Gasturbinenanlage. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit einem Rotations-Strö- mungskompressor, und sie bezweckt, die volu- metrische Kapazität., das heisst den Massen- durchfluss eines solchen Kompressors im Ver hältnis zu seiner Grösse und seinem Gewicht gegenüber bekannten Ausführungen zu er höhen.
Bei Kompressoren, die in Flugzeug-Gas- turbinenanlagen verwendet werden, ist es be sonders wichtig, den grösstmöglichen Massen durchfluss pro Stirnflächeneinheit zu gewähr leisten, damit die Maschine bei einem be stimmten spezifischen Brennstoffverbrauch das grösstmögliche Leistung/Gewicht-Verhält- nis aufweist..
Bei einem Strömungskompressor hängt der Massendurchfluss ausser von der Luftdichte, von der Axialgeschwindigkeit des durch den Einlassring angesaugten Mediums und vom Querschnitt dieses Einlassringes ab. Ein hoher Massendurchfluss kann bis zu einem gewissen Grad durch Vergrösserung der genannten Axialgeschwindigkeit und des Einlassring- querschnittes erreicht werden.
Die obere Grenze der Vergrösserung der genannten Werte ist aber dann gegeben, wenn ,die Ge- sehwindigkeit des angesaugten Mediums re lativ zu den Spitzen der Laufschaufeln die lokale Sehallgesehwindigkeit erreicht.
Vom Aninelder wurde schon vorgeschla gen, zwecks weiterer Vergrösserungen des Mas- sendurehflusses eines Zentrifugalkompressors ohne die höchstzulässige Machzahl relativ zu den Laufschaufeln zii überschreiten, festste hende Leitschaufeln zu verwenden, die derart ausgebildet sind, dass sie dem Medium, bevor dieses in die Schaufelkanäle eintritt, einen Drall in der Rotationsrichtung des Rotors er teilen. Obwohl auf diesem Weg eine beträcht liche Erhöhung des Massendurchflusses mög lich ist, wird dadurch die Förderhöhe des Kompressors herabgesetzt.
Gemäss der vorliegenden Erfindung ist demgegenüber vorgesehen, dem Fluidum mit tels rotierender Schaufeln einen Drall zu er teilen, welche Schaufeln mit. geringerer Dreh zahl als das Zentrifugallaufrad des Kompres- sors rotieren. Dies bringt. den Vorteil, dass die unvermeidliche Herabsetzung der Förderhöhe des Kompressors bedeutend kleiner ist als im vorgenannten Fall, und zwar weil die Drall erzeugung mittels rotierender Schaufeln unter Leistungsabgabe an das Fluidum erfolgt.
In der britischen Patentschrift Nr. 579780 (Sharple5 Jones) wurde für einen Zentrifu gal- oder Axialkompressor vorgeschlagen, vor dem Laufrad einen Kranz von Drallschaufeln anzuordnen und Mittel vorzusehen zum An trieb dieser Schaufeln im gleichen Drehsinn wie derjenige des Rotors, aber mit. kleinerer als der Rotordrehzahl. Bei diesem Vorsehlag wurden aber keine Massnahmen vorgesehen, um eine Leistungsabgabe der rotierenden Schaufeln an das Fluidum zii ermöglichen.
Somit wird auch keine Kompensation des durch die Drallerzeugung entstandenen För- derhöhenverlustes erzielt.
Im Gegensatz zu diesen bekannten Vor schlägen besitzt die erfindungsgemässe An lage, deren Kompressor ein Zentrifugallauf- rad mit. einem ringförmigen Einlasskanal auf weist, einen koaxialen und stromaufwärts des Zentrifugallaufrades angeordneten besehau- felten Rotor, dessen Schaufeln durch den Ein lasskanal ragen und dazu bestimmt sind, dem in (las Laufrad eintretenden Fluidum einen Drall zu erteilen,
und welcher Rotor mit einer klei neren Drehzahl antreibbar ist als das Zentri- fugallaufrad, wobei der mittlere Durchmesser der Rotorsehaufelung mindestens so gross isst wie der Aussendurchmesser des Einlasskanals am Laufradeintritt und die Schaufeln voll ständig ausserhalb eines Durchmessers liegen, der grösser ist als der Innendurchmesser des Einlasskanals am Laufradeintritt.
An Hand der beiliegenden Zeichnung soll der Erfindungsgegenstand beispielsweise näher erläutert werden; es zeigen: Fig. 1 einen Axialsehnitt durch einen Teil eines Zentrifugalkompressors, der für eine als Strahltriebwerk eines Flugzeuges dienende Gasturbinenanlage bestimmt ist, Fig. 2 schematisch einen Teilschnitt eines andern Ausführungsbeispiels und Fig. 3 schematisch eine Gasturbinenanlage mit einem erfindungsgemässen Kompressor.
