Gasturbine mit Axialschubkolben und Radiallager Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einem hinsichtlich eines Axialausgleichschubs (Axialausgleichs ^¬ kraft) einstellbaren Rotor.

Eine Gasturbine, insbesondere eine einwellige Gasturbine, welche typischerweise einen Verdichter, eine Brennkammer so ^¬ wie eine Entspannungsturbine aufweist, zeigt bei Betrieb, dass die Axialkräfte, welche auf den Rotor einwirken, je nach Betriebsweise unterschiedlich sind. Die Gasturbine weist in ^¬ sofern Axiallager auf, welche dazu ausgebildet sind, den bei den verschiedenen Betriebsweisen auftretenden Axialschub

(Axialkraft) aufnehmen zu können, d.h. einen Gegenkraft auf den Rotor aufbringen zu können. Der Axialschub resultiert hierbei aus der Schubdifferenz zwischen dem Schub in dem Verdichter und dem Schub in der Entspannungsturbine. Bei Voll- lastbetrieb wirkt der Axialschub typischerweise in Richtung vom Verdichter zur Turbine oder in anderen Worten in Flussrichtung des Arbeitsmediums in der Gasturbine. Wird nun die Gasturbine etwa bei geringeren Leistungen betrieben, fällt der Axialschub ab, wodurch etwa das Axiallager entlastet wird. Bei geringen Teillastbetriebsweisen der Gasturbine kann die Schubdifferenz sogar nahe an Null heranreichen, so dass es bei sehr geringen Teillastbetriebsweisen sogar zu einer Schubumkehr kommt. Eine solche Schubumkehr wird zudem durch Fertigungstoleranzen in der Gasturbine befördert, welche für unterschiedliche Axialschübe bei unterschiedlichen Gasturbi ^¬ nen sorgen können. Ebenfalls können der Betrieb von externen Hilfssystemen, wie bspw. dem Anti-Icing-System, dazu Anlass geben, dass es zu einer Axialschubumkehr kommt. Bei einer Axialschubumkehr wird der Rotor in ungewünschte axiale wie auch radiale Schwingungen versetzt, wodurch nicht nur die La ^¬ ger sondern die ganze Gasturbine Schaden nehmen kann. Insofern gilt es derartige Umkehrungen des Axialschubes zu vermeiden und eine gute Kontrolle über den Axialschub und seine Richtung zu behalten. Hierzu weisen Gasturbinen mit unter einen Axialschubkolben auf, der durch Verdichterluft be- aufschlagt ist und aufgrund der durch die Verdichterluft vor ^¬ gegebenen Kraftrichtung den Rotor mit einer Axialausgleichskraft beaufschlagen kann. Ein solches Axialschubausgleichs- system ist bspw. in der EP 2 011 963 AI beschrieben, in welcher mittels einer Zusatzschubeinrichtung gewährleistet wer- den soll, dass der Schub auf das Axiallager stets positiv, d.h. in Richtung vom Verdichter zur Entspannungsturbine gerichtet ist. Hierzu wird Verdichterluft aus dem Mittelbereich der Gasturbine entnommen und in einen inneren Ringraum geführt, so dass eine durch die Verdichterluft ausgeübte Zu- satzkraft auf den Rotor einwirkt. Zur Variation dieses Zu ^¬ satzschubes kann die Menge an Verdichterluft eingestellt wer ^¬ den, welche in den Ringraum einströmt. Die Einstellung erfolgt hierbei in Abhängigkeit von der Gasturbinenlast. Nachteilig an diesem aus dem Stand der Technik bekannten Axi- alausgleichsschubsystemen ist jedoch, dass die Gasturbine in ihrem Mittelbereich einer strukturellen Änderung unterworfen werden muss. Zudem sind im Mittelbereich der Gasturbine die vorherrschenden Temperaturen verhältnismäßig hoch, so dass an das Leitungssystem für die Leitung der Verdichterluft verhältnismäßig hohe Anforderungen zu stellen sind. Weiterhin zeigt es sich als nachteilig, dass die für das axiale Aus ^¬ gleichsschubsystem entnommene Verdichterluft der Entspannungsturbine nahe an ihrem Eingang zugeleitet wird, wodurch eine Verminderung der Gasturbinenleistung die Folge ist.

