Gasturbinenanlage. Die Erfindung bezieht sich auf eine Gas turbinenanlage, bei der ein Arbeitsmittel in mindestens einem Turbogebläse verdichtet und nach Erhitzung in mindestens einer Turbine wieder entspannt wird und besteht darin, dass mindestens eine der genannten Maschinen als Achsialmaschine ausgebildet ist und mindestens für einen Teil der Schau felkränze dieser achsialen Maschine die Schaufeln derart ausgebildet sind,
dass für jede Schaufelhöhe sowohl das Produkt aus dem Mittelwert der Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmit tels und dem Radius als auch das Produkt aus dem Mittelwert der Meridiankomponente der Strömungsgeschwindigkeit und dem spe zifischen Gewicht mindestens angenähert konstant ist. Dabei kann das Turbogebläse mindestens einen Zwischenkühler und die Turbine mindestens einen Zwischenerhitzer aufweisen. Die Erhitzung des Arbeitsmittels kann mindestens teilweise durch Rekupera- tion erfolgen. Schliesslich kann der Reak tionsgrad für mindestens einen Teil der Schaufeln in halber Schaufelhöhe über 50 betragen.
Ein Beispiel des Erfindungsgegenstandes ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Plan der Anlage; Fig. 2 stellt Geschwindigkeitsdreiecke für irgend einen Punkt einer Turbinenschau fel dar; Fig. 3 veranschaulicht in Ansicht einen Schaufelkranz und Fig. 4 bis 6 verschiedene Schnitte der Schaufeln einer Stufe nach Fig. 3; schliess lich zeigt Fig. 7 einen achsialen Schnitt durch einige aufeinanderfolgende Turbinenstufen.
Bei einer Gasturbinenanlage nach der Er findung iFig. 1) tritt die Luft durch die Leitung 1 in das achsiale Turbogebläse 2 ein, wird in mehreren Stufen verdichtet, wo bei zwischen zwei mittleren Stufen durch einen Zwischenkühler 3 der dort teilweise verdichteten Luft Wärme entnommen wird. Die verdichtete Luft gelangt dann in den Rekuperator 4, wo eine Vorerwärmung der verdichteten Luft durch die Abgase der An lage stattfindet. Darauf wird die Luft in der Verbrennungskammer 5 durch Verbren nung weiter erwärmt.
Die noch nicht zur Verbrennung ver wendete Luft und das Verbrennungsgas ge langen gemeinsam in die Turbine 6, welche den Verdichter \? antreibt. In einem Zwi schenerhitzer 7 werden die Abgase der Tur bine 6 wieder erhitzt und gelangen dann in die zweite Turbine 8, welche einen Strom erzeuger 9 treibt. Die entspannten Arbeits gase strömen aus der Turbine 8 in den Reku- perator 4 und aus diesem zu allfälligen weitern Verbrauchsstellen oder ins Freie. Das Aggregat bestehend aus Gebläse \? und Turbine 6 läuft zweckmässig mit höherer Drehzahl als die Turbine B.
Ist nur eine Turbine vorgesehen, die gleichzeitig das Ge bläse und den Generator treibt, so kann es vorteilhaft sein, zwischen Turbine und Ge bläse ein Zahnradgetriebe einzuschalten, derart, dass das Gebläse schneller läuft als die Turbine.
Das Dreieck links in Fig. ? stellt die Ge schwindigkeitsverhältnisse am Eintritt in ein Laufrad und das Dreieck rechts die Ge schwindigkeitsverhältnisse am Austritt aus einem Laufrad da.r.
Es bedeutet: C, die absolute Eintrittsgeschwindigkeit in das Laufrad; C@ die absolute Austrittsgeschwindigkeit aus dem Lauf ra.d W, die relative Eintrittsgeschwindigkeit in das Laufrad; IU- die relative Austrittsgeschwindigkeit aus dem Laufrad; zc die U mfangsgesehivindigheit des Rades Ca, die Meridiankomponente von C, ;
Cal die Meridiankomponente von C.=; C", die I mfangskomponente von C,; C"2 die Umfangskomponente von C.=; TV", die Umfangskomponente von TV, ; TK" 2 die Umfangskomponente von r den für das betreffende Geschwindig keitsdreieck massgebenden Drehungs radius;
y, das spezifische Gewicht. des Arbeits mittels an derjenigen Stelle des Lauf rades, für welche das betreffende Ein- trittsgeschwindigkeitsdreieck gilt.; y._ das spezifische Gewicht des Arbeits mittels an derjenigen Stelle des Lauf rades, für welche das betreffende Aus trittsgeschwindigkeitsdreieck gilt. Da alle diese Geschwindigkeiten und Dichten auf ein und demselben Drehkreis streng genommen nicht konstant sind infolge der endlichen Schaufelteilung, sind im vor liegenden Falle immer die integralen Mittel- werte zu nehmen.
Die gemäss der Erfindung gestellte Be dingung ergibt sich wie folgt:
EMI0002.0042
<I>1. <SEP> C", <SEP> X <SEP> r <SEP> =</I> <SEP> konstant <SEP> für <SEP> alle <SEP> vorkommen den <SEP> Werte <SEP> von <SEP> r;
<tb> <I>2. <SEP> C", <SEP> X <SEP> r</I> <SEP> = <SEP> konstant <SEP> für <SEP> alle <SEP> vorkommen den <SEP> Werte <SEP> von <SEP> r;
<tb> <I>B. <SEP> C;" <SEP> X <SEP> y,</I> <SEP> = <SEP> konstant <SEP> für <SEP> alle <SEP> vorkommen den <SEP> Werte <SEP> von <SEP> r <SEP> bezw. <SEP> y,;
<tb> 4. <SEP> Ca., <SEP> X <SEP> y, <SEP> = <SEP> konstant <SEP> für <SEP> alle <SEP> vorkommen den <SEP> Werte <SEP> von <SEP> r <SEP> bezw <SEP> 72.
