DE2646152C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung für die Lagereinheit einer Turbomaschine
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige
Kühleinrichtung ist aus der US-PS 37 46 128 bekannt.
Die Lager und Lagergehäuse von Turbomaschinen, wie beispielsweise
Gasturbinen, sind häufig in einer Umgebung angeordnet, wo hohe
Temperaturen und hohe Drucke herrschen. Wenn beispielsweise eine
Lagerstütze zwischen dem Kompressor und der Turbine verwendet
wird, kann das dieses Lager umgebende Gehäuse einer Kompressorausgangsluft
ausgesetzt sein, die eine Temperatur von 315°C
oder mehr hat. Wenn das zum Schmieren des Lagers verwendete
Mittel dieser hohen Temperatur ausgesetzt ist, kann es
sich in seiner Wirkung verschlechtern und Koks oder Schlamm bilden.
Ein derartiges verschlechtertes Schmiermittel kann auch eine
brennbare Mischung bilden oder Dämpfe mit einer niedrigen Selbstentzündungstemperatur
emittieren. Aus diesen Gründen ist es bisher
üblich gewesen, die die Sumpfkammer bildende Wandoberfläche
von den hohen Temperaturen zu trennen bzw. zu isolieren, indem
beispielsweise eine oder mehrere umgebende Kammern gebildet werden,
denen Kühlluft zugeführt werden kann. Es ist weiterhin üblich
gewesen, eine Ölsprühanordnung vorzusehen, der ein Schmiermittel
parallel zu der Schmiermittelströmung zum Lager zugeführt
wurde. Auch wenn derartige Anordnungen wirksam sein können, so
erfordern sie eine zusätzliche Schmiermittelströmung gegenüber
derjenigen, die zum Schmieren des Lagers allein erforderlich ist,
und sie neigen dazu, etwas komplex zu werden. So wird gemäß der eingangs
genannten US-PS 37 46 128 bei einer Kühleinrichtung
ein Dichtungsring durch bereits relativ kaltes Öl gekühlt,
das über Innenkanäle in der Welle zugeführt wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kühleinrichtung der eingangs
genannten Art so auszugestalten, daß die Wärmeübertragung von außen auf die
Lagereinheit wirksam behindert wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem
Patentanspruch 1 gelöst.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Unteranspruch
angegeben.
Die Erfindung wird nun mit ihren Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 ist eine teilweise im Schnitt gezeigte Seitenansicht von
einer Hochleistungs-Gasturbine, die eine Kühleinrichtung
gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht im vergrößerten Maßstab von einem
Lagersumpf gemäß Fig. 1.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 in Fig. 2.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 in Fig. 2.
In Fig. 1 ist eine Gasturbine 10 mit einer Welle 12 gezeigt,
die für eine Rotation innerhalb eines äußeren Gehäuses 14 durch
geeignete Lager an Lagerstützen 16, 18 und 20 gelagert ist. Die
Welle 12 weist einen mit Schaufeln versehenen Kompressorrotor 22
und einen Turbinenrotor 24 auf, die ihrerseits einen Teil des
Kompressors 26 und der Turbine 28 bilden.
In Fig. 2 ist die Lagerstütze 18 gemäß Fig. 1 mit weiteren Einzelheiten
gezeigt. Sie umfaßt ein Wellenlager 29 mit einer Lagerbuchse
30, die die Welle 12 umgibt und diese an ihrer Lagerfläche
(bei 31 gezeigt) für eine Rotation haltert. Die Lagerbuchse
30 wird von einem Gehäuse 32 getragen, das vorzugsweise
eine gegossene Konstruktion hat und einen Sumpfraum oder eine
Kammer 34 um die Lagerbuchse 30 herum bildet.
Das Gehäuse 32 gemäß Fig. 2 weist einen mittleren Nabenabschnitt
36 auf, der von einem äußeren Wandabschnitt 40 durch zahlreiche
Stegteile 42 beabstandet ist, um so die Sumpfkammer zwischen dem
Nabenabschnitt 36 und einer inneren Wandoberfläche 43 des Wandabschnittes
40 zu bilden.
Der Nabenabschnitt 36 weist eine radial nach innen gerichtete
ringförmige Vertiefung 44 auf, die einen vorspringenden Rand 46
der Lagerbuchse 30 aufnimmt, um so diese gegen eine
axiale Bewegung zu sichern.
Das Gehäuse 32 kann mit einer äußeren Kammer 48 versehen sein,
die mit einer Entlüftungsleitung 50 über geeignete Kanäle 52 in
Verbindung steht, die im Gehäuse 32 ausgebildet sind.
