft gespeist wird und dass der Lagerraum im Oberteil mittels einer Haube und im Unterteil mittels eines Öltropfbleches unterteilt ist.
  • Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass eine separate Entnahmestelle im Verdichter für die Sperrluft und demzufolge auch eine separate Sperrluftzuführung nicht mehr nötig sind, dass die Leckageluftmengen in den Lagerraum minimal sind und dass eine gleichmässige Kühlung am Umfang für die Tragstruktur, das Lager und den Ölabstreifer erreicht wird, so dass der Wirkungsgrad der Anlage erhöht wird.
  • Es ist besonders zweckmässig, wenn die Sperrluftmenge und der Sperrluftdruck durch Veränderung der Labyrinthenanzahl und der jeweiligen Spaltgrössen der Labyrinthe auf ein optimales Mass eingestellt werden, weil dadurch die in den Lagerraum eintretende Leckageluft auf einem geringen Niveau gehalten werden kann und somit keine unerwünschte Lagerraumaufheizung stattfindet.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn zwischen der Tragstruktur und der Isolation im Innenteil des Abgasgehäuses entlang der Strömungsrippen, vorzugsweise beidseitig am Fusse der Strömungsrippen, axial verlaufende Kühlkanäle angeordnet sind, welche über Bohrungen an ihrem turbinenseitigen Eintrittsteil mit dem Kühlluftringkanal der Stopfbüchse und an ihrem Austrittsteil mit dem Lagerraum verbunden sind und von der Kühlluft aus dem Kühlluftringkanal durchströmt werden. Durch den gezielten Einsatz der Kühlluft in den Kanälen wird Luft gespart und es werden grosse Wärmeübergangszahlen erreicht. Es sind keine Strömungshindernisse vorhanden, deshalb wird am Umfang der inneren Gehäusestruktur eine konstante Temperatur erreicht.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer einwelligen axialdurchströmten Gasturbine dargestellt.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Längsschnitt des Abgastraktes der Gasturbine (Übersicht);
    Fig. 2
    einen Teillängsschnitt des Lagerbereiches im Abgastrakt der Gasturbine;
    Fig. 3
    einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 2 im Bereich des Labyrinths/Rotorkühlluft zu Rotor;
    Fig. 4
    die Abhängigkeit der Massenstromverhältnisse bei geteiltem Labyrinth mit Zwischenabzapfung vom Verhältnis der Dichtstreifenanzahl und vom Verhältnis der Labyrinthspaltengrösse;
    Fig. 5
    einen Teillängsschnitt des Lagerbereiches;
    Fig. 6
    einen Teilquerschnitt von Fig. 5 im Bereich der Strömungsrippen.
  • Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise die Eintrittspartien der Gasturbine sowie der gesamte Verdichterteil. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
    • Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1 bis 6 näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt als Übersicht einen Teillängsschnitt einer einwelligen axialdurchströmten Gasturbine, von der die Abgasseite und die letzte Stufe der Turbine dargestellt sind.
  • Wegen besserer Erkennung der Details sind in Teillängsschnitten in Fig. 2 der Lagerbereich im Abgastrakt und in Fig. 3 der Bereich des Labyrinths vergrössert dargestellt.
  • Gemäss Fig. 1 besteht die axialdurchströmte Gasturbine im wesentlichen aus dem mit Laufschaufeln 1 bestückten Rotor 2 und den mit Leitschaufeln 3 bestückten Schaufelträger 4, welcher im Turbinengehäuse 5 eingehängt ist. An das Turbinengehäuse 5 ist das Abgasgehäuse 6 angeflanscht, in dem mehrere gleichmässig über den Umfang verteilte Strömungsrippen 12 angeordnet sind. Aus Fig. 2 ist zu entnehmen, dass die Strömungsrippen 12 die Tragrippen 20 umhüllen, welche mit einer Isolation 11 umgeben sind. An das Abgasgehäuse 6 ist der Abgasdiffusor 9 angeflanscht.