Ebenso lassen sich derartige aus dem Stand der Technik be ^¬ kannte Axialausgleichsschubsysteme nur verhältnismäßig schlecht warten, da die Wartungseingriffe im Mittelbereich der Gasturbine bekanntlich aufwändig sind.

Insofern ist es ein technisches Erfordernis, eine weitere Gasturbine vorzuschlagen, welche einen verbesserten Axialschubausgleich bereit stellen kann. Insbesondere soll die vorgeschlagene Gasturbine hinsichtlich der Leistungsausbeute effizienter, wie auch wartungsfreundlicher sein.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile werden ver- mieden durch eine Gasturbine gemäß Anspruch 1.

Insbesondere werden die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermieden durch eine Gasturbine mit axial einstell barem Rotor, umfassend folgende Bauteile:

mindestens eine externe Verdichterentnahme zur Entnahme von Verdichterluft;

Regelventil zur Einstellung der Menge an über die mindes tens eine externe Verdichterentnahme entnommenen

Verdichterluft ;

Axialschubkolben, welcher mit der entnommenen

Verdichterluft über eine Zuleitung derart versorgbar ist dass bei Einstellung der Menge an Verdichterluft ein un ^¬ terschiedlicher Axialausgleichschub an diesem anliegt; Radiallager, welches insbesondere mit dem Axialschubkol ^¬ ben lagerungstechnisch zusammen wirkt, und welches ebenfalls mit der entnommenen Verdichterluft über die Zulei ^¬ tung direkt oder indirekt versorgbar ist.

An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass das Radiallager typischerweise zu Sperrzwecken und/oder zu Kühlzwecken mit der Verdichterluft versorgt wird.

Das Regelventil kann typischerweise als Ventilklappe ausge ^¬ bildet sein.

Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, den Axialschubkolben, welcher für die Beaufschlagung des Rotors mit einer Axialausgleichskraft vorgesehen ist, insoweit mit dem Radiallager la ^¬ gerungstechnisch zusammenwirken zu lassen, dass beide mit der entnommenen Verdichterluft über die Zuleitung direkt oder indirekt versorgbar sind. Insofern kann die für den Axialschubkolben entnommene Verdichterluft auch zur Versorgung des Ra ^¬ diallagers genutzt werden. Insofern braucht für den Axial- schubkolben keine zusätzliche externe Verdichterentnahme be ^¬ reitgestellt werden, welche nicht auch das Radiallager ver ^¬ sorgen könnte. Typischerweise sind Radiallager bei der Gasturbine endständig angebracht, so dass auch der Axialschubkolben im Endbereich der Gasturbine angeordnet ist. Sollte nun ein Wartungsfall eintreten, kann die Gasturbine bequem vom Endbereich her gewartet werden, ohne etwa das gesamte Gehäuse der Gasturbine entfernen zu müssen. Es würde bspw. ausreichen, lediglich das Radiallager zu entfernen, um direkten Zugang zu dem Axialschubkolben zu erhalten.

Weiterhin ist es wichtig darauf hinzuweisen, dass das erfindungsgemäße System in einem relativ kalten Bereich der Gasturbine angeordnet ist. Das Verdichterluft-Leitungssystem kann somit für verhältnismäßig geringe Temperaturen ausgelegt werden, wodurch auch günstigere Komponenten zum Einsatz kommen können. Aufgrund der örtlichen Nähe von Axialschubkolben und Radiallager sowie deren lagerungstechnisches Zusammenwir ^¬ ken können mittels der aus der externen Verdichterentnahme entnommenen Verdichterluft zwei Funktionen erfüllt werden. Erstens kann die Verdichterluft den erforderlichen Axial ^¬ schubausgleich bereitstellen, indem die Verdichterluft den Axialschubkolben anströmt und diesen mit einer entsprechenden Ausgleichskraft beaufschlagt. Zudem kann die Verdichterluft auch als Sperr- bzw. Kühlluft dienen, um etwa den Austritt von Öl aus dem Radiallager zu vermeiden. Diese doppelte Funktion der Verdichterluft lässt somit eine effizient betreib ^¬ bare Gasturbine wie auch eine leicht zu wartende Gasturbine bereitstellen .