Der in Fig.1 dargestellte Kompressor be sitzt ein Zentrifugallaufrad mit einseitiger Luftzuführung, das auf einer Welle 2 sitzt und im vorliegenden Fall durch eine nicht gezeichnete Gasturbine antreibbar ist, welcher der Kompressor _ beim Betrieb komprimierte Luft. liefert. Dieser Luft wird durch Verbren nen von Brennstoff in einer Verbrennungs- einriehtung der Anlage Wärme zugeführt, wonach die derart erzeugten heissen Gase in der Turbine expandieren können. Vor dem Zentrifugalrad 1 und koaxial zu diesem ist.
ein Rotor 3 angeordnet, der einen Kranz von Sehaufeln 4 trägt, die dazu bestimmt. sind, dem durchströmenden Fluidum einen Drall zu erteilen. Der Rotor 3 ist im gleichen Dreh sinn, aber mit kleinerer Drehzahl als das Zen- trifugalrad 1 über ein Reduktionsgetriebe 5 durch eine Welle 6 aiitreibbar, die mit. dem vordern Ende der Welle ? mittels Stiften verbunden ist.
Luft kann durch den ringförmigen Ein lasskanal 7 eintreten, in welchem eine Anzahl Streben 8 vorhanden sind, die das Reduktions getriebe 5 tragen, gelangt dann durch die Schaufelung 4-, durch welche sie einen Drall erhält, und wird anschliessend dem zum Zen trifugalrad 1 führenden Einlasskanal 9 zuge führt. Um im Kanal 9 keine störenden Stre ben zur Abstützung einer Leitwand 10 vor sehen zu müssen, ist letztere mit der Nabe des Rotors 3 verbunden und mit dieser dreh bar. Als Variante könnte die Leitwand 10 auch unabhängig sowohl vom Rotor 3 als vom Zentrifugalrad 1 frei drehbar angeordnet sein.
In beiden Fällen jedoch bewirkt die Drehbarkeit der Leitwand 10 eine Verminde- rung der Oberflächenreibung des den Kanal 9 durchströmenden Arbeitsmediums.
Um die Wirksamkeit der Drallschaufeln zu erhöhen und um die Drehzahl des Rotors 3 so niedrig wie möglich halten zu können, ist es erwünscht, dass, wie in Fig.1 dargestellt, der Kranz der Schaufeln -1 einen grösseren mittleren Durchmesser besitzt. als das Zentri- fugalrad 1. Ziu diesem Zweck ist der Ring kanal 9 gegen die gemeinsame Rotationsaehse des Rotors 3 und des Zentrifugalrades 1 kon vergierend ausgebildet.
Obschon der Kanal 9 zwischen seiner innern und äussern Begren zungswand- divergent ist, bildet er trotzdem im Hinblick auf die Abnahme seines mitt leren Durchmessers in Strömungsrichtung einen konvergenten Kanal, in welchem die Drallströmung beschleunigt wird.
Die Drallströmung des Fluidums vor des sen Eintritt in die Schaufelkanäle des Zentri- fugalrades 1 sollte wenigstens annähernd wir belfrei sein. Um (lies zu erreichen, werden zweckmässig bezüglich ihrer Längsachse ver drillte Schaufeln 4 verwendet. Die Schaufeln 4 können derart verdrillt sein, dass am Drall- schaufelaustritt keine vollständig wirbelfreie Drallströmung entsteht.
Theoretisch wäre es möglich, vollständig urverdrillte Schaufeln 4 zu verwenden und nur auf die Ausbildung des Kanals 9 bezüg lich Länge und Form abzustellen, um eine wirbelfreie Drallströmung zu erreichen. Da dies jedoch einen bedeutend längeren Kanal 9 bedingen würde, als er in Fig.1 dargestellt ist, würde eine solche Ausführung wahrsehein- licli mehr Platz beanspruchen, als praktisch vorhanden ist (ausgenommen vielleicht., wenn es siele um eine Anlage gemäss Fig. 2 handelt, die später beschrieben wird).
Die Schaufeln des Zentrifugalrades 1 sind am Eintritt 1 a. in bekannter Weise der art gebogen, dass wenigstens annähernd stoss freier Eintritt des Arbeitsmediums gewähr leistet ist. Es ist üblich, die Anordnung der art zu treffen, dass die Umfangsgesehwindig- keitskomponente des in die Sehaufelkanäle des Zentrifugalrades 1 eintretenden Fluidums am innern Durchmesser der Laufradnabe an nähernd gleich der LTmfangsgesehwindigkeit des Zentrifugalrades 1 an diesem Durchmes ser ist, in welchem Fall, wie gemäss Fig.1,
die radial innersten Teile der Zentrifugalrad- schaufeln nicht gebogen zu sein brauchen.
Bei einem Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 1. dargestellt ist, ist es zweckmässig, den Rotor 3 nur ungefähr mit einem Drittel der Drehzahl des Zentrifugalrades 1 anzutreiben.
