CH316254A - Gasturbinenanlage - Google Patents

Gasturbinenanlage

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CH316254A
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CH
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compressor
gas turbine
axial
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combustion device
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Inventor
Light Wilde Geoffrey
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Rolls Royce
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/04Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor
    • F02C3/06Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor the compressor comprising only axial stages

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description


      Gasturbinenanlage       Die vorliegende Erfindung betrifft eine  Gasturbinenanlage mit einem     Mehrstufen-          Axialströmungskompressor,    mit einer vom  Kompressor mit Druckluft belieferten Ver  brennungseinrichtung und mit einer von den  Abgasen der Verbrennungseinrichtung beauf  schlagten, den Kompressor antreibenden Tur  bine.  



  Bei Gasturbinenanlagen für den Fahr  zeugantrieb sollte die Geschwindigkeit der in  die Verbrennungseinriehtung einströmenden  Luft nicht zu hoch sein. Zweckmässig beträgt  diese Geschwindigkeit zum Beispiel 80 m/sec,  und wenn der Kompressor der Anlage ein  hohes Kompressionsverhältnis aufweist, zum  Beispiel 6:1 oder 7:1, kann es notwendig  sein, zwischen den Kompressorauslass und  dem Lufteinlass der Verbrennungseinrich  tung einen Diffusor von beträchtlicher axialer  Länge vorzusehen, um die Gesehwindigkeit  der den Kompressor verlassenden Luft auf  den für den     Lufteintritt    in die     Verbren-          nungseinriehtung    zweckmässigsten Wert her  abzusetzen.  



  Die vorliegende Erfindung bezweckt die  Schaffung einer Gasturbinenanlage der ge  nannten Art, bei welcher die Herabsetzung  der Luftgeschwindigkeit zwischen dem Kom  pressor und der Verbrennungseinriehtung in  besonders vorteilhafter Weise erfolgt.  



  Die     erfindungsgemässe        Gasturbinenanlage     besitzt mindestens eine unmittelbar strom-    abwärts des Auslasses der letzten Kompressor  stufe zwischen Kon pr essorauslass und Ver  brennungseinrichtung koaxial zu diesen an  geordnete Turbinenstufe, deren Laufrad mit  dem Kompressor antriebsverbunden ist, und  die dazu bestimmt ist, die Axialgeschwindig  keitskomponente und den Druck der den  Kompressor     verlassenden    Luft vor deren Ein  tritt in die Verbrennungseinrichtung herab  zusetzen.  



  Zufolge der genannten Ausbildung lassen  sieh bei Anlagen mit Axialkompressoren, die  für eine konstante oder eine zunehmende  mittlere Axialgeschwindigkeit des Fluidums  durch den Arbeitskanal des Kompressors ge  baut sind, besonders wichtige Vorteile gegen  über bisherigen Konstruktionen erreichen.  Bei gewissen Anlagen war es bisher uner  wünscht, eine konstante oder zunehmende mitt  lere Axialgeschwindigkeit des Fluidums durch  den Kompressor vorzusehen, da es bekannt  lieb Schwierigkeiten bereitet, die     Axialge-          schwindigkeit.    der den Kompressor verlassen  den Luft auf den in der     Nerbrennungsein-          riehtung    gewünschten Wert herabzusetzen.

    Zufolge der     genannten    Anordnung minde  stens einer Turbinenstufe am     Kompressoraus-          lass    können jedoch     Gasturbinenanlagen    mit  Mehrstufen     -Axialströmitrigskompressor    für  konstante oder zunehmende mittlere Axial  geschwindigkeit der Luft durch den Kom  pressor gebaut. werden, .ohne dass sich uner-      wünscht grosse Baulängen durch grossen Ab  stand des Kompressorauslasses von der     Ver-          br    ennungseinrichtung ergeben.  



  Kompressoren, die für eine konstante oder  zunehmende mittlere Axialgeschwindigkeit  des Fluidums durch den Kompressor gebaut  sind, besitzen gegenüber Kompressoren mit  verzögerter Axialströmung den Vorteil eines  höheren Gesamtwirkungsgrades und erlauben  die Herabsetzung der Stufenzahl bei einem  gegebenen Kompressionsverhältnis. Somit ist  es, verglichen mit den bisherigen Konstruk  tionen, bei der Anlage gemäss der Erfindung  möglich, mit der gleichen Stufenzahl ein  höheres Kompressionsverhältnis zu erzielen,  wodurch der Druckabfall, der in der oder    den Turbinenstufen am Kompressorauslass  auftritt, wieder kompensiert werden kann.  



