Verfahren zum Betrieb einer Rotationsmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Rotationsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine gattungsgemäße Rotationsmaschine ist beispielsweise in der WO 00/28190 AI beschrieben. Gemäß dieser Veröffentlichung ist die Rotationsmaschine eine Gasturbine axialer Bauart, mit den üblicherweise vorhandenen Komponenten Verdichter, Brennkammer, Turbine sowie einem gemeinschaftlichen Rotor für Verdichter und Turbine. Die bekannte Gasturbine umfasst ein ver- dichterseitiges Axiallager mit einer Hauptspur und einer Nebenspur zur axialen Positionierung des Gasturbinenrotors. Hauptspur und Nebenspur können dabei an einer Seitenfläche eines jeweiligen Wellenbunds unter Ausbildung eines hydro ^¬ dynamischen Gleitfilms aus Hydrauliköl anliegen. Welche der beiden Spuren die axiale Lage des Rotors vorgibt, ist dabei betriebsabhängig. Eine dafür geeignete hydraulische Steuerung ist aus der EP 1 479 875 AI bekannt. Dabei kann mit Hilfe ei ^¬ nes 4/2-Wegeventils entweder die Hauptspur oder die Nebenspur druckbeaufschlagt werden, je nachdem, ob der Rotor axial ver- schoben werden soll oder nicht.

Dazu alternative Axiallager gehen aus WO 91/02174 AI und aus der US 5,795,073 hervor. Im bestimmungsgemäßen Betrieb der Gasturbine liegt die Sei ^¬ tenfläche des ersten Wellenbunds an der Hauptspur des Axial ^¬ lagers an, da die im Turbinenbereich auf den Rotor axial einwirkenden Strömungskräfte des Heißgases größer sind als die Strömungskräfte im Verdichter und somit diesen stetig vom Verdichter in Richtung Turbineneinheit schieben. Die Nebenspur ist anstelle der Hauptspur dann im Kraftfluss des Axial ^¬ lagers, wenn der Rotor der Gasturbine vom Stillstand auf Nenndrehzahl beschleunigt wird. Während dieses Hochfahrens tritt eine auf den Gasturbinenrotor axial wirkende resultie ^¬ rende Schubkraft auf, die entgegengesetzt zur Betriebs-Schub ^¬ kraft gerichtet ist, nämlich von der Turbineneinheit in Rich ^¬ tung Verdichter. Etwas vor Erreichen der Nenndrehzahl ändert sich die aktuelle Schubrichtung schlagartig, so dass dann die Axialpositionierung des Rotors von der Nebenspur auf die Hauptspur wechselt.

Das vorbekannte Axiallager ist zudem mit axial verschiebli- chen Lagerelementen ausgestattet, um den Rotor während des stationären Betriebs der Gasturbine entgegen der Strömungs ^¬ richtung des Heißgases zu verschieben und damit Radialspalte in der Turbine zwischen Laufschaufelspitzen und einer diesen gegenüberliegenden Gehäusewand zu minimieren.

Es hat sich gezeigt, dass Betriebszustände beim Betrieb der Gasturbine auftreten können, die zu Axialschwingungen des Rotors führen. Diese Axialschwingungen können schlechtesten- falls zur Schädigung des Axiallagers oder von im Kraftfluss befindlichen Bauteilen führen, sofern die Amplituden der Axialschwingungen eine kritische Größe überschreiten. Die Axialschwingungen werden zumeist durch einen innerhalb der Brennkammer ablaufenden instabilen Verbrennungsprozess hervorgeru ^¬ fen. Die Ursachen der Instabilität sind häufig vielfältig und nicht kausal vorhersagbar.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens zum Betrieb einer Rotationsmaschine, bei welchem die Axialschwingungen des Rotors gedämpft oder gar vermieden wer- den.

Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird mit einem sol ^¬ chen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Rotationsmaschine mit einem in einem Lager gelagerten Rotor, welcher Rotor zu einem Betriebszeitpunkt einer hauptsächlich in nur einer Axialrichtung - d.h. Hauptschubrichtung - wirkenden Schubkraft ausgesetzt ist und welche Schubkraft von einem ersten Spurlager des Lagers über Gleitmittel aufgenommen und abgeleitet wird, wobei das Lager ein zweites Spurlager auf ^¬ weist, wird während dem Auftreten der Schubkraft zumindest zeitweise gleichzeitig das zweite Spurlager so angesteuert, dass es über den Rotor eine in Hauptschubrichtung wirkende Kraft auf das erste Spurlager erzeugt.

Die Erfinder haben erkannt, dass mit Hilfe der jeweils unbe ^¬ lasteten Spur - also dem zweiten Spurlager - die Möglichkeit besteht, beim Auftreten von Axialschwingungen auch das zweite Spurlager in Eingriff mit dem Rotor zu bringen und dadurch eine Dämpfung der Axialschwingungen über die Reduktion des Axialspiels an der belasteten - also dem ersten Spurlager - zu erreichen. Insofern wird der Rotor der Rotationsmaschine trotz Vorhandensein einer zum Zeitpunkt in nur einer Axialrichtung wirkenden Schubkraft zusätzlich mit einer weiteren, in der gleichen Richtung wirkenden Kraft beaufschlagt, um die Neigung des Rotors zum Schwingen zu verringern. Obwohl dadurch das erste Spurlager mit einer höheren Kraft beaufschlagt wird als durch die Schubkraft erzeugt, wird es übli ^¬ cherweise dadurch nicht überlastet. Mit dem Verfahren kann sichergestellt werden, dass zwar nicht die Ursache der Axial ^¬ schwingungen des Rotors, jedoch deren Eigenschaften signifikant verändert werden: die Amplitude der Axialschwingungen wird begrenzt. Dies vermeidet zuverlässig Schädigungen des Lagers oder von im Kraftfluss befindlichen Bauteilen.

Vorzugsweise ist das Lager und somit die beiden Spurlager je ^¬ weils als hydrodynamisches Gleitlager ausgestaltet, bei dem die kraftschlüssige Kopplung von Spurlager und Rotor durch das Einspeisen eines Hydrauliköls in den zwischen Spurlager und Rotor vorhandenen Axialspalt erreicht wird.

Besonders bevorzugt wird das Verfahren während eines instati ^¬ onären Betriebszustands und/oder während eines Teillastbe- triebs einer als Turbomaschine ausgestalteten Rotationsma ^¬ schine durchgeführt. Insbesondere bei stationären Gasturbi ^¬ nen, bei denen üblicherweise eine in Axialrichtung wirkende Schubkraft auf den Rotor auftritt, können bei instationären Betriebszuständen, wie z.B. dem Anfahren der Gasturbine aus dem Stillstand bis auf Nenndrehzahl, Axialschwingungen auftreten. Auch bei niedriger Teillast können derartige Schwin- gungszustände auftreten. Insofern ist es von Vorteil, wenn lediglich während dieser Betriebszustände auch das zweite Spurlager kraftschlüssig mit dem Rotor verbunden ist. Übli ^¬ cherweise ist im Volllastbetrieb das zweite Spurlager nicht kraftschlüssig an den Rotor gekoppelt, sondern lediglich nur das erste Spurlager, da in diesem Betriebszustand Axial ^¬ schwingungen in der Regel nicht auftreten. Das spart die zur Versorgung des zweiten Spurlagers mit Hydraulikmittel benö ^¬ tigte Energie.

Weiter bevorzugt werden die Axialschwingungen des Rotors von einem Messaufnehmer erfasst und mit einem Grenzwert vergli- chen. Vorzugszweise wird erst bei Grenzwertüberschreitungen die vorgeschlagene Dämpfung des Rotors aktiviert, indem gleichzeitig das zweite Spurlager so angesteuert, dass es über den Rotor eine in Hauptschubrichtung wirkende Kraft auf das erste Spurlager erzeugt.