Geeignete Dichtungsmittel sind beispielsweise bei 54 und 56 vorgesehen,
um eine Leckströmung von der Außenseite des Gehäuses in
die Außenkammer 48 zu verkleinern. In ähnlicher Weise sind Dichtungsmittel,
beispielsweise bei 58 und 60, vorgesehen, um eine
Leckströmung zwischen der Sumpfkammer 34 und der Außenkammer 48
zu vermindern.
Die Sumpfkammer 34 ist an ihrem oberen Teil durch eine Entlüftungsleitung
61 entlüftet, die im allgemeinen koaxial zu der Leitung 50
und teleskopartig innerhalb dieser Leitung 50 verlaufen kann.
Geeignete Schmiermittelzuführungen sind bei 62 vorgesehen, um für
eine kontinuierliche Schmiermittelströmung zur Grenzfläche zwischen
der Lagerbuchse 30 und dem Lager zu sorgen. Die Schmiermittelzufuhr 62
umfaßt eine Leitung 64, die mit einer Schmiermittelquelle in Verbindung
steht und in den Nabenabschnitt 36 der Lagerhalterung
hineinragt, eine in Umfangsrichtung verlaufende Verteilerrille
66, die sich in dem Nabenabschnitt 36 befindet, einen Durchlaßkanal
68, der durch den Nabenabschnitt 36 hindurch ausgebildet
ist und die Leitung 64 mit der Rille 66 verbindet, und in Fig. 3
gezeigte Durchlaßkanäle 70 und axiale Verteilerrille 72. Wie
in Fig. 3 gezeigt ist, bildet die in Umfangsrichtung verlaufende
Verteilerrille 66 einen Durchlaßkanal zusammen mit der radial
äußeren Oberfläche der Lagerbuchse 30, um die Schmiermittelströmung
mit den Rillen 72 über die radialen Durchlaßkanäle
70 in Verbindung zu bringen, die durch die Lagerbuchse 30
hindurch ausgebildet sind. Die radial nach innen offenen Rillen
72 führen axial an der Lagerfläche 31 entlang, um so das
Schmiermittel auf der Länge der Lagerfläche 31 des Wellenlagers
29 zu verteilen.
Eine in Umfangsrichtung verlaufende oder radial nach innen offene
Ringnut 74 ist neben jedem axialen Ende der Lagerbuchse
30 und axial außen von den axialen Verteilerrillen 72 vorgesehen,
um die Schmiermittelströmung zu sammeln, nachdem diese
entlang der Lagerfläche zwischen der Welle 12 und der Lagerbuchse
30 geflossen ist.
Wie in den Fig. 2 und 4 gezeigt ist, sind zahlreiche Sprühkanäle
76 radial durch die Lagerbuchse 30 hindurch ausgebildet
und stehen mit jeder in Umfangsrichtung verlaufenden
Ringnut 74 in Verbindung.
Die Kanäle 76 sind derart angeordnet und bemessen, daß sie das
Schmiermittel gegen die oberen Abschnitte der Wandoberfläche 43
in der Weise sprühen, daß diese innere Wandfläche kontinuierlich
mit Schmiermittel benetzt ist, wenn dieses durch die Schwerkraft
zum Boden der Sumpfkammer 34 strömt.
Die Sumpfkammer 34 kann durch eine geeignete Leitung, wie sie
beispielsweise bei 78 gezeigt ist, entleert werden, die mit dem
unteren Abschnitt der Kammer 34 durch die Außenwand 40 hindurch
in Verbindung steht. Die Leitung 78 kann teleskopartig über die
Zufuhrleitung 64 geschoben sein.
Die Sumpfkammer 34 und die Außenkammer 48 werden durch teleskopartig
angeordnete, im allgemeinen konzentrische Leitungen 61 bzw.
50 entlüftet.
Die Kühleinrichtung gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen
der Erfindung arbeitet wie folgt. In der Praxis ist das Gehäuse
32 gewöhnlich von unter Druck stehender Luft mit Temperaturen
von 315°C oder mehr umgeben. Das zum Schmieren des Lagers
verwendete Schmiermittel muß gegenüber diesen hohen Temperaturen
geschützt werden, um eine Bildung von Koks oder einer anderen
Verschlechterung des Schmiermittels zu verhindern, damit das
Schmiermittel nicht durch Sieden verdampft und möglicherweise
Feuer fängt.
Der Schmiermitteldurchsatz über die Zufuhrvorrichtung
62 kann in dem Bereich von 170 bis 270 Litern pro Minute
liegen, wobei jedoch auch andere Durchsatzmengen möglich sind.