  Ein weiterer Vorteil der erfindungsge  mässen Anlage liegt darin, dass die Turbinen  stufe oder -stufen die am Kompressorauslass  bzw. am Einlass des Diffusorkanals des     Mehr-          stufen-Axialkompressors    zum Zweck der axia  len Führung der geförderten Luft vorgese  hene Leitschaufelung ersetzen können. Die  axiale Gesamtlänge der Turbinenstufe kann  so gewählt sein, dass sie annähernd der Axial  abmessung der Auslassleitschaufelung ent  spricht.

   Axialströmungskompressoren von Gas  turbinenanlagen, die für den Betrieb in einem  grossen Drehzahlbereich bestimmt sind, be  sitzen zweckmässig einen Kranz von axialen       Richtschaufeln    auf der stromabwärts liegen  den Seite der Turbinenstufe oder -stufen, um  zu verhindern, dass die Luft ausserhalb der  normalen Betriebsverhältnisse mit einer     Drall-          geschwindigkeitskomponenten    in die Verbren  nungseinrichtung der Gasturbinenanlage ein  tritt.  



  An Hand der beiliegenden Zeichnung soll  der Erfindungsgegenstand im Vergleich mit  einer Anlage bekannter Ausbildung näher  beschrieben werden.  



  Fig. 1 zeigt im Axialschnitt einen Teil  eines Axialströmungskompressors und die ihm  zugeordneten Verbindungsmittel mit der Ver  brennungseinrichtung einer     Gasturbinenan-          lage    üblicher Bauart.    Fig.2 ist ein Axialsehnitt analog Fig.1  durch einen Teil des Kompressors einer An  lage nach der Erfindung.  



  Fig.3 zeigt schematisch die Verkürzung  der Gesamtlänge einer Gasturbinenanlage  nach der Erfindung, verglichen mit der Ge  samtlänge einer den Kompressor nach Fig.l  aufweisenden Anlage.  



  In Fig. 1 ist der Auslass eines Mehr  stufen - Axialströmungskompressors üblicher  Bauart dargestellt. Der Kompressor besitzt  ein Statorgehäuse 10, das mehrere Kränze  von Statorsehaufeln trägt; die beiden     Sehau-          felkränze    11n-2, 11n-1 sind in der Zeichnung  ersichtlich. Ferner besitzt der Kompressor  einen Rotor mit einer Mehrzahl von Lauf  schaufelkränzen. In Fig. 1 sind nur die bei  den Laufsehaufelkränze 12n-1, 12n dargestellt.  Die Laufschaufeln sind auf Scheiben 13 abge  stützt, welche auf einer gemeinsamen Welle  angeordnet sind.

   Zwischen den Fussplatten  15 der Laufschaufelkränze sind Abstandhal  ter 14 angeordnet und bilden zusammen mit  den Fussplatten 15 eine kontinuierliche Innen  wand des im Quersehnitt ringförmigen Kom       pressordurchlasses,    dessen     Aussenwand    durch  das Gehäuse<B>10</B> gebildet ist. In den Bezugs  zahlen bedeutet der Index  n  die Gesamtzahl  der Stufen des     Kompressors.    Dieser Kompres  sor üblicher Bauart. ist so ausgebildet., dass  beim Betrieb das Fluidum im     Arbeitsdurch-          lass    eine abnehmende     Axialgesehwindigkeit     besitzt.  



  Die     Axialgeschwindigkeit    der Luft ist am       Auslass    des Kompressors höher, als dies zur  Zufuhr der Luft zu einer Verbrennungsein  richtung 16 einer     Gasturbinenanlage,    in wel  che der Kompressor eingebaut ist., erwünscht       ist.    Demzufolge ist hier ein üblicher     Diffusor     zwischen dem     Kompressorauslass    und der     Ver-          brennungseinriehtung    16 vorgesehen,  Der     Diffusor    besitzt eine Innenwand<B>17</B>  und eine dazu koaxiale Aussenwand 18, welche  Wände einen in     Strömungsrichtung    divergie  renden Kanal begrenzen.