  • Die austrittsseitige Lagerung des Rotors 2 (Lagergehäuse 14, Lager 15) ist innerhalb der Abgasgehäusekonstruktion angeordnet. Zwischen dem Lagergehäuse 14 und dem ringförmigen Innenteil 7 des Abgasgehäuses 6 erstreckt sich der Lagerraum 16, welcher turbinenseitig über die Stopfbüchse 18 gegen den Abgaskanal 32 und über Labyrinthdichtungen 17 gegen die Rotorkühlluft abgedichtet ist.
  • Zur Kühlung des Rotors 2 wird dem hier nicht dargestellten Verdichter Rotorkühlluft R entnommen und über eine Rohrleitung 19, welche vom Verdichter kommend durch eine der sich am Ende des Abgastraktes befindende Durchgänge 8 führt und im Bereich der verlängerten Maschinenachse bis zum abgasseitigen Wellenende reicht, durch das abgasseitige Wellenende in den Rotor 2 eingebracht. Im Spalt 21 zwischen der Rohrleitung 19 und dem sich drehenden Rotor 2 entsteht eine Leckage L dieser Luft, welche nach dem bisherigen Stand der Technik insgesamt in den Lagerraum 16 austritt und in die Umgebung des Lagers 15 gelangt. Diese Stelle ist üblicherweise mit Labyrinthdichtungen 17 abgedichtet.
  • In Fig. 3 ist dargestellt, dass erfindungsgemäss das Labyrinth 17 nunmehr unterteilt ist in ein Labyrinth 17.1 mit n1 Dichtstreifen und einer Spaltbreite s1 und in ein Labyrinth 17.2 mit n2 Dichtstreifen und einer Spaltbreite s2. Zwischen den beiden Labyrinthen 17.1 und 17.2 ist eine Rohrleitung 22 für die Sperrluft S angeordnet, welche am Lagergehäuse 14 vorbei zur Stopfbüchse 18 führt. Es wird also ein Teil der Rotorkühlluftleckage L als Sperrluft S verwendet. Damit die Sperrluft S gerade noch den benötigten Druck aufweist, wird diese nach einem Teil der Dichtungen entnommen. Durch diese Entnahme wird die Leckageluftmenge über die restlichen Labyrinthe verringert, so dass nur ein Minimum an Luftverlust und somit ein Minimum an Wirkungsgradverlust auftritt und die Lagerraumumgebung nur geringfügig aufgewärmt wird.
  • Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Anordnung einer einzigen Sperrluftleitung 22 beschränkt. Vorteilhafterweise können zwei oder auch mehrere derartige Rohrleitungen an beliebigen möglichen Stellen um das Lagergehäuse herum angeordnet sein.
  • Fig. 4 zeigt an einem Beispiel die Abhängigkeit der Massenstromverhältnisse (Massenstrom m1 der gesamten Rotorkühlluftleckage L1/Massenstrom m2 der tatsächlich in den Lagerraum 16 einströmenden Leckageluft L2) bei einem geteilten Labyrinth vom Verhältnis der Anzahl der Dichtstreifen (n2/n1) bzw. vom Grössenverhältnis der Spalte (s1/s2). Das Massenstromverhältnis m1/m2 steigt mit Zunahme von n2/n1 und s1/s2 an. Die Menge der Sperrluft S (m1-m2) und ihr Druck können also durch Veränderung der Anzahl der Dichtstreifen der Labyrinthdichtungen und durch Veränderung der Spaltgrössen verändert werden.
  • Ein wesentlicher zusätzlicher Vorteil der erfindungsgemässen Lösung besteht darin, dass keine separate Sperrluftzuführung vom Verdichter notwendig ist und dass auch keine separate Entnahmestelle für die Sperrluft S im Verdichter vorhanden sein muss.
  • Damit sich der Lagerraum 16 nicht zu sehr durch die Leckageluft und durch den Wärmefluss aus dem Abgasstrom A durch die Isolation 11 und die Tragstruktur 10, welche die Nabe 31 und die Tragrippen 20 umfasst, erwärmt, wird er gekühlt (siehe Fig. 2). Die in den Lagerraum 16 eintretende Wärme wird dabei durch Umgebungsluft, welche von einem Ventilator 23 durch ein bis zur Stopfbüchse 18 reichendes Rohr 24 eingebracht wird, durch die Durchgänge 8 im Abgasdiffusor 9 nach aussen transportiert.