Es wurde gefunden, daß durch das anschließende Besprühen oder
Aufprallen der Wellenlager-Schmiermittelströmung gegen die Innenfläche
der Kammerwand des Lagersumpfes auf dem oberen Abschnitt
des Gehäuses gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung
signifikante Senkungen der Lufttemperatur innerhalb
der Sumpfkammer 34 und der Temperatur der Außenwand 40 erreicht
werden können. Auf diese Weise sind Mittel geschaffen,
um Schmiermittel zur Lagerfläche des Wellenlagers 29 zuzuführen und
anschließend das Schmiermittel gegen die Innenwand
43 der Sumpfkammer 34 zu sprühen.
Das Schmiermittel wird dem Wellenlager 29 durch die Vorrichtung
62 zugeführt, durch geeignete Mittel, wie beispielsweise Sammelrillen
74, an jedem axialen Ende des Wellenlagers gesammelt und
dann anschließend als eine Vielzahl von Sprühstrahlen gegen die
obere Innenfläche 43 des Wandabschnittes 40 geschleudert, was
beispielsweise durch die Sprühkanäle 76 geschieht. Auch wenn
die Lagerbuchse 30 in Fig. 4 mit fünf derartigen Sprühkanälen
an jedem axialen Ende des Lagers gezeigt ist, kann auch
eine andere Anzahl und eine andere Form dieser Sprüheinrichtungen
verwendet werden. Nachdem das Schmiermittel gegen die Wandfläche
43 gesprüht worden ist, strömt es durch die Wirkung der
Schwerkraft an den Seitenwänden entlang zum unteren Teil der
Sumpfkammer 34, von wo es durch die Abflußleitung 78 zum Reservoir
zurückgeleitet wird.
Bei Versuchen mit Lageranordnungen wurden Temperatursenkungen im
Metall und Senkungen der Lufttemperaturen in der Lagersumpfkammer
in der Größenordnung von 85°C bzw. 140°C gefunden.
Wenn, wie in der Anordnung gemäß Fig. 2, ein Durchlaßkanal 80 an der
Oberseite der Kammer 34 vorgesehen ist, um die Kammer 34 mit der
Entlüftungsleitung 61 zu verbinden, ist wenigstens einer der
Sprühkanäle 76 bevorzugt so angeordnet, daß die zum Durchlaßkanal
80 strömende Luft die Schmiermittelströmung kreuzt.
Claims (3)
1. Kühleinrichtung für die Lagereinheit einer Turbomaschine,
wobei
- - die Lagereinheit ein eine horizontal ausgerichtete Welle (12) drehbar lagerndes Wellenlager (29) mit einer Lagerbuchse (30) aufweist,
- - diese Lagerbuchse (30) in einem sie umgebenden Lagergehäuse (32) abgestützt ist,
- - zwischen Lagergehäuse (32) und Lagerbuchse (30) eine die Lagerbuchse (30) umgebende Kammer (34) vorgesehen ist, in der der Lagerfläche (31) der Lagerbuchse (30) axial mittig zugeführte Schmierflüssigkeit nach dem Austreten aus der Lagerstelle gesammelt, und aus deren unteren Bereich die gesammelte Schmierflüssigkeit abgeführt wird, und wobei
- - in der Lagerbuchse (30) Sprühkanäle (76) ausgebildet sind, welche von der Lagerfläche (31) ausgehend in die Kammer (34) münden,
- - derart, daß Schmierflüssigkeit von der Lagerfläche (31) durch die Sprühkanäle (76) gefördert und zur Kühlung der Kammerwandung gegen dieselbe gesprüht wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Lagerbuchse (30) an ihren axialen Enden jeweils eine zur Lagerfläche (31) hin offene Ringnut (76) aufweist,
- - die Sprühkanäle (76) von den Ringnuten (74) ausgehen und die Lagerbuchse (30) radial durchsetzen, und daß
- - die Sprühkanäle (76) nur im oberen Bereich der Lagerbuchse (30) ausgebildet sind, so daß nur der obere Bereich der Kammerwandung mit Schmierflüssigkeit besprüht wird, während der untere Bereich der Kammerwandung von aufgrund der Schwerkraft herabfließender Schmierflüssigkeit benetzt wird.
2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Abführen von
Leckluft aus der Kammer (34) eine durch den oberen
Bereich der Kammerwandung geführte Entlüftungsleitung
(61) vorgesehen ist, und daß wenigstens einer der Sprühkanäle
(76) so ausgerichtet ist, daß sich der Schmierflüssigkeits-
Sprühstrahl mit der Leckluftströmung zur
Entlüftungsleitung (61) kreuzt.
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