   Am     Auslassende    des       Kompressors    sind die beiden     Diffusorwände     17,<B>18</B> durch Leitschaufeln 10 miteinander      verbunden; diese Leitschaufeln bilden die     Aus-          lassleitsehaufeln    des Kompressors.  



  Wie ersichtlich, besitzt der Diffusor eine  beträchtliche axiale Länge.  



  In Fig.2 ist eine Mehrstufen-Axialströ  mungsanlage gemäss vorliegender Erfindung  dargestellt. An Stelle des Diffusors der vor  angehend beschriebenen Anlage ist hier am  Kompressorauslass eine Turbinenstufe vorge  sehen. Diese Turbinenstufe besitzt eine Ro  torscheibe 20, welche auf der gleichen Welle  21 wie die die Kompressorlaufschaufeln tra  genden Rotorseheiben 13 sitzt. Die Rotor  seheibe 20 trägt einen Kranz von Turbinen  laufschaufeln 22. Diese Laufschaufeln 22 sind  so geformt, dass die axiale Geschwindigkeit  der durchströmenden     komprimierten    Luft  stark herabgesetzt wird. Der Turbinenauslass  ist mit der Verbrennungseinrichtung der Gas  turbinenanlage verbunden. In Fig. 4 ist ein  Geschwindigkeits-Vektordiagramm dargestellt,  wie es mit zweckmässig geformten     Schaufeln     erhalten werden kann.

   In Fig. 4 ist VAT die  axiale     Geschwindigkeitskomponente    am Ein  lass der Turbinenlaufschaufeln 22, VAO ist  die axiale Auslassgeschwindigkeitskomponente  und U' ist die Umfangsgeschwindigkeit der  Turbinenschaufeln.  



  Zusätzlich zur Anordnung einer Turbinen  stufe am Kompressorauslass ist bei der An  lage gemäss Fig. 2 auch der     Kompressordureh-          lass    gegenüber dem Beispiel nach Fig. 1 an  ders ausgebildet, so dass die axiale Luftge  schwindigkeit im Kompressordurehlass einen  konstanten oder einen zunehmenden Wert  besitzt.

   Beim gezeichneten Beispiel besteht die  Abänderung des     Kompressordurehlasses    ge  genüber dem Beispiel nach Fig.1 in einem  kleineren radialen Abstand des Aussengehäu  ses 10 des Kompressors von der Innenwand  des Fluiddurehlasses, die durch die Abstands  halter 14 und die Laufschaufel-Fussplatten 15  gebildet ist, sowie in der damit verbundenen  geringeren radialen Weite des Kompressor  durchlasses und in den Auslasslaufschaufeln  112n, den Leitschaufeln 111n-1 und in dem  zusätzlichen Kranz von Leitschaufeln 111n.  Auslassleitschaufeln (wie sie in Fig. 1 mit 19    bezeichnet sind) sind bei der vorliegenden  Anlage nicht vorgesehen. Der durch einen  die Turbinenlaufschaufeln 22 umschliessenden  Gehäuseteil 19a gebildete Kanal divergiert  stark in Strömungsrichtung.  



  In Fig.l sind eine gestrichelte Linie 23  in der Ebene der Längsaxen der Laufschau  feln 12n und eine gestrichelte Linie 24 in der  Ebene des Einlasses der Verbrennungsein  richtung 16 gezogen. In Fig.2 sind in ent  sprechenden Ebenen die Linien 25 und 26  eingezeichnet. Die Verkürzung der Gesamt  länge der Anlage nach Fig. 2 gegenüber jener  der Anlage nach Fig.1 ist somit gleich der  Strecke X, die zwischen den Fig. 1 und 2  eingetragen ist. Auch in Fig. 3 ist schema  tisch die Verkürzung der Gesamtlänge ange  deutet, in welcher 10 den Kompressor und 16  die Verbrennungseinrichtung bezeichnet. Mit  27 ist die normale Turbine der Gasturbinen  anlage bezeichnet, welcher die Heissgase aus  der Verbrennungseinrichtung 16 zugeführt  werden, während 28 die Abgaseinriclitung -und  29 das Strahlrohr der Anlage ist.

   Der Kom  pressor 10 mit der Luftturbine     10a    ist mit  ausgezogenen Linien dargestellt, während der  Kompressor     1,0    mit dem üblichen     Diffusor    1.8  mit gestrichelten Linien gezeichnet ist.  