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Axialschubkolben und das Radiallager hinsicht- lieh der Versorgung mit Verdichterluft miteinander in Reihe geschaltet sind. In anderen Worten erhält das eine Bauteil die Verdichterluft, nachdem sie dem anderen Bauteil zunächst zugeführt wurde. Typischerweise wird die Verdichterluft hier- bei zuerst dem Axialschubkolben zugeführt und strömt von die ^¬ sem über zum Radiallager, an welchem es etwa gegen Austritt von Lagerfluid absperrt bzw. das Radiallager gegen Erwärmung kühlt. Beide, d.h. Axialschubkolben und Radiallager können durch geeignete Dichtungen voneinander fluidisch wenigstens zum Teil entkoppelt sein. Eine vollständige Entkopplung hin ^¬ sichtlich des Übertritts von Verdichterluft ist aber gemäß der ersten Ausführungsform nicht vorgesehen. Gemäß einer zweiten alternativen Ausführungsform der Erfindung kann jedoch eine derartige vollständige Entkopplung hinsichtlich des Überströmens von Verdichterluft von dem einen Bauteil zu dem anderen erfolgen, da gemäß der alternativen Ausführungsform der Axialschubkolben und das Radiallager in Bezug auf die Versorgung mit Verdichterluft zueinander paral ^¬ lel geschaltet sind. Folglich werden beide Bauteile mit un ^¬ terschiedlichen Verdichterluftströmen versorgt, wobei eine vollständige Entkopplung beider Bauteile aber nicht zwingend erforderlich ist.

Die Bauteile können so mit jeweils individuell konditionier ^¬ ter Verdichterluft versorgt werden. So kann etwa die dem Ra ^¬ diallager zugeführte Verdichterluft eigens thermisch aufbe ^¬ reitet werden, etwa gekühlt werden. Ebenfalls kann etwa die dem Axialschubkolben zugeführte Verdichterluft eine deutlich größere Strömungsrate aufweisen, um etwa den erforderlichen Axialausgleichsschub aufbringen zu können. In jedem Fall sind die beiden Zuleitungen, welche den Axialschubkolben wie auch das Radiallager versorgen, wenigstens bereichsweise fluid- dicht gegeneinander abgedichtet, so dass die Zuführung ohne fluidische Wechselwirkung erfolgen kann. Hierbei kann jedoch die Verdichterluft aus derselben externen Entnahme des Ver ^¬ dichters entnommen sein. Ist die Verdichterluft an die be ^¬ treffenden Bauteile geführt, kann im Nachgang ein Überströmen der Verdichterluft von dem einen zum anderen Bauteil durchaus erfolgen. Ausführungsgemäß kann also jedes Bauteil gezielt mit einer vorbestimmten Menge an Verdichterluft beaufschlagt werden, um so die gewünschte Funktion zu erfüllen, soweit diese durch das Überströmen nicht beeinträchtigt wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens zwei externe Verdichterentnahmen zur Entnahme von Verdichterluft auf unterschiedlichem Druckniveau vorgesehen sind und beide in die Zuleitung für den Axialschubkolben bzw. das Radiallager münden. Hierbei findet bereits vor oder auch bei der Zuleitung eine Mischung von

