DE102010048434B4

DE102010048434B4 - Turbinenradanordnung für eine Gas- oder Dampfturbine

Info

Publication number: DE102010048434B4
Application number: DE102010048434.2A
Authority: DE
Inventors: Dirk Büchler; Gerhard Buttkewitz
Original assignee: BaltiCo GmbH
Current assignee: BaltiCo GmbH
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2017-08-10
Anticipated expiration: 2030-10-16
Also published as: DE102010048434A1; CA2814427A1; WO2012051997A3; US20130192231A1; EP2598736A2; WO2012051997A2

Abstract

Gasturbine (10a), die ein erstes Turbinenlaufrad (18) mit über dem Umfang verteilten Strömungskanälen (42), die Gasauslässe (45) mit Laval-Querschnittsform mit im wesentlichen tangentialer Strömungsrichtungskomponente umfassen, die ferner ein zweites Turbinenlaufrad (20) umfasst, das über die Gasauslässe (45) des ersten Turbinenlaufrades (18) beaufschlagt ist, wobei die Gasturbine (10a) einen Innenrotor (22) umfasst, auf dem außenseitig mehrere erste Schaufelreihen eines mehrstufigen Axialverdichters (12) und das zweite Turbinenlaufrad (20) angebracht sind, die Gasturbine (10a) ferner eine Hohlwelle (30) umfasst, an der innenseitig mehrere zweite Schaufelreihen des Axialverdichters (12) angebracht sind, die in Axialrichtung alternierend zu den ersten Schaufelreihen angeordnet sind, dass ferner an der Hohlwelle (30) mindestens eine rotierende Brennkammer (16) sowie das erste Turbinenlaufrad (18) angebracht sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenradanordnung für eine Gas- oder Dampfturbine mit zwei aufeinanderfolgenden, gegenläufig zueinander rotierenden Turbinenlaufrädern.
Die derzeit bekannten Gas- und Dampfturbinen sind auf höchstmögliche Leistungen mit höchstmöglichen Wirkungsgraden ausgelegt, was zur Folge hat, dass die eingesetzten Bauteile und Werkstoffe bis an die Zulässigkeitsgrenzen belastet werden. Insbesondere gilt dies für die Turbinenschaufeln der ersten Turbinenstufe, die extremsten Beanspruchungen ausgesetzt werden, was zur Folge hat, dass sehr teure Materialien verwendet und aufwändige Kühlmaßnahmen zur Schaufelkühlung getroffen werden müssen. Dazu kommen Belastungen durch hohe mechanische Beanspruchungen durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten, vor allem aber der großen Fliehkräfte durch die hohen Drehzahlen. Insgesamt ist es dabei schwierig, Gesamtwirkungsgrade von höher als 35% zu erzielen.
Aus der AT 239606 B ist eine Gasturbine bekannt, die Laval-förmige Strömungskanäle mit radial innen liegenden Gaseinlässen und radial weiter außen liegenden Gasauslässen umfasst.
Aus der WO 2008/095172 A1 ist eine Turbinenanordnung mit Lavaldüsen bekannt.
Aus der US 1 146 707 A ist eine Gasturbine mit einem Axialverdichter bekannt, der mehrere Schaufelreihen aufweist, die wechselweise an einem in den Rotor und einer Hohlwelle angebracht sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gas- oder Dampfturbine bereitzustellen, die sich gegenüber herkömmlichen Turbinen durch eine geringere Temperaturbelastung der Turbinenstufe auszeichnet und ein hohes Temperatur- und Druckgefälle von der der Brennkammer bis zu den Turbinenschaufeln in einem großen Leistungsbereich zu ermöglicht, so dass damit hohe thermische Wirkungsgrade erzielbar sind.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird eine Gasturbine bereitgestellt, die ein erstes Turbinenlaufrad mit über dem Umfang verteilten Strömungskanälen (42), die Gasauslässe (45) mit Laval-Querschnittsform mit im wesentlichen tangentialer Strömungsrichtungskomponente umfassen, die ferner ein zweites Turbinenlaufrad (20) umfasst, das über die Gasauslässe des ersten Turbinenlaufrades beaufschlagt ist, wobei die Gasturbine einen Innenrotor umfasst, auf dem außenseitig mehrere erste Schaufelreihen eines mehrstufigen Axialverdichters und das zweite Turbinenlaufrad angebracht sind, die Gasturbine ferner eine Hohlwelle umfasst, an der innenseitig mehrere zweite Schaufelreihen des Axialverdichters angebracht sind, die in Axialrichtung alternierend zu den ersten Schaufelreihen angeordnet sind, dass ferner an der Hohlwelle mindestens eine rotierende Brennkammer sowie das erste Turbinenlaufrad angebracht sind. Die Erfindung bewirkt vorteilhafterweise, dass die thermische Energie und Druckenergie des Gases oder Dampfes am Düseneintritt weitgehend in Strömungsenergie am Turbinenstufenaustritt umgewandelt wird. Durch die Impulskraft der Düsen wird das Turbinenlaufrad angetrieben. Das austretende Gas aus den Lavaldüsen besitzt eine sehr hohe Strömungsgeschwindigkeit oberhalb von Mach 1 und wird auf die Schaufeln des in Strömungsrichtung hinteren Turbinenlaufrades geleitet, wodurch in diesem ein Moment und eine Rotation entsteht, die der Rotationsrichtung des vorderen Turbinenlaufrades entgegengesetzt ist. Die Geschwindigkeit des Gasstrahles ist dabei wesentlich größer als die Umfangsgeschwindigkeit des Turbinenlaufrades. Somit wird die aus der ersten Energiewandlung in den Lavaldüsen im Strömungsstrahl verbleibende kinetische Energie genutzt. Dabei wird das hintere Turbinenlaufrad so ausgelegt, dass die Tangentialgeschwindigkeit am Austritt idealerweise nahezu verschwindet.
Durch eine geeignete Steuerung der Belastung an jedem Laufrad z. B. über Generatoren lassen sich die Drehzahlen der beiden mit den Turbinenlaufrädern gekoppelten Rotoren beliebig einstellen, wodurch die Betriebszustände beider Systeme ohne Verstellsysteme optimal eingestellt werden können.
Da sich sich die Schaufelkränze der gegeneinander rotierenden Wellen in axialer Richtung des Verdichters abwechseln, sind nahezu beliebig hohe Stufenzahlen in gegenläufiger Bauweise möglich. Die Drehzahlen der beiden Wellen sind dabei vorzugsweise gleich groß.
Bei bestimmten Anwendungsfällen, z. B. in einem Boostermodus, ist aber auch eine Drehzahlvarianz zwischen beiden Wellen möglich.
Durch die Erfindung können die kombinierten Belastungen thermisch, mechanisch und fliehkraftbedingt separiert werden. So erfolgt eine Entspannung in Lavaldüsen, die nahezu die gesamte thermische Energie und Druckenergie abbauen und in kinetische Energie wandeln. Die Materialbeanspruchungen reduzieren sich daher im Wesentlichen auf diesen Bereich. Die Lavaldüsen selber können aus geeigneten, temperaturfesten Materialen wie Keramiken oder Metalllegierungen gefertigt werden und den thermischen Belastungen widerstehen. Die danach noch vorliegende kinetische Energie im Gasstrahl wird durch den Impuls in der zweiten Turbinenstufe vollständig genutzt. Durch das Gegenlaufprinzip kann die notwendige Drehzahl halbiert werden, was die fliehkraftbedingten Belastungen erheblich reduziert.
Durch das erfindungsgemäße Konzept lässt sich sogar die Brennkammertemperatur erhöhen und somit der thermische Wirkungsgrad verbessern. Es kann insbesondere mit einer Erdgasverbrennung bei einer Brennkammertemperatur von ca. 2300°C ein thermischer Wirkungsgrad von ca. 66% und ein Gesamtwirkungsgrad der Turbine von 56% erzielt werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Spaltmaß zwischen den Laufrädern keinen wesentlichen Einfluss auf den Wirkungsgrad hat. Ferner können die Bauteile einfacher und preiswerter gefertigt werden als bei herkömmlichen Turbinen, denn es reicht eine einstufige Turbine, um die gesamte Energieumsetzung zu erzielen. Auch ist von Vorteil, dass nur an den Lavaldüsen eine Kühlung nötig ist, während ein zweites Turbinenrad ohne Kühlung auskommt, wodurch die bei herkömmlichen Turbinen durch die erhebliche Zapfluft zur Turbinenkühlung entstehenden Verluste vermieden werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Zeichnung Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separaten Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1 einen Axialschnitt durch eine Gasturbine als Stromerzeuger,
2: einen Querschnitt durch die Gasturbinen gemäß 1,
3: einen Axialschnitt durch eine Gasturbine mit Peltonausführung,
4: einen Querschnitt durch die Gasturbinen gemäß 3.
In 1 ist eine Gasturbine 10a im Axialschnitt dargestellt, die aus einem mehrstufigen Axialverdichter 12, einem einstufigen Radialverdichter 14, einer Brennkammer 16, einem ersten Turbinenlaufrad 18 sowie einem zweiten Turbinenlaufrad 20 besteht. Die beiden Turbinenlaufräder 18, 20 bilden zusammen eine einstufige gegenläufige Turbine.
Jeder zweite Schaufelkranz des Axialverdichters 12 sowie das zweite Turbinenlaufrad 20 sind gemeinsam auf einem Innenrotor 22 montiert, der sich über Lager 24 auf einer feststehenden Achse 26 abstützt. Auf dem Innenrotor 22 ist ferner der Läufer 28a eines ersten Generators befestigt, dessen außen liegender Stator nicht dargestellt ist.
Ein hohlwellenförmiger Außenrotor 30 trägt innenseitig die jeweils anderen Schaufelkränze des Axialverdichters 12, ferner den Schaufelkranz des Radialverdichters 14, die Brennkammer 16 sowie das erste Turbinenlaufrad 18. Der Außenrotor 30 stützt sich über ein erstes Lager 32a auf der feststehenden Achse 26 und ein zweites Lager 32b auf dem Innenrotor 22 ab. Dazu ist der Außenrotor 30 über einen ersten Schaufelkranz 34 mit einer Rotornabe 36 verbunden, die über das vordere Lager 32a auf der Welle 26 abgestützt ist. Radial außen ist auf dem Außenrotor 30 ein Läufer 28b eines zweiten Generators befestigt, dessen außen liegender Stator nicht dargestellt ist.
2 zeigt einen Querschnitt durch die Gasturbine 10a gemäß 1 in axialer Höhe der Turbinenlaufräder 18, 20, wie durch den Pfeil II dargestellt. In 2 ist ein Kranz von Formteilen 40 des ersten Turbinenlaufrades 18 (1) dargestellt, die eine Form aufweisen, dass sich zwischen diesen Strömungskanäle 42 jeweils mit dem Querschnitt einer Lavaldüse ausbilden. Die Strömungskanäle 42 umfassen im Wesentlichen radial ausgerichtete Gaseinlässe 43 und im wesentlichen in Tangential- oder Umfangsrichtung ausgerichtete Gasauslässe 45. Die Laval-Querschnittsform der Strömungskanäle 42 liegt vorzugsweise nur in einer Richtung, nämlich der Umfangsrichtung vor, während in Axialrichtung ein konstanter Querschnitt vorliegt. Alternativ ist es auch möglich, die Form der Formteile 40 so zu gestalten, dass auch in Axialrichtung eine Querschnittsveränderung erfolgt. Die Formteile 40 sind vorzugsweise an einer Endscheibe 41 angeformt, welche den Strömungskanal für den Gasstrom in axialer Richtung abschließt.
Radial außerhalb der Formteile 40 sind äußere Turbinenschaufeln 44 des zweiten Turbinenlaufrades 20 angeordnet, die von der durch die Strömungskanäle 42 mit Überschall austretenden Gasströmung beaufschlagt werden und dabei in Drehung entgegengesetzt zum ersten Turbinenlaufrad 18 versetzt werden.
Im Betrieb wird bei der in den 1 und 2 dargestellten Gasturbine 10a Luft in den am ersten Schaufelkranz 34 befindlichen Einlass gesaugt und durch den Axialverdichter 12 verdichtet. Der Axialverdichter 12 verdichtet über die beiden entgegengesetzt rotierenden Wellen 22 und 30 mit den daran befestigten alternierend angeordneten Schaufelreihen die Luft. Stromabwärts des Axialverdichters 12 wird der Luftstrom nach radial außen umgelenkt und gelangt in den Schaufelkranz des einstufigen Radialverdichters 14, über den der Druck weiter erhöht wird. Hinter dem Austritt des Radialverdichters 14 wird der Luftstrom wieder nach radial innen umgelenkt und gelangt in den Einlass der rotierenden Brennkammer 16, in der Brennstoff eingespritzt und das Luft-Brennstoffgemisch verbrannt wird. Stromabwärts der Brennkammer 16 wird der Gasstrom erneut nach radial außen umgelenkt und gelangt in das erste Turbinenlaufrad 18. Die im Querschnitt lavaldüsenförmigen Strömungskanäle 42 (2) des ersten Turbinenlaufrades 18 beschleunigen den Gasstrom auf mehr als Mach 1, lenken diesen in Umfangsrichtung um und stoßen den Gasstrom dann überwiegend in Umfangsrichtung aus. Durch den entstehenden Drehimpuls wird das erste Turbinenlaufrad 18 in 2 betrachtet entgegen dem Uhrzeigersinn in Drehung versetzt. Der Überschallgasstrom prallt anschließend auf die äußeren Turbinenschaufeln 44 des zweiten Turbinenlaufrades 20 und wird dort umgelenkt, die dementsprechend umgekehrt zum ersten Turbinenlaufrad 18 rotiert.
Die Rotation des ersten Turbinenlaufrades 18 wird über die Außenwelle 30 auf den Radialverdichter 14 sowie die außenrotorseitigen Schaufelreihen der Axialverdichter 12 und den Generatorläufer 28b übertragen. Die entgegengesetzte Rotation des zweiten Turbinenlaufrades 20 wird auf den Generatorläufer 28a und über den Innenrotor 22 auf die innenrotorseitigen Verdichterschaufeln des Axialverdichters 12 übertragen.
Die in den 1 und 2 dargestellte Gasturbine 10a dient zur Erzeugung elektrischer Energie. Alternativ kann diese auch für andere Anwendungen, z. B. als Triebwerk eines Kraftfahr-, See- oder Luftfahrzeugs verwendet werden. Die Generatorläufer 28 können auch als Anlasser für die Wellen 22, 30 betrieben werden.
Die 3 und 4 zeigen eine Gasturbine 10b, bei der im Gegensatz zur Ausführung gemäß der 1 und 2 nur eine einstufige Peltonturbine zur Anwendung kommt. Gleiche Bezugszeichen wie in den 1 und 2 bezeichnen gleiche Bauteile.
Auch die Gasturbinenausführung 10b umfasst einen mehrstufigen Axialverdichter 12, der eine Hohlwelle 30 umfasst, an der in Axialrichtung jede zweite Schaufelreihe befestigt ist. Dazwischen sind Schaufelreihen vorgesehen, die an einem Hauptrotor 52 befestigt sind. Der Hauptrotor 52 ist mittels Lager 24 einerseits an der Achse 26 und andererseits an einem nicht gezeigten Gehäuse gelagert. Am Hauptrotor 52 ist ferner ein Peltonturbinenrad 54 angeformt, das in 4 im Querschnitt dargestellt und weiter unten näher erläutert wird. Am Hauptrotor 52 ist ferner ein Befestigungsflansch 56 zur Abführung der erzeugten Leistung vorgesehen.
Die Hohlwelle 30 umfasst einen Schaufelkranz eines Radialverdichters 14 und ist mit einer rotierenden Brennkammer 16 sowie einem Düsenlaufrad 58 verbunden. Ein erster Schaufelkranz 34 verbindet die Hohlwelle 30 mit einer Nabenwelle 60, die wiederum mittels eines vorderen Lagers 32a am nicht gezeigten Gehäuse abgestützt ist. Am anderen Ende stützt sich das Düsenlaufrad 58 mittels des Lagers 32b am Hauptrotor 52 ab. An der Nabenwelle 60 ist in analoger Weise wie am Hauptrotor 52 ein Befestigungsflansch 62 zur Abführung der erzeugten Leistung vorgesehen.
In 4 ist das Düsenlaufrad 58 im Querschnitt dargestellt, das eine Anzahl von Düsen 64 aufweist, die eine überwiegend tangentiale Ausströmungsrichtung aufweisen. Diesen gegenüberliegend weist das Peltonturbinenrad 54 eine Anzahl über dem Umfang verteilte Peltonschaufeln 66 auf, die von den Düsen 64 beaufschlagt werden.
Im Betrieb tritt der Luftstrom durch den ersten Schaufelkranz 34 in den mehrstufigen Axialverdichter 12 ein und wird dort verdichtet. Anschließend erfolgt eine weitere Verdichtung im Radialverdichter 14, von wo der Luftstrom der mitrotierenden Brennkammer 16 zugeführt wird. Dort wird Brennstoff zugefügt und das Gemisch verbrannt. Die Verbrennungsgase strömen durch die Düsen 64 und von dort beaufschlagen diese die Peltonschaufeln 66. Dadurch wird das Düsenlaufrad 58 in 4 gesehen entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht, während das Peltonturbinenrad 54 im Uhrzeigersinn gedreht wird. Die Drehung des Düsenlaufrades 58 wird auf die Hohlwelle 30 übertragen und über den Schaufelkranz 34 und die Nabenwelle 60 auf den Befestigungsflansch 62. Analog wird die Drehung des Peltonturbinenrades 54 über den Hauptrotor 52 auf den Befestigungsflansch 56 übertragen.

Claims

Gasturbine (10a), die ein erstes Turbinenlaufrad (18) mit über dem Umfang verteilten Strömungskanälen (42), die Gasauslässe (45) mit Laval-Querschnittsform mit im wesentlichen tangentialer Strömungsrichtungskomponente umfassen, die ferner ein zweites Turbinenlaufrad (20) umfasst, das über die Gasauslässe (45) des ersten Turbinenlaufrades (18) beaufschlagt ist, wobei die Gasturbine (10a) einen Innenrotor (22) umfasst, auf dem außenseitig mehrere erste Schaufelreihen eines mehrstufigen Axialverdichters (12) und das zweite Turbinenlaufrad (20) angebracht sind, die Gasturbine (10a) ferner eine Hohlwelle (30) umfasst, an der innenseitig mehrere zweite Schaufelreihen des Axialverdichters (12) angebracht sind, die in Axialrichtung alternierend zu den ersten Schaufelreihen angeordnet sind, dass ferner an der Hohlwelle (30) mindestens eine rotierende Brennkammer (16) sowie das erste Turbinenlaufrad (18) angebracht sind.
Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Hohlwelle (30) stromabwärts des Axialverdichters (12) ein Radialverdichter (14) angebracht ist.
Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass außenseitig auf der Hohlwelle (30) ein Läufer (28b) eines Generators angebracht ist.