  • Die Stopfbüchse 18 ist in zwei konzentrische Ringräume 25, 26 unterteilt, wobei der Ringraum 25 für die Sperrluft S und der Ringraum 26 für die Lagerraum-Kühlluft K dienen. Die Luft wird durch die Stopfbüchse 18 gleichmässig am Umfang verteilt.
  • Der Lagerraum 16 wird im Oberteil mit Hilfe einer zwischen Lagergehäuse 14 und Tragstruktur 10, im wesentlichen parallel zur Tragstruktur 10 angeordneten Haube 27 und im Unterteil mit Hilfe eines Öltropfbleches 28 in zwei Räume unterteilt, wobei über gezielt in der Stopfbüchse 18 im Kühlluftringraum 26 angebrachte Bohrungen 29 die notwendige Kühlluftmenge in den beiden Teilen des Lagerraumes 16 bestimmt wird. Damit kann die Tragstruktur 10 gezielt und gleichmässig am Umfang gekühlt werden. Gleichzeitig werden die Umgebung des Lagergehäuses 14 und die innerhalb der Haube 27 angeordneten Instrumente separat gekühlt. Desweiteren hat die Haube 27 die Aufgabe, die Wärmestrahlung auf Instrumente und Lagergehäuse 14 zu verhindern.
  • Ebenso wird im Ober- und Unterteil aus dem Kühlluftringraum 26 gezielt kalte Luft in die Nähe der Ölabstreifer 13 gebracht. Damit wird sichergestellt, dass nur kalte Luft in den Lagerkörper 15, in dem stets ein kleiner Unterdruck vorherrschen soll, eindringt.
  • Die Vorteile dieses kombinierten Sperr- und Kühlsystems bestehen darin, dass eine gesicherte Wärmeabfuhr gewährleistet ist, dass es zu einer gleichmässigen Kühlung am Umfang für Tragstruktur, Lagerkörper und Ölabstreifer kommt, dass durch die Wahl von Grösse und Anzahl der Öffnungen im Kühlluftringraum die Kühlluftströme gezielt eingestellt werden können und dass durch Einsatz der kombinierten Stopfbüchse Kosteneinsparungen möglich sind.
  • Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. In Fig. 5 und Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung dargestellt. Zusätzlich zum oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind hier noch Kühlkanäle 30 in der Tragstruktur 10 angeordnet. Diese Kühlkanäle 30 befinden sich am Fusse der Tragrippen 20 und werden über Bohrungen 29 mit Luft aus dem Kühlluftringraum 26 gespeist. Die Kühlkanäle 30 sind jeweils vorzugsweise beidseitig am Fusse der Tragrippen 20 angeordnet und dienen dazu, die aus dem Abgasstrom kommende Wärme vor dem Eintritt in die Nabe 31 bzw. den Innenraum abzuführen.
  • Mit dieser Massnahme wird eine exakte Wärmeübergangszahl am Fusse der Strebe erreicht, was eine genaue Wärmeabfuhr bzw. gleichmässige Temperatur bei allen Strömungsrippen 12 garantiert. Weitere Vorteile sind darin zu sehen, dass durch den gezielten Einsatz der Kühlluft in den Kühlkanälen Luft eingespart wird und grosse Wärmeübergangszahlen erreicht werden. Ausserdem wird am Umfang der inneren Gehäusestruktur eine gleiche Temperatur erzielt, da die Luft in Kanälen fliesst und dadurch keine Strömungshindernisse vorhanden sind.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Laufschaufel
    2
    Rotor
    3
    Leitschaufel
    4
    Schaufelträger
    5
    Turbinengehäuse
    6
    Abgasgehäuse
    7
    Innenteil
    8
    Durchgang
    9
    Abgasdiffusor
    10
    Tragstruktur (Tragrippe und Nabe)
    11
    Isolation
    12
    Strömungsrippe
    13
    Ölabstreifer
    14
    Lagergehäuse
    15
    Lager
    16
    Lagerraum
    17
    Labyrinthdichtung
    18
    Stopfbüchse
    19
    Rohrleitung für Rotorkühlluft
    20
    Tragrippe
    21
    Spalt zwischen Rohrleitung und Rotor
    22
    Rohrleitung für Sperrluft
    23
    Ventilator
    24
    Rohrleitung für Lagerraumkühlluft
    25
    Ringraum für Sperrluft