Verdichterluft auf unterschiedlichem Druckniveau statt, wobei ein neues effektives Druckniveau resultiert. Typischerweise erfolgt die Mischung beider Verdichterluftströme mit einem Ejektor, welcher eine Mischung von zwei Verdichterluftströmen auf unterschiedlichem Druckniveau ermöglichen kann. Ausführungsgemäß kann damit Verdichterluft an unterschiedlichen Be ^¬ reichen des Verdichters entnommen werden. Eine Entnahme von Verdichterluft im vorderen Bereich des Verdichters (bezogen auf die Richtung des Arbeitsfluids ) erlaubt hierbei eine Ent ^¬ nahme von Verdichterluft auf verhältnismäßig geringem Druck ^¬ niveau, wobei jedoch aufgrund der geringen Verdichtung der Verdichterluft diese als relativ günstig betrachtet werden kann. Die im Verdichter weiter hinten (wieder bezogen auf die Richtung des Arbeitsfluids ) entnommene Verdichterluft ist je ^¬ doch im Vergleich verhältnismäßig teuer, da bereits eine re ^¬ lativ starke drucktechnische Aufbereitung erfolgt ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Kühleinrichtung in die Zuleitung geschaltet ist, welche eine Kühlung der Verdichterluft ermöglicht. Die mit Hilfe der Kühleinrichtung abgeführte Wärme aus der

Verdichterluft kann wiederum zu anderen Zwecken im Rahmen des Betriebs der Gasturbine wie auch zu weiteren nicht weiter da ^¬ mit in Verbindung stehenden Zwecken genutzt werden. Die Kühleinrichtung erlaubt eine thermische Konditionierung der entnommenen Verdichterluft auf ein Temperaturniveau, welches für die Anwendung am Radiallager geeignet ist, da bei Zuleitung von Verdichterluft an das Radiallager eine Mindesttemperatur nicht überschritten werden sollte. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein weiteres Einstellorgan in die Zuleitung geschaltet ist, welches ermöglicht, die aus den wenigstens zwei externen Verdichterentnahmen entnom- mene und bereits miteinander gemischte Verdichterluft hin ^¬ sichtlich ihrer Menge einzustellen. Das Einstellorgan ermöglicht somit im Falle von wenigstens zwei externen Verdichter ^¬ entnahmen eine weitere, möglicherweise genauere Einstellung der Menge an Verdichterluft, welche dem Axialschubkolben wie auch dem Radiallager zugeführt wird.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Druckmesseinrichtung in die Zuleitung geschaltet ist, welche eine Bestimmung des Druckniveaus er- laubt, auf welchem die Verdichterluft dem Axialschubkolben zugeführt wird. Die Zuleitung erstreckt sich hierbei typi ^¬ scherweise von einem Plenum bzw. von mehreren Plena des Verdichters bis zu dem Axialschubkolben bzw. bis zu dem Radiallager. Die Zuleitung kann durch extern an dem Gehäuse der Gasturbine angebrachte Leitungen wie auch teilweise bereits bestehenden internen Leitungen ausgebildet sein. Die Druckmesseinrichtung erlaubt die Bestimmung des Druckniveaus, auf welchem die Verdichterluft dem Axialschubkolben zugeführt wird. Da die Druckmessung in der Zuleitung in direktem Ver- hältnis zu der über den Axialschubkolben auf den Rotor ausgeübten Schubkraft steht, kann somit eine Messgröße gewonnen werden, die Auskunft über den aktuellen Axialausgleichschub gibt. Mittels dieser Größe kann wiederum bei unterschiedli ^¬ chen Betriebsbedingungen ein gewünschter und geeigneter Axi- alausgleichschub eingestellt werden.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasturbine ist vorgesehen, dass der Axialschubkolben und das Radiallager zur Bereitstellung der Rotorlagerung im Bereich einer Lagerungsfläche miteinander in Kontakt sind.

Beide Bauteile wirken also lagerungstechnisch miteinander zusammen. Durch die unmittelbar benachbarte Anordnung beider Bauteile kann so auch eine thermische Kühlwirkung des einen Bauteils auf das andere erfolgen. Insbesondere kann der mit verhältnismäßig viel Verdichterluft angeströmte Axialschub ^¬ kolben zur thermischen Konditionierung des Radiallagers beitragen .

