DE3815679C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Radialturbine gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Aus der EP 93 990 A1 ist eine derartige Radialturbine mit einem Laufrad bekannt, dessen Laufschaufeln auf der dem Getriebe abgewandten freien Endseite angeordnet sind. Das radial von außen zugeführte Medium durchströmt die Radialturbine zentripetaler Bauart auf der dem Getriebe abgewandten Seite des Laufrades und gelangt dort zu einem zentralen Abströmkanal, durch welchen das Medium die Radialturbine in axialer Richtung verläßt. Der Austrittsdruck herrscht in dem Raum zwischen der Wellenseite des Laufrades und dem Turbinengehäuse, wobei mittels einer Wellendichtung die Abdichtung nach außen zur Umgebung erfolgen muß. Eine derartige Wellendichtung, welche regelmäßig als Labyrinthdichtung ausgebildet wird, erfordert einen nicht unerheblichen Aufwand und Platzbedarf. Eine weitere Abdichtung ist zwischen dem Lagerraum und der Umgebung erforderlich. Die für die genannten Dichtungen erforderliche axiale Länge bedingt einen großen Abstand der Turbine zum Lager und kann zu erhöhten Lagerbelastungen führen. Infolge des genannten Abstandes und der relativ großen Länge ist der Einfluß der Wärmedehnung groß. Die Zufuhr des Mediums, nämlich Frischdampf, erfolgt mittels radial gerichteten Zufuhrkanälen, wobei das Frischdampfventil radial außen angeordnet ist und entsprechend große radiale Abmessungen gegeben sind. Die Zufuhrkanäle weisen eine große Oberfläche auf und es erfolgt in starkem Maße eine Wärmeabstrahlung. Bei einem zu geringen Abstand zwischen dem Laufrad und dem Lager und folglich der Zufuhrkanäle zum Getriebe könnte dessen Temperatur von außen her nachteilig beeinflußt werden. Da bekanntlich der Dampf im Abströmkanal eine erheblich reduzierte Temperatur aufweist, kann das Laufrad im Bereich des Abströmkanals eine niedrigere Temperatur aufweisen als beispielsweise auf der Wellenseite zum Getriebe hin. Die Temperaturen können sich entsprechend der Belastung und dem jeweiligen Betriebszustand der Radialturbine ändern, so daß relativ große Wärmeausdehnungen aus Sicherheitsgründen berücksichtigt werden müssen.

Ferner ist aus der US 27 09 893 eine Radialturbine bekannt, deren Hochdruck- und Niederdruckstufen auf der Wellenseite radial nach innen durchströmt werden. Das Laufrad ist nicht fliegend gelagert, sondern es ist mit dem Verdichterlaufrad verbunden und mittels eines zusätzlichen Lagers im Verdichtergehäuse erfolgt dort die Lagerung. Es ist ein ungleichförmiges Wärmegefälle gegeben, da durch den Verdichter vergleichsweise kalte Luft axial angesaugt wird, während die aus der Brennkammer ausströmenden heißen Gase radial nach innen das Turbinenlaufrad beaufschlagen. Es ist ein Wärmegefälle von der Mitte des Laufrades einerseits in Richtung zum Verdichtereingang und andererseits in Richtung zum Getriebe vorhanden und insgesamt müssen bei der Konstruktion aus Sicherheitsgründen vergleichsweise große Wärmeausdehnungen berücksichtigt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Radialturbine der genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß bei kompakter Wärmeausdehnungen von Laufrad, Welle und Gehäuse zuverlässig definierbar sind uknd die thermische Beanspruchung des Getriebes reduziert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Die vorgeschlagene Radialturbine zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise aus und kann mit vergleichsweise geringen radialen und axialen Außenabmessungen gebaut werden. Auf­ grund der vor allem in radialer Richtung kompakten Bauweise kann die Radialturbine auch in nichtstationären Anlagen und/oder in solchen mit vergleichsweise kleiner Leistung zum Einsatz gelangen. Insbesondere genannt seien auch Anwen­ dungsgebiete mit hohem Dampfgefälle, Verwendung hoher Frischdampftemperaturen, und zwar über 530°C, und kleine Massenströme. Im Unterschied zu bisher bekannten Kon­ struktionen sind die Schaufeln des fliegend gelagerten Lauf­ rades auf der Wellenseite angeordnet, wobei der abströmende Dampf in einem ringförmigen Sammelkanal gesammelt wird und radial nach außen abgeleitet werden kann. Das Ventil für den Frischdampf kann ohne Vergrößerung des Außendurchmessers und ohne konstruktive Einschränkungen durch einen Abdampfkanal auf der anderen Seite des Laufrades angeordnet werden. Diese zentrale Anordnung des Ventils ist besonders zweckmäßig. Entsprechend der Strömungsrichtung des Mediums, insbesondere des Dampfes, ergibt sich ein gleichförmiges Temperatur­ gefälle nur in einer Richtung, und zwar vom Eintritt, über das Laufrad zum Lager und Getriebe. Die Wärmeausdehnungen von Laufrad und Welle sind folglich gut kalkulierbar und in der Folge können erhöhte Eintrittstemperaturen zugelassen werden. Dies wird ferner dadurch unterstützt, daß das Radial-Axiallager sich in unmittelbarer Nähe des Laufrades befindet. Der Abstand zwischen dem Laufrad und dem Lager wird vergleichsweise klein gehalten, zumal eine weitere Abdichtung zwischen dem Lagerraum und der Umgebung entfallen kann.

