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.