    26
    Ringraum für Lagerraumkühlluft
    27
    Haube
    28
    Ölabtropfblech
    29
    Bohrungen
    30
    Kühlkanal
    31
    Nabe
    32
    Abgaskanal
    A
    Abgas
    R
    Rotorkühlluft
    L
    Rotorkühlluftleckage
    S
    Sperrluft
    K
    Lagerraum-Kühlluft
    m1
    Massenstrom der gesamten Rotorkühlluftleckage
    m2
    Massenstrom der tatsächlichen Rotorkühlluftleckage
    m1-m2
    Massenstrom der Sperrluft
    s1
    Spalt des ersten Labyrinths
    s2
    Spalt des zweiten Labyrinths
    n1
    Anzahl der Dichtstreifen des ersten Labyrinths
    n2
    Anzahl der Dichtstreifen des zweiten Labyrinths

Claims (6)

  1. Verfahren zur Wellendichtung und zur Kühlung auf der Abgasseite einer thermischen Turbomaschine, insbesondere einer axialdurchströmten Gasturbine, bei der die austrittsseitige Lagerung des Turbinenrotors (2) innerhalb der Abgasgehäusekonstruktion erfolgt und zur Abdichtung Labyrinthdichtungen (17) und Stopfbüchse (18) verwendet werden, wobei zur Wellendichtung Sperrluft (S) mit einem höheren Druck als der Druck des Abgases (A) im Abgaskanal (32) in die Stopfbüchse (18) und anschliessend in den Abgaskanal (32) geleitet wird, und wobei die Rotorkühlluft (R) einer Verdichterstufe entnommen und über eine Rohrleitung (19) durch das abgasseitige Wellenende in den Rotor (2) eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Rotorkühlluftleckage nach einem Teil der Labyrinthdichtungen abgezweigt und als Sperrluft (S) verwendet wird und dass in den Lagerraum (16) Umgebungsluft als Kühlluft (K) eingebracht, über die Stopfbüchse (18), getrennt von der Sperrluft (S), gleichmässig am Umfang verteilt und durch Durchgänge (8) im Abgasdiffusor (9) nach aussen transportiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge und der Druck der Sperrluft (S) durch Veränderung der Anzahl der Dichtstreifen (n1, n2) der Labyrinthdichtungen (17.1, 17.2) und durch Veränderung der jeweiligen Spaltgrössen (s1, s2) der Labyrinthe (17.1, 17.2) eingestellt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Luft aus dem Kühlluftringraum (26) der Stopfbüchse (18) zur Kühlung der Tragrippen (20) verwendet wird.
  4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Labyrinthdichtungen (17) am abgasseitigen Ende des gekühlten Rotors (2) geteilt sind und an der Teilungsstelle mindestens eine Zwischenabzapfung mit mindestens einer zur Stopfbüchse (18) gehenden Rohrleitung (22) für die Sperrluft (S) angeordnet ist,
    - dass eine weitere an der Stopfbüchse (18) endende Rohrleitung (24) für als Kühlluft (K) wirkende Umgebungsluft im Lagerraum (16) angeordnet ist,
    - wobei die Stopfbüchse (18) in zwei konzentrische Ringräume (25, 26) für die Sperrluft (S) und für die Kühlluft (K) geteilt ist und der Kühlluftringraum (26) über Bohrungen (29) mit dem Lagerraum (16) verbunden ist und
    - dass der Lagerraum (16) im Oberteil mittels einer Haube (27) und im Unterteil mittels eines Öltropfbleches (28) unterteilt ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Tragstruktur (10) und der Isolation (11) im Innenteil (7) des Abgasgehäuses (6) entlang der Tragrippen (20) axial verlaufende Kühlkanäle (30) angeordnet sind, wobei die Kühlkanäle (30) über Bohrungen (29) an ihrem turbinenseitigen Eintrittsteil mit dem Kühlluftringkanal (26) der Stopfbüchse (18) und an ihrem Austrittsteil mit dem Lagerraum (16) verbunden sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Kühlkanäle (30) beidseitig am Fusse der Tragrippen (20) angeordnet sind.
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