Man erkennt rrus den CTleicbungen 1 und 2, dass die Bedingung auch wie folgt formuliert werden kann.
,a. (TT'", -j- ll'"_) <I>X r</I> = konstant.
Durch die Gleichung 5 ist aber zum Aus druck gebracht, dass das Produkt aus der Leistungsstrecke und dem Drehungsradius für jeden Wert des 'Radius Bleichgross sein muss.
Da die Umfangsgeschwindigkeit u pro- poirtiona.l r ist, folgt aus Gleichung 5 auch 6 (Tj'", -i-- TU":) X ic = konstant. Durch das auf der linken Seite dieser Gleichung ste llende Produkt i,t Bach der Eul.er'schen Momentgleichung direkt die Leistungsum setzung gegeben, so dass aus der Konstanz dieser Grösse für eine Stufe tatsächlich die korrekte Arbeitsweise für jeden Radius der Stufe folgt.
Sinngemäss gelten die gleichen Bedin gungen auch für ein Achsialgebläse. Die Be ziehungen werden nicht wesentlich gestört, wenn die Durchströmrichtung infolge Er weiterung der mittleren Durchmesser von Stufe zu Stufe von der Achsialrichtung leicht abweicht.
In Fig. 3 sind beispielsweise drei ver schiedene Drehungskreise 11, 12 und 13 eines Schaufelkranzes zur Darstellung ge bracht, deren zugehörige Drehungsradien mit r. bezw. r' bezw. r" bezeichnet sind.
Unter den drei Radien mögen folgende Bedingungen gelten: r' = 0,8 rm ri. = 1,2 rn, Ferner habe das. Arbeitsmittel auf dem Umfang des greises 12 die spezifische Dichte: y i = 0,9 Yim Y@z = Yzm und am greis 13 die Dichte: Y", = 1,1<B>Im</B> Y". = Y2.
Die Schaufelschnitte und die zugehörigen Eintritts- und Austrittsgeschwindigkeiten längs der greise 11, 12 und 13 sind durch die Fig. 4, 5 und 6 zur Darstellung gebracht.
Gemäss der Erfindung müssen dann. die folgenden Bedingungen mindestens ange nähert erfüllt sein:
EMI0003.0030
C.'1 <SEP> =1,25 <SEP> Culm <SEP> <I>C. <SEP> ',r'</I> <SEP> = <SEP> 1,25 <SEP> Cu,.. <SEP> # <SEP> 0,8 <SEP> r,u <SEP> = <SEP> Cuimrm
<tb> C"", <SEP> = <SEP> <B>0,833</B> <SEP> Cnim <SEP> <I>Cn"ir"</I> <SEP> = <SEP> 0,833 <SEP> Cni. <SEP> # <SEP> 1,2 <SEP> r. <SEP> = <SEP> Culmrm
<tb> C"'_ <SEP> =1,25 <SEP> C"m <SEP> <I>C. <SEP> ,r'</I> <SEP> = <SEP> 1,25 <SEP> Cuzm <SEP> # <SEP> 0,8 <SEP> r.
<SEP> = <SEP> Cnzmrm
<tb> Ca", <SEP> = <SEP> 0,833 <SEP> Cuzm <SEP> <I>Ci'zr"</I> <SEP> = <SEP> 0,833 <SEP> Cuzm <SEP> 1,2 <SEP> rm <SEP> = <SEP> Cumrm
<tb> Ca'i <SEP> =1,11 <SEP> Caim <SEP> <I>Ca <SEP> ,Y <SEP> 1</I> <SEP> =1,11 <SEP> Caim <SEP> ' <SEP> 0,9 <SEP> Ylm <SEP> = <SEP> CaimYim
<tb> C."1 <SEP> = <SEP> 0,91 <SEP> Cal. <SEP> Ca'ly"i <SEP> = <SEP> 0,91 <SEP> Caim <SEP> # <SEP> 1,10 <SEP> Y,.= <SEP> <B>CalmY1m</B> Ferner muss, weil: <I>y</I>% -7"2 -721n auch Ca'-- =Ca"., =C a2m erfüllt sein.
Da die Laufschaufeln grossen Bean spruchungen unterliegen, wenn sie eine er hebliche Länge aufweisen, empfiehlt es sich, sie vom Fuss nach der Spitze hin zu verjün gen. Gemäss F'ig. 7 ist dann der achsiale Spalt zwischen dem Austritt des Leitrades und dem Eintritt des Laufrades radial ge richtet, das heisst er befindet sich in einer zur Wellenachse senkrechten Ebene. Der Spalt zwischen dem Austritt aus dem Lauf rad und dem Eintritt in das nachfolgende Leitrad wird entsprechend schief gelegt. Die radiale Ausdehnung hat den Vorteil, dass das Gleichgewicht der Strömung im Spalt nicht gestört wird.
In den schräg gerichteten Spalten ist die Umfangskomponente gewöhn lich so klein, dass auch eine schiefe Richtung des Spaltes wenigstens keine bedeutenden Energieverluste verursachen kann.
Der Wirkungsgrad lässt sieh dadurch noch weiter steigern, dass der Reaktionsgrad der Turbine ungefähr im Bereich -der mittleren Schaufelhöhe (greis 11, Fig. 3) höher als <B>50A</B> gewählt wird. Der Reaktionsgrad ist als Verhältnis der im Laufrad umgesetzten Wärmeenergie zum gesamten in der Stufe verarbeiteten Wärmegefälle definiert und ist, wenn die geforderten Bedingungen er füllt sind, in verschiedenen Schaufelhöhen verschieden.