Selbstverständlich ist das Verfahren auch durchführbar vor, während und/oder nach einer Axialverschiebung des Rotors.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines hydraulischen Axiallagers beschrieben. Selbstverständlich ist es auch möglich, die beiden Spuren des Axiallager durch zwei entgegengesetzt wirkende magnetische Axiallager zu ersetzen, die ent ^¬ sprechend der Erfindung gleichzeitig entgegengesetzte Schub ^¬ kräfte auf den zu lagernden Rotor beim Auftreten von Axial- Schwingungen erzeugen können. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus einem Ausführungsbeispiel, welches in den angehangenen Figu ^¬ ren näher beschrieben ist. Es zeigen: FIG 1 eine stationäre Gasturbine in einem Längsteilquer ^¬ schnitt,

FIG 2 einen Längsschnitt durch ein Lager einer Rotations ^¬ maschine mit einem ersten und einem zweiten Spur- lager,

FIG 3 das Hydrauliksystem zur Betätigung des hydraulischen Axiallagers nach FIG 2 und FIG 4 einen elektrischen Schaltplan zu Ansteuerung des

Hydrauliksystems nach FIG 3.

In allen Figuren sind identische Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt eine stationäre Gasturbine 10 in einem Längs ^¬ teilschnitt. Die Gasturbine 10 weist im Innern einen um eine Rotationsachse 12 drehgelagerten Rotor 14 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 14 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 16, ein Verdichter 18, eine to- rusartige Ringbrennkammer 20 mit mehreren rotationssymmet ^¬ risch zueinander angeordneten Brennern 22, eine Turbineneinheit 24 und ein Abgasgehäuse 26.

Der Verdichter 18 umfasst einen ringförmig ausgebildeten Verdichterkanal 25 mit darin kaskadisch aufeinanderfolgenden Verdichterstufen aus Laufschaufei- und Leitschaufelkränzen. Die am Rotor 14 angeordneten Laufschaufeln 27 liegen mit ih- ren frei endenden Schaufelblattspitzen 29 einer äußeren Kanalwand des Verdichterkanals 25 gegenüber. Der Verdichter ^¬ kanal 25 mündet über einen Verdichterausgangsdiffusor 36 in einem Plenum 38. Darin ist die Ringbrennkammer 20 mit ihrem Verbrennungsraum 28 vorgesehen, der mit einem ringförmigen Heißgaskanal 30 der Turbineneinheit 24 kommuniziert. In der Turbineneinheit 24 sind vier hintereinander geschaltete Tur ^¬ binenstufen 32 angeordnet. Am Rotor 14 ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (jeweils nicht dargestellt) angekoppelt.

Im Betrieb der Gasturbine 10 saugt der Verdichter 18 durch das Ansauggehäuse 16 als zu verdichtendes Medium Umgebungs ^¬ luft 34 an und verdichtet diese. Die verdichtete Luft wird durch den Verdichterausgangsdiffusor 36 in das Plenum 38 geführt, von wo aus es in die Brenner 22 einströmt. Über die Brenner 22 gelangt auch Brennstoff in den Verbrennungsraum 28. Dort wird der Brennstoff unter Zugabe der verdichteten Luft zu einem Heißgas M verbrannt. Das Heißgas M strömt an- schließend in den Heißgaskanal 30, wo es sich arbeitsleistend an den Turbinenschaufeln der Turbineneinheit 24 entspannt. Die währenddessen freigesetzte Energie wird vom Rotor 14 auf ^¬ genommen und einerseits zum Antrieb des Verdichters 18 und andererseits zum Antrieb einer Arbeitsmaschine oder elektri- sehen Generators genutzt.