  Soll bei einer     Kompressoranlage    der be  schriebenen Art der     Kompressordurchlass    ge  genüber üblichen Anlagen mit     Diffusor    nicht       geändert.    werden und soll das gleiche     Gesamt-          druckverhältnis    wie bei einer solchen bekann  ten Vergleichsanlage erreicht werden, kann es  in gewissen Fällen notwendig sein, den Kom  pressor mit- einer     oder    mehreren zusätzlichen  Stufen zu versehen, um den Druckverlust, der  in der oder den dem Kompressor nachgeord  neten Turbinenstufen     auftritt,    wieder zu kom  pensieren.

   Dagegen ist eine zweckmässig ge  baute Turbine in der Lage, eine. rasche     _Her-          absetzung    der axialen Geschwindigkeit. der  Druckluft mit einem Expansionswirkungs  grad     zu    bewirken, der vom Wirkungsgrad  einer vergleichbaren     Kompressorstufe    nicht  stark abweicht.

   Die durch das beschriebene  Anordnen einer 'Turbine zwischen     Kompres-          sorauslass    und     Verbrennungseinrichtung    er-      zielte Wirkung auf den vom Kompressor kom  menden Luftstrom ist mit der V irkung eines  guten, bei bekannten Anlagen an den Aus1ass  des Axialkompressors angeschlossenen     Diffu-          sors    zu vergleichen, dagegen besitzt die be  schriebene Anordnung den Vorteil, dass die  axiale Totallänge der Anlage kleiner ausfällt  als die Gesamtlänge einer Anlage mit übli  chem Diffusor.  



  Die Möglichkeit der Verwendung von  Kompressoren mit konstanter oder zunehmen  der Strömungsgeschwindigkeit im Kompres  sordurchlass gestattet es, in gewissen Fällen  die Gesamtzahl der Kompressorstufen herab  zusetzen, wenn, wie beim Beispiel gemäss  Fig. 2, eine dem Kompressor naehgeschaltete  Turbinenstufe zur raschen Verminderung der  Axialgesehwindigkeit vorgesehen ist. So kann  beispielsweise der in Fig. 2 gezeigte     Lauf-          sehaufelkranz    112n dem Laufsehaufelkranz  12n-1 entsprechen, in welchem Fall die Ver  kürzung der Gesamtlänge der Anlage durch  die Strecke X1 zwischen der gestrichelten  Linie 231 in Fig. 1 und der gestrichelten  Linie 25 in Fig.2 dargestellt wird.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH Gasturbinenanlage mit einem Mehrstufen- Axialströmungskompressor, mit einer vom Kompressor mit Druckluft belieferten Ver brennungseinrichtung und mit einer von den Abgasen der Verbrennungseinrichtung beauf- sehlagten, den Kompressor antreibenden Tur bine, gekennzeichnet durch mindestens eine unmittelbar stromabwärts des Auslasses der letzten Kompressorstufe zwischen Kompres sorauslass und Verbrennungseinrichtung ko- axial zu diesen angeordnete Turbinenstufe,
    deren Laufrad mit dem Kompressor antriebs- verbunclen ist und die dazu bestimmt ist, die Axialgesehwindigkeitskomponente und den Druck der den Kompressor verlassenden Luft vor deren Eintritt in die Verbrennungsein richtung herabzusetzen. UNTERANSPRÜCHE 1.
    Gasturbinenanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Mehr zahl von Statorsehaufelkränzen tragende Sta torgehäuse unmittelbar stromabwärts des letzten Statorschaufelkranzes einen Wandteil aufweist, der einen divergierenden Durchlass begrenzt, und die Laufschaufelung der dem Kompressor nachgeordneten Turbinenstufe von dem genannten Gehäuseteil umschlossen und am Umfang einer Rotorscheibe angeord net ist, welche direkt. mit dem Kompressor rotor verbunden ist.
    2. Gasturbinenanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor- durehlass derart geformt ist, dass in ihm strö mende Luft eine zunehmende Axialgeschwin- digkeit erhält. 3. Gasturbinenanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor durchlass derart geformt ist, dass in ihm strö mende Luft eine konstante Axialgeschwindig- keit erhält.
    -1. Gasturbinenanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass auf der strom abwärts liegenden Seite der genannten Tur binenstufe axiale Stator-Riehtschaufeln vor gesehen sind.
CH316254D 1952-06-04 1953-06-04 Gasturbinenanlage CH316254A (de)

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