Fig.2 zeigt die wichtigsten Einzelheiten eines andern Ausführungsbeispiels, bei wel chem urverdrillte Schaufeln 4 verwendet sind, wobei zur Erreichung einer wirbelfreien Drallströmung nur auf die Ausbildung des nachgeordneten Kanals 9 bezüglich seiner Form und Länge abgestellt wurde. Gemäss Fig. 2 ist der Einlasskanal 9 in stetigem Ver lauf aus der radialen in die axiale Richtung gekrümmt.
Die Drallschaufeln 4 des Rotors 3 erstrecken sieh über die Einlassöffnung des Kanals 9 und besitzen über ihre Länge kon stanten Querschnitt, das heisst. die Schaufeln sind derart. ausgebildet, da.ss sie über ihre Länge konstante LTmfangsgesehwindigkeits- komponenten erzeugen.
Es ist zu bemerken, dass das Fluidum die Sehaufelkanäle der Schaufeln 4 radial nach innen gerichtet be tritt, wobei die allgemeine Strömungsrich tung des die genannte Schaufelung verlassen den, sich drehenden Arbeitsfluidums sich von einer radial nach innen gerichteten in eine axial gerichtete Strömung geändert hat. Zu folge der Richtungsänderung der Teilchen des Fluidums sind diese gezwungen, sich auf sich ändernden Radien zu bewegen. Dadurch kann eine wirbelfreie Drallströmung erzielt werden. Die Wirkung entspricht derjenigen, die mit stillstehenden Drallschaufeln, wie sie in der schweiz. Patentschrift Nr.258098 er wähnt sind, erreicht wird.
Lm Schwierigkei ten bei der Befestigung der Wand 10 des Kanals 9 zu überwinden, ist, diese Wand 10 als Teil des Rotors 3 ausgebildet und kann mit. diesem rotieren.
Bei Verwendung in einer Gasturbinen anlage kann der Drallschaufelrotor, anstatt über ein Reduktionsgetriebe vom Zentrifugal rad, durch eine Turbine oder ein anderes An triebsrad als das Zentrifugalrad angetrieben werden. Ein Ausführungsbeispiel dieser Art ist schematisch in Fig. 3 gezeigt, in welchem eine Gasturbinenanlage einen Luft fördern den Zentrifugalkompressor 11 besitzt, welche Luft einer Verbrennungseinrichtung 12 zuge führt wird, in welcher durch Verbrennen von Brennstoff heisse Gase erzeugt werden,
welche anschliessend in einer dem Antrieb des Kom- pressors 11 dienenden Turbine 13 expandie ren. Dem Kompressor 11 ist ein Drallschaufel- rotor 14 vorgeordnet, der durch eine kleine Turbine 15 angetrieben wird, die als Nieder druckturbine ausgebildet ist. Bei einer solchen Anlage ist. es notwendig, das Drehzahlverhält nis zwischen dem Kompressorrotor und dem Drallsehaufelrotor konstant zu halten.
Im vorausgehenden wurde die Anordnung eines Vorsatzläufers bei einstufigen Zentri- fugalkompressoren mit einseitiger Luftzufüh rung beschrieben, jedoch ist sie natürlich nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann ein solcher Vorsatzläufer auch bei doppelsei tig ansaugenden, einstufigen Zentrifugal kompressoren oder bei mehrstufigen Zentri- fugalkompressoren angewendet werden. Auch bei Kombinationen aus Axial- und Zentri- fugalkompressoren kann man einen Vorsatz läufer anwenden,
in welchem Fall die letzte Stufe der Rotorschaufelung des Axialkom- pressors .derart ausgebildet sein kann, dass sie dem Arbeitsfluidum vor dessen Eintritt in eine stromabwärts liegende Zentrifugalstufe einen Drall erteilen kann. Es ist jedoch anzunehmen, dass die gröss ten Vorteile bei Anwendung eines Vorsatz läufers in einem einseitig wirkenden, einstufi gen Zentrifugalkompressor auftreten.
Mittels der beschriebenen Anordnung kann eine be trächtliche Erhöhung des Massendurchflusses, möglicherweise bis zu 600/9 oder mehr, bei einem gegebenen Durchmesser des Zentri- fugalrades und gegebener Schaufelspitzen- geschwindigkeit erreicht werden.
Ferner kann damit der Kompressorwirkungsgrad nicht nur zufolge der starken Erhöhung des Massen durchflusses im Verhältnis zur Kompressor grösse verbessert werden, sondern auch weil die Ausbildung des Zentrifugalrades derart sein kann, dass es eine grössere Anzahl von Schaufeln aufweisen kann, die aus einem vol len Schmiedestüek hergestellt sind. Dies würde in der Folge zu einer Herabsetzung der Be lastung der einzelnen Schaufeln führen. Die erwartete Erhöhung der Anzahl Sehaufeln hat ihren Grund darin, dass die beschriebene Ausbildung des Kompressors es gestattet, den innern Durchmesser der Rotornabe grösser zu machen, als dies heute möglich ist.
Wahr scheinlich erhöht die beschriebene Ausbildung auch die Festigkeit. des Kompressors.