Ein verdichterseitiges Lager 39 zur Lagerung des Rotors 14 ist in Figur 1 lediglich schematisch dargestellt. In FIG 2 ist das Lager 39 in einem Längsschnitt im Detail dargestellt. Das Lager 39 umfasst einen zentralen Lagerkörper 40, in dem zwei Axiallager 47, 49 und ein Radiallager 41 vorgesehen sind. Die Axiallager 47, 49 sind dabei als Haupt ^¬ spurlager und als Nebenspurlager ausgebildet. Die beiden Axi- allager 47, 49 werden nachfolgend kurz als Hauptspur 47 bzw. Nebenspur 49 oder gemeinsam als Spuren 47, 49 bezeichnet. Alle Lager 41, 47, 49 sind als hydrodynamische Gleitlager aus ^¬ gebildet . Die Hauptspur 47 umfasst einen Elementträger 51 und mehrere darin sitzende, über den Umfang verteilte Lagerelemente 46, welche jeweils eine Lagerfläche 50 besitzen. Die Lagerflächen 50 der Lagerelemente 46 sind der seitlichen Rotorfläche 42 unmittelbar benachbart. Ebenso umfasst die Nebenspur 49 einen Elementträger 53 mit mehreren, über den Umfang verteilten Lagerelementen 48, die jeweils eine der seitlichen Rotorfläche 44 gegenüberliegende Lagerfläche 52 besitzen. Die Lager- elemente 46, 48 können dabei durch auf die Elementträger 51, 53 einwirkendes Hydraulikmittel an die Rotorflächen 42, 44 zur Axiallagerung des Rotors 14 angepresst werden.

Zur Betätigung der beiden Spurlager 43, 45 ist ein Hydrauliksystem 60 (FIG 3) vorgesehen, mittels welchem sowohl bei verschobenem als auch bei nicht verschobenem Rotor 14 eine erfindungsgemäße Dämpfung von Axialschwingungen aktivierbar ist. Dieses Hydrauliksystem 60 umfasst neben einem Tank 62 für das Hydraulikmittel 61 ein Leitungssystem zum Verbinden des Tanks 62 mit einem Versorgungsanschluss 64 der Hauptspur 47 und einem Versorgungsanschluss 64 der Nebenspur 49. Für jede Spur 47, 49 ist eine Versorgungsleitung 68, 70 mit einer Vielzahl an Ventilen zur Steuerung vorgesehen. Eine erste Pumpe Pi kann das Hydraulikmittel 61 mit einem höheren Druck pl bereitstellen als eine zweite Pumpe P ₂ . Letztere stellt Hydraulikmittel 61 mit einem geringeren Druck p ₂ bereit. Die Einstellung der Drücke pi, P2 erfolgt mit Hilfe von Druckbe ^¬ grenzungsventilen 72, 74, deren eingangsseitigen Anschlüsse mit den ausgangsseitigen Anschlüssen der Pumpen Pi, P2 verbunden sind. Die Druckbegrenzungsventile 72, 74 führen das überschüssige Hydraulikmittel 61 zurück in den Tank 62.

Ein 4/2-Wegeventil V ₁ 2, welches mit den Ausgang der Pumpe Pi eingangsseitig verbunden ist, kann Hydraulikmittel 61 mit hö- herem Druck pi bei aktiviertem elektrischem Antrieb Ki über ein Wechselventil V ₇ der Hauptspur 47 oder bei aktiviertem elektrischem Antrieb K2 über ein Wechselventil Vg der Neben ^¬ spur 49 zuführen. Mit Hilfe von zwei 3/2-Wegeventilen V3, V ₄ kann mit dem Auftreten oder nach dem Auftreten von unzulässig großen Axialschwingungsamplituden des Rotors 14 die nicht mit einem hohen Druck pi versorgte Spur 47, 49 über das entsprechende Wechselventil V ₇ , Vg Hydraulikmittel 61 mit niedrige ^¬ rem Druck P2 zugeführt werden. Zur Aktivierung der 3/2- Wegeventile V3, V4 ist der jeweils zugehörige elektrische An ^¬ trieb K3 bzw. K ₄ zu betätigen.

Aus den Spuren 47, 49 zurückfließendes Hydraulikmittel, was bei der Deaktivierung der Axialverschiebung des Rotors 14 oder bei der Deaktivierung der Dämpfung auftritt, wird über die zu den Wechselventilen V ₇ und Vg jeweils parallelgeschal ^¬ teten 2/2-Wegenventile V ₅ , ^" 6 und anschließend über das 4/2- Wegeventil V ₁ 2 in den Tank 62 zurückgeführt.

Die Ventile V3, V ₄ , V ₅ , ^" 6 werden über Federkraft zurückge ^¬ stellt bei deaktivierten, elektrischen Antrieben K _x . Üblicherweise sind die elektrischen Antriebe als elektromagneti ^¬ sche Spulen ausgebildet.

FIG 4 zeigt zudem das elektrische Schaltbild zur Ansteuerung der elektrischen Antriebe Ki bis Ke des Hydrauliksystems 60. Das Schaltbild umfasst sechs Strompfade SPl bis SP6. Durch Betätigen eines Schalters Sl wird von einem Betrieb mit nicht verschobenem Rotor 14 zu einem Betrieb mit verschobenem Rotor 14 umgeschaltet. Durch die Betätigung eines Schalters S2 kann die Dämpfung des Rotors 14 aktiviert werden, was nachfolgend noch näher erläutert wird. Beim Hochfahren der Gasturbine 10 wird der Gasturbinenrotor 14 von 0 min ^-1 bis auf Nenndrehzahl beschleunigt. Währenddes ^¬ sen und auch im Betrieb der Gasturbine 10 treten sowohl im Verdichter 18 als auch in der Turbineneinheit 24 Strömungs ^¬ kräfte auf, die auf den Rotor 14 einwirken. Deren axialen Komponenten sind einander gegengerichtet und kompensieren sich teilweise. Beim Hochfahren schiebt die resultierende axiale Strömungskraft den Rotor 14 anfänglich in Richtung des Ansauggehäuses 16. Erst mit dem Erreichen einer Umschlag- Drehzahl, die etwas unterhalb der Nenndrehzahl liegt, dreht sich die resultierende axiale Schubkraft schlagartig um, so dass der Rotor 14 dann in Richtung Abgasgehäuse 26 schiebt. Auch im bestimmungsgemäßen Betrieb der Gasturbine wird der Rotor 14 von den Strömungskräften des Heißgases M in diese Richtung geschoben. Diese Richtung wird als Hauptschubrichtung bezeichnet.

Während des Hochfahrens und auch im Betrieb der Gasturbine 10 liegt ein Film aus Hydraulikmittel 54 zwischen dem Rotor 14 und dem Radiallager 41 an.

Solange der Rotor 14 entgegen der Hauptschubrichtung schiebt, sind zu dessen Axiallagerung die beiden Flächen 44, 52 lediglich durch einen dünnen Film aus einem Hydraulikmittel, bei- spielsweise Hydrauliköl oder Turbinenöl, getrennt. Der Rotor 14 und die Nebenspur 49 sind dann kraftschlüssig verbunden, wohingegen zwischen der Lagerfläche 50 und der Rotorfläche 42 ein Luftspalt (nicht in FIG 2 dargestellt) vorhanden ist. Dies bedeutet, dass eine kraftschlüssige Kopplung der Haupt- spur 47 mit dem Rotor 14 dann nicht gegeben ist.

Nach dem Erreichen der Umschlag-Drehzahl wechselt die Axiallagerung von der Nebenspur 49 auf die Hauptspur 47. Dazu bildet sich zwischen Lagerfläche 50 und Rotorfläche 42 ein hyd- rodynamisch wirkender Film aus dem Hydraulikmittel aus.

Gleichzeitig wird die Nebenspur 49 unbelastet, indem ein Luftspalt 55 zwischen Lagerfläche 52 und Rotorfläche 44 auf ^¬ tritt (dargestellt in FIG 2) . Zu diesem Zeitpunkt ist weder Schalter Sl noch Schalter S2 betätigt, so über den Stromkreis SP2 allein Antrieb K2 akti ^¬ viert ist.

Das Lagerelement 46 ist zur Einstellung von Radialspalten axial verschieblich, wobei zur Axialverschiebung in dem Lager 39 ein Ölraum 56 angeordnet ist, dem durch Betätigen des Schalters Sl Hydrauliköl mit einem höheren Druck pi einspeis— bar ist, so dass eine synchrone axiale Verschiebung von Ele ^¬ mentträger 51 und Lagerelementen 46 erreicht wird. Der höhere Druck pi wird dadurch erreicht, dass das Druckbegrenzungsventil 72 entsprechend eingestellt ist. Der Elementträger 51 weist zum Ölraum 56 hin an einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser jeweils einen Dichtring auf. Auch das Lager- element 48 und der mit ihm zusammenwirkende Elementträger 53 sind ebenso axialverschieblich ausgebildet.

Für den Fall, dass der Rotor 14 aufgrund von Verbrennungsin- Stabilitäten im Teillastbetrieb der Gasturbine 10 zu Axial ^¬ schwingungen neigt, kann zusätzlich zu der im Kraftfluss befindlichen (belasteten) Hauptspur 47 als erstes Spurlager 43 die Nebenspur 49 als zweites Spurlager 45 durch gleichzeiti ^¬ ges Zuführen des Hydraulikmittels auch in den Spalt zwischen Lagerfläche 52 und Rotorfläche 44 kraftschlüssig gekoppelt werden mit dem Ziel, das Axialspiel des Rotors 14 zu verrin ^¬ gern. Dazu ist ein derartig großer Druck im Hydraulikmittel des zweiten Spurlagers 45 erforderlich, dass eine zusätzlich in Hauptschubrichtung des Rotors 14 wirkende Kraft vom zwei- ten Spurlager 45 über den Rotor 14 auf das erste Spurlager 43 erzeugt wird. Diese Kraft dämpft und begrenzt beim Auftreten von Axialschwingungen das Zurückpendeln des Rotors 14 entgegen der Strömungsrichtung des Heißgases M. Dadurch können Schädigungen sowohl am Rotor 14 als auch an den im Kraft- schluss befindlichen Lagerbauteilen der Gasturbine 10 sicher vermieden werden. Um dies zu erreichen, wird S2 manuell oder selbsttätig bei Überschreiten einer unzulässig großen Axial ^¬ schwingung betätigt, wodurch der Antrieb K ₄ dann das Ventil V ₄ betätigt. Nach der Beendigung des Axialschwingungsdämp- fungsschrittes wird S2 deaktiviert, wodurch der Antrieb Ke das Ventil V6 betätigt. Dadurch kann das Hydraulikmittel der Nebenspur 49 über die Leitung 70, die Ventil V6 und Vi ₂ in den Tank 62 abfließen.

Sofern während des Hochfahrens Axialschwingungen auftreten, können diese gedämpft werden, indem zu der bereits belasteten Nebenspur 49 die Hauptspur 47 zugeschaltet wird. In diesem Fall ist der Schalter Sl unbetätigt und der Schalter S2 betä ^¬ tigt. Die Hauptspur 47 erzeugt dann eine zusätzliche Kraft, welche über den Rotor 14 die Nebenspur 49 weiter belastet.

Selbstverständlich ist das Verfahren nicht nur bei Gasturbinen anwendbar, sondern auch bei anderen Rotationsmaschinen. Insgesamt betrifft die Erfindung somit ein Verfahren zum Be ^¬ trieb einer Rotationsmaschine mit einem in einem Lager 39 ge ^¬ lagerten Rotor 14, welcher Rotor 14 zu einem Betriebszeitpunkt einer hauptsächlich in nur einer Axialrichtung wirkenden Schubkraft ausgesetzt ist und welche Schubkraft von einem ersten Spurlager 43 des Lagers 39 über Gleitmittel aufgenommen und abgeleitet wird, wobei das Lager 39 ein zweites Spur ^¬ lager 45 aufweist. Um Verfahren anzugeben, bei welchem die Axialschwingungen des Rotors 14 gedämpft oder gar vermieden werden, wird vorgeschlagen, dass während dem Auftreten der Schubkraft zumindest zeitweise gleichzeitig das zweite Spur ^¬ lager 45 eine in Schubrichtung wirkende Kraft auf das erste Spurlager 43 erzeugt wird. Hierdurch wird der Rotor 14 - in Axialrichtung gesehen -verspannt, wobei er währenddessen selbstverständlich weiterhin drehbar gelagert ist.