Nachfolgend soll die Erfindung anhand einzelner Figuren im Detail näher beschrieben werden. Hierbei ist darauf hinzuwei ^¬ sen, dass die Figuren lediglich schematisch zu verstehen sind und daraus keinerlei Einschränkung hinsichtlich der Ausführ- barkeit resultiert.

Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass die in den Figuren gezeigten technischen Merkmale, welche mit gleichen Bezugszei ^¬ chen versehen sind, auch gleiche technische Wirkung aufwei- sen.

Überdies ist darauf hinzuweisen, dass die nachfolgend be ^¬ schriebenen technischen Merkmale in beliebiger Kombination miteinander beansprucht werden sollen, wie auch in beliebiger Kombination mit den vorab beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung, soweit die daraus entstehende Kombination, die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe lösen kann.

Hierbei zeigen:

Figur 1 eine schematische Seitenschnittansicht durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasturbine ; Figur 2 eine schematische Schnittansicht durch eine weitere

Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasturbine.

Figur 1 zeigt eine seitliche Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasturbine 1, welche einen hinsichtlich eines Axialausgleichschubs in Axialrichtung A einstellbaren Rotor 2 aufweist. Bei Betrieb der Gasturbine 1 wird über den Ansaugkanal 15 Luft angesaugt, und nachfolgend in einzelnen Stufen des Verdichters komprimiert. Nach entsprechender Verbrennung mit einem Brennstoff sowie nachgelagerter Entspannung in einer Entspannungsturbine wird das Arbeitsmedium wieder über einen Abgasdiffusor 16, welcher im Bereich des hinteren Lagersterns 17 angeordnet ist, aus der Gasturbine 1 abgeführt. Der Rotor 2 ist frontseitig mit einem Axiallager 8 ausgestattet, welches dazu ausgebildet ist, die Axialschubkräfte aufzunehmen, bzw. auf den Rotor 2 entsprechende Gegenkräfte aufzubringen. Endständig weist die Gasturbine ein Radiallager 11 auf, welches gegen einen Axial- schubkolben 10 mittels Dichtungen 12 abgedichtet ist. Beide Bauteile, das Radiallager 11 sowie der Axialschubkolben 10 wirken lagerungstechnisch zusammen, indem etwa der Axialschubkolben 10 an einer Lagerfläche des Radiallagers 11 zu Lagerungszwecken angeordnet ist.

Wird die Gasturbine 1 nun in unterschiedlichen Betriebszu- ständen betrieben, kommt es zu einer Änderung des Axialschubs auf den Rotor 2 in Axialrichtung A. Hierbei sind durch das Axiallager 8 unterschiedliche Kräfte aufzunehmen bzw. es mag bei relativ tiefen Teillastbetriebsweisen auch zu einer Axialschubumkehr kommen. In einem solchem Fall ändert sich die Richtung des resultierenden Axialschubs von zunächst dem Verdichter zur Entspannungsturbine gerichtet, in eine Richtung, welche dieser genau entgegengesetzt gerichtet ist. Durch eine solche Axialschubumkehr kann es zu unerwünschten Schwingungen des Rotors 2 kommen, wodurch nicht nur das Axiallager 8 in Mitleidenschaft gezogen wird, sondern die gesamte Gasturbine 1 Schaden nehmen kann. Um nun den Rotor 2 mit einer geeigneten Ausgleichskraft zu beaufschlagen, weist die vorliegende Ausführungsform der Gasturbine 1 drei externe Verdichterentnahmen 3 auf, über welche Verdichterluft aus einzelnen Plena des Verdichters auf unter ^¬ schiedlichen Druckniveaus PI, P2 und P3 entnommen werden kann. Die Verdichterluftströme können in eine Zuleitung 5 eingeleitet und gemischt werden. Zur geeigneten Mischung der Einzelströme können etwa geeignete Ejektoren genutzt werden (vorliegend nicht gezeigt) . Um die Menge an Verdichterluft aus den einzelnen Plena 7 bei der Entnahme einstellen zu können, weist die vorliegende Erfindung jeweils ein Regelventil

4 auf, welches den externen Entnahmen 3 jeweils zugeordnet ist. Hiermit lassen sich die Größen der entnommenen