Das Laufrad ist unlösbar, insbesondere durch Reibschweißen, mit der Welle verbunden. Die Abströmseite liegt bezüglich des Laufrades auf der gleichen Seite wie das Lager der Welle. Der Ringkanal und die Abdampfleitung sind zwischen dem Laufrad und dem Getriebe bzw. dem Lagergehäuses an­ geordnet. Das Lager wird zweckmäßig mit dem gleichen Medium geschmiert, wie das der Turbine zugeführte Strömungsmedium, und zwar insbesondere Wasser. Im Unterschied zu einer Öl­ schmierung ergeben sich keine Probleme, wenn das Schmier­ mittel Wasser in den Abdampfraum gelangt. Die Abdicht­ probleme werden daher erheblich reduziert; vergleichsweise einfache Dichtelemente genügen. Die bei einer Ölschmierung notwendigen Spritzringe sowie die Zufuhr von Sperrdampf entfallen, wodurch eine nicht unerhebliche Reduzierung der axialen Baulänge erreicht wird. Eine zusätzliche Abdichtung des Lagers nach außen zur Umgebung entfällt. Zwischen dem Lager und der Austrittsöffnung der Turbine bzw. dem Abdampf­ kanal besteht ein Druckgefälle, so daß das aus dem Lager austretende Medium ggf. in den Abdampfkanal gelangen kann. Wesentlich ist insoweit ferner, daß die Wellendichtung nicht für ein vergleichsweise hohes Druckgefälle zwischen Abdampf­ kanal und der Umgebung ausgelegt sein muß, sondern lediglich für das vergleichsweise geringe Druckgefälle zwischen dem Lager und dem Abströmkanal. Die Wellendichtung kann daher sehr kompakt und in einfacher Weise ausgebildet sein, wo­ durch die axiale Baulänge und damit der Abstand zwischen dem Laufrad und dem Lager erheblich reduziert werden kann.

Zur Lagerung der Welle im Lagergehäuse ist ein Axial-Radial­ lager mit Kippsegmenten aus Silizium-Carbid vorgesehen, dem zur Kühlung und Schmierung Wasser zugeführt wird. Im Ver­ gleich mit einer Ölschmierung können mit einem solchen Lager die Lagerverluste um etwa den Faktor 2 reduziert werden, wobei gleichzeitig eine funktionssichere Konstruktion gewährleistet wird. Ein derartiges Lager ist beispielsweise aus der GB-PS 16 00 125 bekannt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt die Radialturbine teilweise in einer Ansicht und teilweise in einem axialen Schnitt mit einem Turbinengehäuse 2, welches ein Laufrad 4 umgibt. Das Laufrad 4 ist mit einer Welle 6 unlösbar verbunden, und zwar insbe­ sondere durch Reibschweißen. Zur Lagerung der Welle 6 ist ein kombiniertes Axial-Radial-Gleitlager 8 in einem Lager­ gehäuse 10 vorgesehen. Das Lagergehäuse 10 enthält einen Flansch 12 zur Befestigung an einem Getriebegehäuse, das hier nicht weiter dargestellt ist und welches in der Zeichnung sich rechts an das Lagergehäuse anschließt. Die Welle 6 weist am anderen Ende ein Zahnrad 14 auf, das vor­ zugsweise als Sonnenrad eines hier nicht dargestellten Planetengetriebes ausgebildet ist und gleichzeitig als zweites Lager der Welle 6 mittels des Planetengetriebes dient. An das Zahnrad 14 könnte alternativ auch im Anschluß ein Radiallager auf einer Verlängerung der Welle 6 sitzen, um diese im Getriebegehäuse zu lagern. Die Schmierung des Lagers erfolgt wie die Schmierung des Getriebes insgesamt mit Öl.

Das Laufrad 4 enthält auf der Seite 18, welche der Welle 6 zugewandt ist und welche nachfolgend als Wellenseite be­ zeichnet wird, Laufschaufeln 20, 22. Zwischen den beiden Kränzen mit den Laufschaufeln 20 bzw. 22 sind in bekannter Weise Umlenkschaufeln 24 an einer Wand 26 des Turbinenge­ häuses 2 angeordnet. Die Austrittsebene 28 des Laufrades liegt ebenso wie die genannten Laufschaufen 20, 22 auf der Wellenseite 18 des Laufrades 4. An die Austrittsöffnung 28 schließt ein Ringkanal 30 an, aus welchem der Abdampf durch Abdampfkanäle 32 radial abströmen kann. Es darf festgehalten werden, daß durch die Beschreibung der Dampfturbine keine Beschränkung auf das Medium Dampf erfolgt und nur der Ein­ fachheit halber nachfolgend vom Dampf bzw. Wasser gesprochen wird.

Frischdampf wird durch einen Zuführkanal 34 und ein oder mehrere Ventile z.B. 36 zugeführt, welche auf der der Welle 6 abgewandten Laufradseite 38 des Laufrades 4 zentral ange­ ordnet sind. Das Turbinengehäuse 2 enthält mehrere Dampfzu­ führungsrohre 40, durch welche der Frischdampf radial nach außen in einen ringförmigen Verteilerkanal 42 geleitet wird. Es sind mehrere Dampfzuführungskanäle angebracht, um eine symmetrische Temperaturverteilung zu ermöglichen. Der Ring­ kanal 42 weist im Gegensatz zu vorbekannten Anordnungen eine vergleichsweise kleine Außenoberfläche auf, so daß die Wärmeabstrahlung zum Getriebegehäuse gering ist. Dies ist wesentlich, da im Hinblick auf die geringe axiale Länge und kompakte Bauweise eine unzulässig hohe thermische Bean­ spruchung des Getriebes die Folge wäre. Vom Verteilerkanal 42 aus durchströmt der Frischdampf in bekannter Weise Düsen 44 des Turbinengehäuses und gelangt anschließend zu den auf der Wellenseite des Turbinenrades befindlichen Laufschaufeln 20, 22. Mittels Wellendichtungen 46 wird der Ringkanal 30 gegenüber dem Lager 8 abgedichtet. Die Wellendichtung 46 muß daher nur für das vergleichsweise geringe Druckgefälle zwischen dem Lager 8 und dem Abdampf ausgelegt sein. Auf­ grund der vorgeschlagenen Anordnung der Laufschaufeln 20, 22 auf der Wellenseite 18 ergibt sich ein gleichförmiges Temperaturgefälle nur in einer einzigen Richtung, und zwar von der Dampfzuströmung über die Schaufeln 20, 22 zum Lager 8 bis zum Getriebe. Wärmedehnungen werden damit besser kalkulierbar und beherrschbar, so daß höhere Eintrittstem­ peraturen realisiert werden können.

Dem Lagergehäuse 10 mit dem Gleitlager 8 wird über eine Lei­ tung 48 das Medium, zum Schmieren und Kühlen zugeführt. Wenn im Lager das gleiche Medium wie in der Turbine zum Einsatz kommt, ist eine Verunreinigung des Abdampfes durch das Schmiermittel folglich nicht zu befürchten. Der Druck des Wassers im Lager muß erfindungsgemäß höher sein als der Abdampfdruck, da Wasser in den Abdampf gelangen darf, jedoch nicht umgekehrt Abdampf zum Lager. Die Anforderungen an die Dichtelemente 50, welche zur Abdichtung des Lagerge­ häuses 10 in der Richtung zur Turbine vorgesehen sind, sind relativ unkritisch. Die Dichtelemente 50 sind in einer schmalen Scheibe 52 befestigt, die Bestandteil des Lagerge­ häuses 10 ist.

Das Turbinengehäuse 2 ist mittels einer wärmeelastischen Aufhängung über kreuzförmig angeordnete Gleitführungen 54 mit dem Lagergehäuse 10 verbunden, welches über den Flansch 12 im Getriebegehäuse befestigt ist. Die Gleitführungen 54 ermöglichen den Ausgleich von radialen Wärmedehnungen, wobei andererseits das Turbinengehäuse 2 bezüglich des Lagerge­ häuses gegen Drehung gesichert ist. Die Gleitführungen 54 sind am Ringkanal 30 sowie der Scheibe 52 angeordnet. Ein Kompensator 56 aus einem elastischen Material, insbesondere Metall, ist zwischen der Turbine und dem Lagergehäuse ange­ ordnet. Mittels dieses Kompensators 56 erfolgt zweckmäßig auch die Abdichtung nach außen zur Umgebung, und zwar sowohl bezogen auf den Abströmkanal als auch auf das Lager. Durch die Leitung 48 wird Medium unter Druck dem Gleitlager 8 zugeführt, das zur axialen und radialen Lagerung der Welle 6 samt Laufrad 4 dient. Durch die Leitung 58 kann das Wasser aus dem Lager abfließen.

Die Abdichtung des Lagers 8 zum Getriebe erfolgt mittels einer Gleitringdichtung 60, welche ein von einer Feder 62 axial vorgespanntes Dichtelement 64 aufweist. Das Dichtele­ ment 64 liegt zweckmäßig auf einer axialen Stirnfläche eines Wellenbundes 66 an.

Die derart im Getriebegehäuse gelagerte Welle 6 weist an ihrem in das Getriebe hineinragenden Ende das bereits er­ wähnte Zahnrad 14 auf, das zweckmäßig als Sonnenrad eines hier nicht weiter dargestellten Planetengetriebes ausgebil­ det ist. Die mit dem Sonnenrad in Eingriff stehenden, insbe­ sondere drei Planetenräder, dienen gleichzeitig zur radialen Lagerung der Welle 6 mit dem integral angeordneten Laufrad 4.

Bezugszeichenliste:

 2 Turbinengehäuse
 4 Laufrad
 6 Welle
 8 Gleitlager
10 Lagergehäuse
12 Flansch
14 Zahnrad
18 Wellenseite
20, 22 Laufschaufel
24 Umlenkschaufel
26 Wand von 2
28 Austrittsebene von 4
30 Ringkanal
32 Abdampfkanal
34 Zuführkanal
36, 37 Ventil
38 der Welle abgewandte Laufradseite
40 Zuführrohr
42 Verteilerkanal
44 Düse
46 Wellendichtung
48 Leitung
50 Dichtelement
52 Scheibe
54 Gleitführung
56 Kompensator
58 Leitung
60 Gleitringdichtung
62 Feder
64 Dichtelement
66 Bund

Claims (9)

1. Radialturbine mit einem radial einwärts durchströmten und fliegend gelagerten Laufrad und mit einer Welle, für welche zwei axial beabstandete Lager vorgesehen sind, wobei an einem ersten Ende der Welle nur das Laufrad befestigt ist und nach einem zweiten Ende, welches in ein Getriebegehäuse hineinragt, ein Zahnrad und das zweite Lager vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Laufschaufeln (20, 22) auf der Wellenseite (18) des Laufrades (4) angeordnet sind,
daß das abströmende Medium insbesondere in einen Ringkanal (30) strömt, der zwischen dem Laufrad (4) und dem Getriebegehäuse angeordnet ist, wobei im Bereich der freien Endseite (38) des Laufrades (4) das Turbinengehäuse (2) vorgesehen ist,
daß das Laufrad (4) mit der Welle (6) unlösbar verbunden ist, und
daß das erste Lager (8) als kombiniertes Axial-Radiallager ausgebildet ist.

2. Radialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinengehäuse (2) eine Wand (26) aufweist, die den Strömungskanal mit den Laufschaufeln (20, 22) vom Ringkanal (30) trennt.

3. Radialturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ringkanal (30) und dem Lagergehäuse (10) des ersten Lagers (8) ein Kompensator (56), zweckmäßig aus Metall, und/oder eine Gleitführung (54) vorgesehen sind.

4. Radialturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinengehäuse (2) im Bereich des Ringkanals (30) in einer dem Lagergehäuse (10) und/oder dem Getriebegehäuse zugekehrten Wand eine ringförmige Ausnehmung aufweist, in welcher eine Wellendichtung (46) angeordnet ist.

5. Radialturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinengehäuse (2) im Bereich der freien Endseite (38) des Laufrades (4) Dampfzuführungsrohre (40) enthält und ein Zuführkanal (34) und/oder ein Frischdampfventil (36) angeordnet sind.

6. Radialturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Lager (8) durch eine Leitung (48) zur Schmierung und Kühlung das gleiche Medium, insbesondere Wasser, zugeführt wird.

7. Radialturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Lager (8) ein Lagergehäuse (10) aufweist, welches mit dem Getriebegehäuse verbunden ist.

8. Radialturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagergehäuse (10) einen Flansch (12) zur Befestigung im Getriebegehäuse aufweist.

9. Radialturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das am zweiten Ende der Welle (6) befestigte Zahnrad (14) als Sonnenrad eines Planetengetriebes ausdgebildet ist, wobei mittels den Planetenrädern die weitere radiale Lagerung der Welle (6) erfolgt.