Verdichterluftströme aus den einzelnen Plena gezielt einstel ^¬ len. Der gemischte Strom an Verdichterluft kann vor Zuführung an den Axialschubkolben 10 wie auch das Radiallager 11 auch noch mit einer Kühleinrichtung 20 thermisch wechselwirken, wodurch die gerade genannten Bauteilen thermisch konditio- niert werden können. Dies ist besonders vorteilhaft, falls die entnommene Verdichterluft ein verhältnismäßig hohes Tem ^¬ peraturniveau aufweist, und somit ungeeignet wäre, in direk ^¬ ten Kontakt mit dem Radiallager 11 zu gelangen. Um den Gesamtstrom an Verdichterluft in der Zuleitung 5 geeignet einzustellen, ist ein Einstellorgan 6 in die Zuleitung

5 verschaltet, welches erlaubt, die Menge an Verdichterluft, welche dem Radiallager 11 sowie dem Axialschubkolben 10 zugeführt wird, nochmals zusätzlich einzustellen.

Das Einstellorgan 6 wie auch die Regelventile 4 werden aus ^¬ führungsgemäß durch eine Einstelleinheit 23 geeignet einge ^¬ stellt, die ihrerseits wiederum geeignete Messwerte berück ^¬ sichtigen kann. Die Messwerte können etwa über eine Messein- richtung 21 im Bereich des Axiallagers 8 geliefert werden, welche bspw. als Druck bzw. Kraft (=Schub) aufgenommen werden. Insbesondere kann so etwa der Axialschub an dem Axialla ^¬ ger direkt verfolgt werden. Ebenfalls kann die Einstellein ^¬ heit 23 die Messwerte einer Druckmesseinrichtung 30 berück- sichtigen, welche im Bereich des Lagersterns 17 der Gasturbi ^¬ ne 1 angebracht ist. Die Druckmesseinrichtung 30 erfasst hierbei den in dem Verdichterluftkanal vorherrschenden Druck, welcher direkt mit dem Druck auf den Axialschubkolben 10 korreliert ist. Der Verdichterluftkanal in dem Lagerstern 17 ist hierbei Teil der Zuleitung 5. Ist die Verdichterluft an den

Axialschubkolben 10 geführt, überträgt diese eine Ausgleichs ^¬ kraft (Ausgleichsschub) auf den Rotor 2. Anschließend strömt die Verdichterluft über die Dichtung 12 an das Radiallager 11 und sperrt dieses bzw. kühlt dieses zusätzlich, bzw. wird von dort etwa in die Umgebung abgeleitet.

Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsge- mäßen Gasturbine 1, welche sich von der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform lediglich dahingehend unterscheidet, dass nun in dem Lagerstern 17 zwei getrennte Fluidkanäle vorliegen, die dazu ausgebildet sind, die in die jeweiligen Kanäle ein ^¬ geleitete Verdichterluft jeweils an eines der Bauteile von Axialschubkolben 10 und Radiallager 11 zu führen. Beide Zuleitungen sind individuell mit einem Einstellorgan 6 versehen, so dass die beiden Kanäle jeweils mit unterschiedlichen Mengen an Druckluft versorgt werden können. Nachdem die

Druckluft an die Bauteile überführt wurde, kann diese entwe- der in vollständiger Entkopplung nicht gemischt werden bzw. in teilweiser Entkopplung wieder miteinander gemischt werden. So ist es etwa möglich, dass die dem Axialschubkolben 10 zugeführte Verdichterluft dem Radiallager wenigstens teilweise zugeführt wird. Hierbei würde etwa die Verdichterluft über die Dichtung 12 an das Radiallager 11 strömen. Ebenfalls ist denkbar, die Dichtung 12 so auszuführen, dass eine weitgehende fluidische Entkopplung beider Bauteile vorliegt, bzw. die Verdichterluft von den jeweiligen Bauteilen in unterschiedli ^¬ che Ableitungskanäle zur Ableitung aus der Gasturbine gelan- gen.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen .