DE102015113145A1

DE102015113145A1 - Mehrstufige Axialverdichteranordnung

Info

Publication number: DE102015113145A1
Application number: DE102015113145.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Edward Wickert; Dwight Eric Davidson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-08-15
Filing date: 2015-08-10
Publication date: 2016-02-18
Also published as: US20160047305A1; CN205243876U; JP2016041934A

Abstract

Es ist eine mehrstufige Axialverdichteranordnung offenbart, die einen Verdichterdrehzahlminderer verwendet, um die Laufschaufeln in den vorderen Stufen des Verdichters mit einer niedrigeren Drehzahl als die Laufschaufeln in den mittleren Stufen und den hinteren Stufen des Verdichters zu drehen. Eine Verlangsamung der Drehzahl der Laufschaufeln in den vorderen Stufen im Verhältnis zu den Schaufeln in den mittleren Stufen und den hinteren Stufen ermöglicht dem mehrstufigen Axialverdichter, eine hohe Luftströmungsrate zu liefern und dabei gleichzeitig übermäßige Befestigungsbeanspruchungen zu überwinden, die typischerweise in den großen rotierenden Schaufeln der vorderen Stufen eines Verdichters erfahren werden.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Patentanmeldung ist mit den folgenden der gemeinsamen Anmelderin gehörenden Patentanmeldungen verwandt: US Anmeldung Nr. 14/460,576 mit dem Titel „POWER TRAIN ARCHITECTURES WITH MONO-TYPE LOW-LOSS BEARINGS AND LOW-DENSITY MATERIALS“ („Antriebsstrangarchitekturen mit verlustarmen Monotype-Lagern und Materialien geringer Dichte“), Anwaltsaktenzeichen 261580-1 (GEEN-481); US Anmeldung Nr. 14/460,595 mit dem Titel „POWER TRAIN ARCHITECTURES WITH HYBRID-TYPE LOW-LOSS BEARINGS AND LOW-DENSITY MATERIALS“ („Antriebsstrangarchitekturen mit verlustarmen Hybridlagern und Materialien geringer Dichte“), Anwaltsaktenzeichen 267305-1 (GEEN-480); US Anmeldung Nr. 14/460,606 mit dem Titel „MECHANICAL DRIVE ARCHITECTURES WITH MONO-TYPE LOW-LOSS BEARINGS AND LOW-DENSITY MATERIALS“ („Mechanische Antriebsarchitekturen mit verlustarmen Monotype-Lagern und Materialien geringer Dichte“), Anwaltsaktenzeichen 271508-1 (GEEN-0539); US Anmeldung Nr. 14/460,620 mit dem Titel „MECHANICAL DRIVE ARCHITECTURES WITH HYBRID-TYPE LOW-LOSS BEARINGS AND LOW-DENSITY MATERIALS“ („Mechanische Antriebsarchitekturen mit verlustarmen Hybridlagern und Materialien geringer Dichte“), Anwaltsaktenzeichen 271509-1 (GEEN-0540); US Anmeldung Nr. 14/460410 mit dem Titel „POWER TRAIN ARCHITECTURES WITH LOW-LOSS LUBRICANT BEARINGS AND LOW-DENSITY MATERIALS“ („Antriebsstrangarchitekturen mit verlustarmen Lagern mit Schmierung und Materialien geringer Dichte“), Anwaltsaktenzeichen 276988; und US Anmeldung Nr. 14/460418 mit dem Titel „MECHANICAL DRIVE ARCHITECTURES WITH LOW-LOSS LUBRICANT BEARINGS AND LOW-DENSITY MATERIALS“ (“Mechanische Antriebsarchitekturen mit verlustarmen Lagern mit Schmierung und Materialien geringer Dichte“, Anwaltsaktenzeichen 276989. Jede der vorstehend identifizierten Patentanmeldungen ist gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereicht und wird durch Bezugnahme hierin aufgenommen.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Turbomaschinen und insbesondere eine mehrstufige Axialverdichteranordnung, die dazu eingerichtet ist, die Drehzahl von rotierenden Schaufeln in den vorderen Stufen eines Verdichters bezüglich der mittleren und der hinteren Stufen des Verdichters zu verlangsamen.
Rotierende Schaufeln in den vorderen Stufen eines mehrstufigen Axialverdichters sind typischerweise größer als die rotierenden Schaufeln in sowohl den mittleren als auch den hinteren Stufen des Verdichters. Dies macht die größeren rotierenden Schaufeln in den vorderen Stufen eines Axialverdichters aufgrund von großen Zentrifugalbelastungen, die durch die Rotation der größeren und schwereren Schaufeln ausgeübt werden, anfällig dafür, während des Betriebs stark beansprucht zu werden. Insbesondere wirken aufgrund der hohen Drehzahl der Rotorräder große Zentrifugallasten auf die Schaufeln in den vorderen Stufen des Axialverdichters, die wiederum die Schaufeln belasten und sie hohen Befestigungsbeanspruchungen aussetzen. Die großen Befestigungsbeanspruchungen, die an den rotierenden Schaufeln in den vorderen Stufen eines Axialverdichters auftreten können, werden dann problematisch, wenn es wünschenswerter wird, die Größe der Schaufeln zu erhöhen, um einen Verdichter zu erzeugen, der eine höhere Luftströmungsrate erzeugen kann, wie sie von manchen Anwendungen verlangt wird. Rotierende Schaufeln in einem Axialverdichter werden typischerweise aus Stahl gefertigt, aber diese Schaufeltypen erreichen ihre AN²-Grenze (d.h. das Produkt aus der Ringfläche (in zoll²) und dem Quadrat der Drehzahl (U/min)² – ein Parameter, der im Wesentlichen die Befestigungsbeanspruchung an einer Schaufel quantifiziert), wenn Hersteller von Verdichtern versuchen, die Größe der Schaufeln zu erhöhen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein mehrstufiger Axialverdichter offenbart. In diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der mehrstufige Axialverdichter eine drehbare Welle auf, die rotierende Schaufeln aufweist, die in einer Umfangsanordnung angeordnet sind, um mehrere Laufschaufelreihen zu definieren, die sich jeweils von der drehbaren Welle aus radial nach außen erstrecken. Ein Gehäuse umgibt die drehbare Welle. Das Gehäuse weist mehrere ringförmige Reihen stationärer Leitschaufeln auf, die sich jeweils nach innen in Richtung der drehbaren Welle erstrecken. Die ringförmigen Reihen stationärer Leitschaufeln sind mit den mehreren Laufschaufelreihen in einem alternierenden Muster entlang einer axialen Richtung parallel zu einer Rotationsachse der drehbaren Welle angeordnet. Jede Laufschaufelreihe, der unmittelbar eine Reihe stationärer Leitschaufeln folgt, bildet eine Stufe in der axialen Richtung. Das alternierende Muster aus einer Laufschaufelreihe, unmittelbar gefolgt von einer Reihe stationärer Leitschaufeln, definiert vordere Stufen an einem Ende der axialen Richtung und hintere Stufen an einem entgegengesetzten Ende, wobei mittlere Stufen dazwischen angebracht sind. Ein Verdichterdrehzahlminderer ist dazu eingerichtet, die Laufschaufeln in den vorderen Stufen mit einer niedrigeren Drehzahl als die der Laufschaufeln in den mittleren und den hinteren Stufen zu drehen.
In dem zuvor erwähnten Verdichter können die vorderen Stufen von Laufschaufeln die Laufschaufeln in einer beliebigen Stufe oder Kombination von Stufen von einer ersten Stufe bis zu einer fünften Stufe enthalten, wie sie von dem einem Ende der axialen Richtung definiert sind.
In dem Verdichter gemäß jedem beliebigen vorstehend erwähnten Typ kann der Verdichterdrehzahlminderer dazu eingerichtet sein, die Laufschaufeln in den vorderen Stufen in eine Richtung zu drehen, die zu einer Drehrichtung der mittleren Stufen und der hinteren Stufen entgegengesetzt ist.
Alternativ dazu kann der Verdichterdrehzahlminderer dazu eingerichtet sein, die Laufschaufeln in den vorderen Stufen in dieselbe Richtung wie die mittleren Stufen und die hinteren Stufen zu drehen.
In einer Ausführungsform kann der Verdichterdrehzahlminderer ein Getriebesystem mit feststehender Achse enthalten, das die Laufschaufeln in den vorderen Stufen mit der drehbaren Welle verbindet.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Verdichterdrehzahlminderer ein Planetengetriebesystem enthalten, das die Laufschaufeln in den vorderen Stufen mit der drehbaren Welle verbindet.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Verdichterdrehzahlminderer einen Drehmomentwandler enthalten, der die Laufschaufeln in den vorderen Stufen mit der drehbaren Welle verbindet.
In einer noch weiteren Ausführungsform kann der Verdichterdrehzahlminderer einen Elektromotor enthalten, der die Laufschaufeln in den vorderen Stufen antreibt.
In einer noch weiteren Ausführungsform kann der Verdichterdrehzahlminderer einen magnetischen Motor enthalten, der die Laufschaufeln in den vorderen Stufen antreibt.
In der zuletzt erwähnten Ausführungsform kann der magnetische Motor mit den Laufschaufeln in den vorderen Stufen radial ausgerichtet sein.
Alternativ dazu kann der magnetische Motor an einer Stelle in der Nähe der Laufschaufeln in den ersten Stufen mit der drehbaren Welle axial ausgerichtet sein.
Der Verdichter gemäß jedem beliebigen vorstehend erwähnten Typ kann ferner eine Lageranordnung enthalten, die dazu eingerichtet ist, den Verdichterdrehzahlminderer bezüglich der drehbaren Welle und der Laufschaufeln in den vorderen Stufen zu lagern.
In dem Verdichter gemäß dem zuletzt erwähnten Typ kann die Lageranordnung Folienlager enthalten.
Als eine Alternative oder zusätzlich kann die Lageranordnung Lager mit Wälzkörpern enthalten.
Als eine weitere Alternative oder weiter zusätzlich kann die Lageranordnung Magnetlager enthalten.
In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Gasturbinen- und -generatoranordnung offenbart. In diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Gasturbinen- und -generatoranordnung eine Turbine, einen Generator und einen Verdichter in Zusammenarbeit mit der Turbine und dem Generator auf. Der Verdichter weist eine drehbare Welle mit mehreren Laufschaufelreihen auf, die sich jeweils von der drehbaren Welle radial nach außen erstrecken. Mehrere ringförmige Reihen stationärer Leitschaufeln, die sich jeweils radial nach innen in Richtung der drehbaren Welle erstrecken. Die ringförmigen Reihen stationärer Leitschaufeln sind mit den mehreren Laufschaufelreihen in einem alternierenden Muster entlang einer axialen Richtung parallel zu einer Rotationsachse der drehbaren Welle angeordnet. Jede Laufschaufelreihe, der eine Reihe stationärer Leitschaufeln unmittelbar folgt, bildet eine Stufe in der axialen Richtung. Das alternierende Muster aus einer Laufschaufelreihe, der unmittelbar eine Reihe stationärer Leitschaufeln folgt, definiert vordere Stufen an einem Ende der axialen Richtung und hintere Stufen an einem entgegengesetzten Ende, wobei mittlere Stufen dazwischen angeordnet sind. Ein Verdichterdrehzahlminderer ist dazu eingerichtet, die Laufschaufeln in den vorderen Stufen mit einer niedrigeren Drehzahl als die Laufschaufeln in den mittleren Stufen und den hinteren Stufen zu drehen.
In der zuvor erwähnten Gasturbine kann der Verdichter ein mehrstufiger Axialverdichter sein.
Alternativ dazu kann der Verdichter ein mehrstufiger Zentrifugalverdichter sein.
In der Gasturbine gemäß jedem beliebigen vorstehend erwähnten Typ können die Turbine, der Generator und der Verdichter entlang einer einzigen Welle angekoppelt sein.
Als eine Alternative dazu können die Turbine, der Generator und der Verdichter in einer Mehrwellenanordnung angekoppelt sein.
In einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren offenbart. In diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren ein Einrichten eines Verdichterdrehzahlminderers mit einem Verdichter, der eine drehbare Welle mit mehreren Laufschaufelreihen aufweist, die sich jeweils von der drehbaren Welle radial nach außen erstrecken. Mehrere ringförmige Reihen stationärer Leitschaufeln, die sich jeweils radial nach innen in Richtung der drehbaren Welle erstrecken. Die ringförmigen Reihen stationärer Leitschaufeln sind mit den mehreren Laufschaufelreihen in einem alternierenden Muster entlang einer axialen Richtung parallel zu einer Rotationsachse der drehbaren Welle angeordnet. Jede Laufschaufelreihe, unmittelbar gefolgt von eine Reihe stationärer Leitschaufeln, bildet eine Stufe in der axialen Richtung. Das alternierende Muster aus einer Laufschaufelreihe, der eine Reihe stationärer Leitschaufeln unmittelbar folgt, definiert vordere Stufen an einem Ende der axialen Richtung und hintere Stufen an einem entgegengesetzten Ende, wobei mittlere Stufen dazwischen angeordnet sind. Das Verfahren weist ferner ein Verwenden eines Verdichterdrehzahlminderers, um die Laufschaufeln in den vorderen Stufen des Verdichters mit einer niedrigeren Drehzahl als die Laufschaufeln in den mittleren Stufen und den hinteren Stufen des Verdichters zu drehen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines mehrstufigen Axialverdichters, der einen Verdichterdrehzahlminderer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist;
2 zeigt ein schematisches Diagramm eines mehrstufigen Axialverdichters, der eine Getriebe- und Lageranordnung als den Verdichterdrehzahlminderer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist;
3A–3B zeigen schematische Diagramme eines mehrstufigen Axialverdichters, der einen Drehmomentwandler als den Verdichterdrehzahlminderer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist; und
4A–4C zeigen schematische Diagramme eines mehrstufigen Axialverdichters, der einen Motor als den Verdichterdrehzahlminderer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zielen darauf, die Drehzahl der rotierenden Schaufeln in den vorderen Stufen eines mehrstufigen Axialverdichters im Verhältnis zu den mittleren und den hinteren Stufen des Verdichters zu verlangsamen. Die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin beschrieben sind, können einen Verdichterdrehzahlminderer verwenden, um die Drehzahl der rotierenden Schaufeln in den vorderen Stufen eines mehrstufigen Axialverdichters zu verlangsamen. In einer Ausführungsform kann der Verdichterdrehzahlminderer ein Getriebesystem mit feststehender Achse enthalten, das die Laufschaufeln in den vorderen Stufen mit der drehbaren Welle des Verdichters verbindet. In einer Ausführungsform kann der Verdichterdrehzahlminderer einen Drehmomentwandler enthalten, der die Laufschaufeln in den vorderen Stufen mit der drehbaren Welle verbindet. In einer Ausführungsform kann der Verdichterdrehzahlminderer einen Elektromotor enthalten, der die Laufschaufeln in den vorderen Stufen mit einer niedrigeren Drehzahl antreibt. In einer Ausführungsform kann der Verdichterdrehzahlminderer einen magnetischen Motor enthalten, der die Laufschaufeln in den vorderen Stufen mit einer niedrigeren Drehzahl antreibt. Der magnetische Motor kann mit den Laufschaufeln in den vorderen Stufen radial ausgerichtet sein. Der magnetische Motor kann auch an einer Stelle in der Nähe der Laufschaufeln in den ersten Stufen mit der drehbaren Welle axial ausgerichtet sein. In einer Ausführungsform kann eine Lageranordnung dazu eingerichtet sein, den Verdichterdrehzahlminderer bezüglich der drehbaren Welle und der Laufschaufeln in den vorderen Stufen zu lagern. Diese Lageranordnung kann eine Filmlageranordnung (z.B. Öl, Gas, Wasser oder Dampf), eine Wälzlageranordnung (z.B. Kugel-, Nadel-, Zylinderrollen-, Kegelrollen-, Pendelrollenlager oder Lager mit elliptischen Rollen) oder eine magnetische Lageranordnung enthalten.
Die technischen Wirkungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen die Schaffung eines Axialverdichters, der dazu eingerichtet sein kann, eine größere Luftströmungsmenge zu liefern, was eine höhere Ausgabe des Verdichters oder der Gasturbine bedeutet, wenn sie in einer solchen Einrichtung verwendet werden. Die größere Luftströmungsmenge und Ausgabe, die sich aus der mehrstufigen Axialverdichteranordnung ergibt, kann unter Verwendung herkömmlichen Schaufelmaterials (z.B. Stahl) erzielt werden. In Folge dessen, können Hersteller von Verdichtern weiterhin die Größe der rotierenden Schaufeln in dem Verdichter erhöhen, um höhere Luftströmungsraten zu erzeugen, während sie gleichzeitig sicherstellen, dass solche vergrößerten Schaufeln vorgeschriebene AN²-Grenzen einhalten, um übermäßige Befestigungsbeanspruchungen zu vermeiden.
Bezugnehmend nun auf die Figuren, zeigt 1 ein schematisches Diagramm eines mehrstufigen Axialverdichters 100, der einen Verdichterdrehzahlminderer 105 aufweist, der innerhalb einer Gasturbinen- und -generatoranordnung 110 arbeitet. Obwohl hierin die mehrstufige Axialverdichteranordnung mit einem Verdichterdrehzahlminderer hinsichtlich einer Gasturbinen- und -generatoranordnung beschrieben ist, sollen die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht auf die alleinige Nutzung als eine Verdichterkomponente bei einer Gasturbinen- und -generatoranordnung beschränkt sein. Stattdessen kann die mehrstufige Axialverdichteranordnung mit einem Verdichterdrehzahlminderer eine Vielzahl von Anwendungen aufweisen. In einer Ausführungsform kann die mehrstufige Axialverdichteranordnung ein eigenständiger Verdichter sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die mehrstufige Axialverdichteranordnung mit einem Verdichterdrehzahlminderer als ein mehrstufiger Axial-/Zentrifugalverdichter entweder als eine Verdichterkomponente einer Gasturbine, einer Gasturbinenund -generatoranordnung oder als ein eigenständiger Verdichter verwendet werden.
Erneut bezugnehmend auf 1 befindet sich der mehrstufige Axialverdichter 100 zwischen einem Turbinenabschnitt 115 und einem Generator 120. In einer Ausführungsform verbindet eine gemeinsame drehbare Welle 125 den mehrstufigen Axialverdichter 100, den Turbinenabschnitt 115 und den Generator 120 entlang einer einzigen Linie. Bei diesem Aufbau kann der Turbinenabschnitt 115 den mehrstufigen Axialverdichter 100 und den Generator 120 antreiben. Obwohl der mehrstufige Axialverdichter 100, der Turbinenabschnitt 115 und der Generator 120 mittels einer einzigen gemeinsamen drehbaren Welle 125 verbunden sind, werden Fachleute erkennen, dass andere Verbindungen und Wellenstranganordnungen verwendet werden können. Beispielsweise liegen Mehrwellen-Konfigurationen, die andere Verbindungen und Wellenstranganordnungen verwenden, in dem Umfang der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Außerdem werden Fachleute erkennen, dass aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 die Gasturbinen- und -generatoranordnung 110 mit den Komponenten gezeigt ist, die die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen, und dass es andere als die in der Figur gezeigten Komponenten geben würde. Die Gasturbinen- und -generatoranordnung 110 könnte einen Brennkammerabschnitt als eine der anderen primären Komponenten und sekundäre Komponenten wie z.B. eine Gasbrennstoffzuführung, Strömungssteuerventile, ein Kühlsystem, usw. aufweisen. Außerdem stellt die Gasturbinenund -generatoranordnung 110, wie sie in 1 dargestellt ist, lediglich ein Beispiel für eine Konfiguration dar, bei der die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Ausführungsform funktionieren können, und sie soll nicht beschränkend sein.
In 1 kann ein mehrstufiger Axialverdichter 100 Laufschaufelstufen enthalten, die in einer axialen Richtung entlang der drehbaren Welle 125 angeordnet sind. Der mehrstufige Axialverdichter 100 enthält insbesondere vordere Schaufelstufen 130 und mittlere und hintere Schaufelstufen 135. Wie hierin verwendet, sind die vorderen Schaufelstufen 130 an dem Front- oder vorderen Ende des mehrstufigen Axialverdichters 100 entlang der drehbaren Welle 125 an dem Abschnitt angeordnet, an dem die Luftströmung (oder Gasströmung) über (nicht gezeigte) Einlassleitschaufeln in den Verdichter einströmt. Die mittleren und hinteren Schaufelstufen 135 beziehen sich auf die Schaufeln, die stromabwärts von den vorderen Stufen entlang der drehbaren Welle 125 dort angeordnet sind, wo die Luftströmung (oder Gasströmung) weiter auf einen erhöhten Druck verdichtet wird.
Jede der Stufen kann rotierende Schaufeln enthalten, die in einer Umfangsanordnung um den Umfang der drehbaren Welle 125 herum angeordnet sind, um Laufschaufelreihen zu definieren, die sich von der drehbaren Welle 125 aus radial nach außen erstrecken. Die Laufschaufelreihen sind axial entlang der drehbaren Welle 125 an Stellen angebracht, die sich in den vorderen Stufen 130 und den mittleren und hinteren Stufen 135 befinden. Außerdem kann jede der Stufen ringförmige Reihen stationärer Leitschaufeln enthalten, die sich radial nach innen in Richtung der drehbaren Welle 125 in den vorderen Stufen 130 und den mittleren und hinteren Stufen 135 erstrecken. In einer Ausführungsform können die ringförmigen Reihen stationärer Leitschaufeln an dem (nicht dargestellten) Gehäuse des Verdichters angeordnet sein, das die drehbare Welle 125 umgibt. In jeder der Stufen können die ringförmigen Reihen stationärer Leitschaufeln mit den Laufschaufelreihen in einem alternierenden Muster entlang einer axialen Richtung der drehbaren Welle 125 parallel zu ihrer Rotationsachse angeordnet sein. Auf diese Weise sind die Laufschaufeln in jeder Stufe gekammert, um Arbeit zu verrichten und um die Strömung zu der axialen Richtung hin umzulenken, während die stationären Leitschaufeln in jeder Stufe gekammert sind, um die Strömung zu der axialen Richtung hin umzulenken, wobei sie diese für die Laufschaufeln der nächsten Stufe vorbereiten.
Der Verdichterdrehzahlminderer 105, der an den vorderen Schaufelreihen 130 angeordnet ist, ist dazu eingerichtet, die Laufschaufeln in diesen Stufen mit einer niedrigeren Drehzahl als die der Laufschaufeln in den mittleren und hinteren Stufen 135 zu drehen. In einer Ausführungsform kann der Verdichterdrehzahlminderer 105 die Drehzahl der beweglichen Schaufeln einer beliebigen einzelnen Stufe oder einer Kombination von Stufen beginnend von der ersten Stufe bis zu der fünften Stufe, wie sie von dem vorderen Ende des mehrstufigen Verdichters, wo die Luftströmung (oder Gasströmung) in den Verdichter einströmt, aus definiert sind, verlangsamen. Die Anzahl von Stufen, die die vorderen Schaufelstufen bilden, kann abhängig von der Gesamtanzahl der Stufen in einem Verdichter variieren. Außerdem soll die Anzahl von Stufen, die die vorderen Schaufelstufen 130 bilden, in den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die auf eine Reduzierung der Drehzahl der Laufschaufeln gerichtet sind, nicht auf irgendeine bestimmte Anzahl beschränkt sein. Fachleute werden erkennen, dass mit der Bezeichnung der vorderen Schaufelstufen im Allgemeinen ein Bezug auf diejenigen Stufen des Verdichters gemeint ist, die zu der Verdichterströmungsrate beitragen, während mit der Bezeichnung der mittleren oder hinteren Schaufelstufen im Allgemeinen ein Bezug auf diejenigen Stufen des Verdichters gemeint ist, die zu seiner Druckerhöhung beitragen.
In einer Ausführungsform kann der Verdichterdrehzahlminderer 105 die Drehzahl der beweglichen Schaufeln in den vorderen Stufen in einer Weise verlangsamen, so dass sich die Schaufeln in diesen Stufen in mehr als eine Richtung drehen. Der Verdichterdrehzahlminderer 105 kann beispielsweise die Drehzahl der Laufschaufeln in den vorderen Stufen 130 in eine Richtung, die der Richtung der Drehung der Schaufeln in den mittleren und hinteren Stufen 135 ähnlich ist, verlangsamen. Gleichermaßen kann in einer weiteren Ausführungsform der Verdichterdrehzahlminderer die Drehzahl der Laufschaufeln in den vorderen Stufen 130 in eine Richtung verlangsamen, die zu der Drehrichtung der Schaufeln in den mittleren und hinteren Stufen 135 entgegengesetzt ist. Beispiele verschiedener Umsetzungen für den Verdichterdrehzahlminderer 105, der die Drehzahl der Laufschaufeln in den vorderen Stufen des mehrstufigen Axialverdichters 100 verlangsamen kann, sind nachstehend detaillierter und unter Bezugnahme auf die 2–5 beschrieben.
Eine Gasturbinentriebwerks- und -generatoranordnung 110, die mit dem mehrstufigen Axialverdichter 100 und dem Verdichterdrehzahlminderer 105 verwendet wird, kann in der folgenden Weise funktionieren. Während Luft zu dem mehrstufigen Axialverdichter 100 durch Einlassleitschaufeln geführt wird, kann der Verdichterdrehzahlminderer dazu eingerichtet sein, die Drehzahl der vorderen Schaufelstufen 130 im Verhältnis zu den mittleren und hinteren Schaufelstufen 135 zu verlangsamen. Der Verdichterdrehzahlminderer 105 kann z.B. verwendet werden, um die Drehzahl der vorderen Schaufelstufen 130 auf ungefähr 3000 Umdrehungen pro Minute (U/min) zu verlangsamen, während sich die Laufschaufeln der mittleren und hinteren Schaufelstufen 135 mit ungefähr 3600 U/min drehen. Das Verlangsamen der Drehzahl der vorderen Schaufelstufen 130 im Verhältnis zu den mittleren und hinteren Schaufelstufen 135 ermöglicht größere vordere Stufen, die einen erhöhten Luftdurchfluss (oder Gasdurchfluss) durch den Verdichter 100 liefern, was bedeutet, dass durch die Gasturbine 110 hindurch mehre Luftströmung strömt. Mehr Luftströmung durch die Gasturbine 110 bedeutet eine höhere Ausgabe. Dies kann unter Verwendung von herkömmlichen stählernen Laufschaufeln und nicht von Schaufeln, die aus Materialien mit niedrigerer Dichte, wie z.B. Titan (z.B. massives Titan, Titan mit hohlem Kern) oder aus Verbundstoffen, konstruiert sind, erreicht werden. Weil die Laufschaufeln der vorderen Stufen mit einer reduzierten Drehzahl betrieben werden können, können Befestigungsbeanspruchungen, die typischerweise in diesen Stufen auftreten, vermindert werden. Dies ermöglicht Herstellern von Verdichtern, die Größen der Laufschaufeln der vorderen Stufen auf Größen zu steigern, die innerhalb vorgeschriebener AN²-Grenzen liegen.
Fortfahrend mit der Beschreibung der Funktionsweise der Gasturbinen- und -generatoranordnung 110 wird in einem (in 1 nicht dargestellten) Brennkammerabschnitt die verdichtete Luft aus dem mehrstufigen Axialverdichter 100 mit Brennstoff vermischt. Der Turbinenabschnitt 115 wird durch ein von dem Brennkammerabschnitt erzeugtes Verbrennungsgas hoher Temperatur drehend angetrieben. Das Verbrennungsgas kann aus der Gasturbinen- und -generatoranordnung 110 als Abgas ausgegeben werden. Der Generator 120 wird durch eine Drehkraft des Turbinenabschnitts 115 angetrieben, die durch die drehbare Welle 125, die mit dem mehrstufigen Axialverdichter 100 und dem Turbinenabschnitt 115 zusammenarbeitet, übertragen wird. Auf diese Weise würde der Verdichterdrehzahlminderer 105 die Drehzahl der Welle 125 an einem Abschnitt, der mit dem Turbinenabschnitt 115 verbunden ist, nicht ändern. D.h., die Drehzahl der Welle 125 wird sich an dem Abschnitt, der mit dem Turbinenabschnitt 115 verbunden ist, nicht erhöhen oder verringern.
2 zeigt ein schematisches Diagramm einer Gasturbinen- und -generatoranordnung 200 mit einem mehrstufigen Axialverdichter 202, der eine Getriebeanordnung 205 und eine Lageranordnung 210 als den Verdichterdrehzahlminderer aufweist. Die Getriebeanordnung 205 und die Lageranordnung 210 können an den vorderen Schaufelstufen 130 auf oder in der Nähe der drehbaren Welle 125 angeordnet sein. Auf diese Weise können die Getriebeanordnung 205 und die Lageranordnung 210 die Drehzahl der Laufschaufeln in den vorderen Schaufelstufen 130 verlangsamen. Die Getriebeanordnung 205 kann in einigen verschiedenen Formen eingerichtet sein. In einer Ausführungsform kann die Getriebeanordnung 205 ein Getriebesystem mit feststehender Achse sein, das die Laufschaufeln in den vorderen Stufen 130 mit der drehbaren Welle 125 verbindet. In einer anderen Ausführungsform kann die Getriebeanordnung 205 ein Planetengetriebesystem sein, das die Laufschaufeln in den vorderen Stufen 130 mit der drehbaren Welle 125 verbindet. Die Lageranordnung 210 kann in einigen verschiedenen Formen eingerichtet sein, um die Getriebeanordnung 205 in Bezug auf die drehbare Welle 125 und die Laufschaufeln in der vorderen Stufe 130 zu lagern. In einer Ausführungsform kann die Lageranordnung 210 Filmlager (z.B. mit Öl, Gas, Wasser oder Dampf) enthalten. In einer anderen Ausführungsform kann die Lageranordnung 210 ein Wälzkörperlager (z.B. Kugel-, Nadel-, Zylinderrollen-, Kegelrollen-, Pendelrollenlager oder Lager mit elliptischen Rollen) enthalten. In einer weiteren Ausführungsform kann die Lageranordnung 210 magnetische Lager enthalten.
3A–3B zeigen schematische Diagramme einer Gasturbinen- und -generatoranordnung 300 mit einem mehrstufigen Axialverdichter 302, der einen Drehmomentwandler 305 als den Verdichterdrehzahlminderer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist. In 3A kann der Drehmomentwandler 305 neben den vorderen Schaufelstufen 130 an oder in der Nähe der drehbaren Welle 125 angeordnet sein. In einer Ausführungsform, wie sie in 3A gezeigt ist, ist der Drehmomentwandler 305 um die drehbare Welle 125 herum zwischen den vorderen Schaufelstufen 130 und den mittleren und hinteren Schaufelstufen 135 angeordnet. Auf diese Weise erzeugt der Drehmomentwandler 305 eine Fluidverbindung zwischen den Laufschaufeln in den vorderen Schaufelstufen 130 und der Welle 125 in den mittleren und hinteren Stufen 135. Der Drehmomentwandler 305 ermöglicht es, dass eine Drehkraft mittels eines umlaufenden Fluids in einem geschlossenen Gehäuse übertragen wird, wodurch eine Drehzahlreduktion zwischen den vorderen Schaufelstufen 130 und der Welle 125 in den mittleren und hinteren Stufen 135 ermöglicht wird. Der Drehmomentwandler 305 in 3B arbeitet in Verbindung mit einem Motor 310, um die Drehzahl der Laufschaufeln in den vorderen Schaufelstufen 130 zu steuern, während die Welle 125 in den mittleren und hinteren Stufen 135 weiterhin die Schaufeln in diesen Stufen mit ihrer typischen Drehzahl dreht. Der Drehmomentwandler 305, wie er in den 3A–3B verwendet wird, kann einen kompakten Drehmomentwandler mit niedriger Viskosität enthalten, der die Laufschaufeln in den vorderen Stufen 130 entweder mit der drehbaren Welle 125 oder mit einem Motor 310 verbindet.
4A–4C zeigen schematische Diagramme einer Gasturbinen- und -generatoranordnung 400 mit einem mehrstufigen Axialverdichter 402, der einen Motor 405 als den Verdichterdrehzahlminderer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist. In 4A kann der Motor 405 benachbart zu den vorderen Schaufelstufen 130 an oder in der Nähe der drehbaren Welle 125 angeordnet sein. Auf diese Weise wird die Drehzahl der Laufschaufeln in den vorderen Schaufelstufen 130 im Verhältnis zu der Drehzahl der Welle 125, die die Laufschaufeln in den mittleren und hinteren Stufen 135 dreht, verlangsamt. In einer Ausführungsform kann der Motor 405 einen Elektromotor enthalten, der die Laufschaufeln in den vorderen Stufen 130 antreibt, mit einer niedrigeren Drehzahl zu rotieren. In einer weiteren Ausführungsform kann der Motor 405 einen magnetischen Motor enthalten, der die Laufschaufeln in den vorderen Stufen 130 antreibt, mit einer niedrigeren Drehzahl im Verhältnis zu den Laufschaufeln in den mittleren und hinteren Stufen 135 zu rotieren. In einer Ausführungsform, wie sie in 4B gezeigt ist, kann ein magnetischer Motor 407 mit den Laufschaufeln in den vorderen Stufen 130 radial ausgerichtet sein. In einer weiteren Ausführungsform, wie sie in 4C gezeigt ist, kann ein magnetischer Motor 407 an einer Stelle in der Nähe der Laufschaufeln in den vorderen Stufen 130 mit der drehbaren Welle axial ausgerichtet sein.
Wie hierin beschrieben, beschreiben die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine mehrstufige Axialverdichteranordnung, welche verwendet werden kann, um die Drehzahl der Laufschaufeln in den vorderen Stufen des Verdichters im Verhältnis zu den Laufschaufeln in den mittleren und hinteren Stufen des Verdichters zu verlangsamen. Das Verlangsamen der Drehzahl der vorderen Schaufelstufen im Verhältnis zu den mittleren und hinteren Stufen von Laufschaufeln ermöglicht größere vordere Stufen, die eine erhöhte Luftströmung durch den Verdichter liefern können. Dies bedeutet eine höhere Ausgabe aus dem System, das der Verdichter betreibt (z.B. einer Gasturbine oder einem eigenständiger Verdichter). Diese Anordnung ermöglicht die Verwendung herkömmlicher Stahlschaufeln in dem Verdichter. In Folge dessen können Hersteller von Verdichtern den ringförmigen Bereich von Laufschaufeln in den vorderen Stufen des Verdichters vergrößern, was zu einer Erhöhung der gesamten Luftströmungs-(oder Gasströmungs-)rate führt, die von dem Verdichter geliefert wird.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung spezieller Ausführungsformen und soll für die Offenbarung nicht beschränkend sein. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen ”einer, eine, eines” und ”der, die, das” auch die Pluralformen mit einschließen, soweit der Kontext nicht deutlich anderes anzeigt. Es dürfte sich ferner verstehen, dass die Begriffe ”weist auf”, ”aufweisend”, ”enthält”, ”enthaltend” und ”hat”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorliegen der angegebenen Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, aber nicht das Vorliegen oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Ferner wird verstanden, dass die Begriffe „vorne“ und „hinten“ nicht einschränkend sein sollen und wenn passend austauschbar sein sollen.
Während die Offenbarung speziell in Verbindung mit einer bevorzugten Ausführungsform von dieser veranschaulicht und beschrieben wurde, versteht es sich, dass sich dem Fachmann Veränderungen und Modifikationen erschließen werden. Demzufolge ist es verständlich, dass die beigefügten Patentansprüche sämtliche derartige Modifikationen und Veränderungen abdecken sollen, wie sie in den wahren Geltungsbereich der Offenbarung fallen.
Es ist eine mehrstufige Axialverdichteranordnung offenbart, die einen Verdichterdrehzahlminderer verwendet, um die Laufschaufeln in den vorderen Stufen des Verdichters mit einer niedrigeren Drehzahl als die Laufschaufeln in den mittleren Stufen und den hinteren Stufen des Verdichters zu drehen. Eine Verlangsamung der Drehzahl der Laufschaufeln in den vorderen Stufen im Verhältnis zu den Schaufeln in den mittleren Stufen und den hinteren Stufen ermöglicht dem mehrstufigen Axialverdichter, eine hohe Luftströmungsrate zu liefern und dabei gleichzeitig übermäßige Befestigungsbeanspruchungen zu überwinden, die typischerweise in den großen rotierenden Schaufeln der vorderen Stufen eines Verdichters erfahren werden.

Claims

Mehrstufiger Axialverdichter, der aufweist: eine drehbare Welle, die rotierende Schaufeln aufweist, die in einer Umfangsanordnung angeordnet sind, um mehrere Laufschaufelreihen zu definieren, die sich jeweils von der drehbaren Welle radial nach außen erstrecken; ein Gehäuse, das die drehbare Welle umgibt, wobei das Gehäuse mehrere ringförmige Reihen stationärer Leitschaufeln aufweist, die sich jeweils radial nach innen in Richtung auf die drehbare Welle erstrecken, wobei die ringförmigen Reihen stationärer Leitschaufeln mit den mehreren Laufschaufelreihen in einem alternierenden Muster entlang einer axialen Richtung parallel zu einer Rotationsachse der drehbaren Welle angeordnet sind, wobei jede Laufschaufelreihe, der unmittelbar eine Reihe stationärer Leitschaufeln folgt, eine Stufe in der axialen Richtung bildet, wobei das alternierende Muster einer Laufschaufelreihe, der unmittelbar eine Reihe stationärer Leitschaufeln folgt, vordere Stufen an einem Ende der axialen Richtung und hintere Stufen an einem entgegengesetzten Ende definiert, wobei mittlere Stufen dazwischen angeordnet sind; und einen Verdichterdrehzahlminderer, der dazu eingerichtet ist, die Laufschaufeln in den vorderen Stufen mit einer niedrigeren Drehzahl als die der Laufschaufeln in den mittleren Stufen und den hinteren Stufen zu drehen.
Verdichter gemäß Anspruch 1, wobei die vorderen Stufen der Laufschaufeln die Laufschaufeln in einer beliebigen Stufe oder einer Kombination von Stufen von einer ersten Stufe bis zu einer fünften Stufe, wie sie von dem einen Ende der axialen Richtung aus definiert sind, enthalten.
Verdichter gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Verdichterdrehzahlminderer dazu eingerichtet ist, die Laufschaufeln in den vorderen Stufen in eine Richtung zu drehen, die zu einer Drehrichtung der mittleren Stufen und der hinteren Stufen entgegengesetzt ist; oder wobei der Verdichterdrehzahlminderer dazu eingerichtet ist, die Laufschaufeln in den vorderen Stufen in dieselbe Richtung wie die mittleren Stufen und die hinteren Stufen zu drehen.
Verdichter gemäß jedem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, wobei der Verdichterdrehzahlminderer zumindest eines enthält von: einem Getriebesystem mit feststehender Achse, das die Laufschaufeln in den vorderen Stufen mit der drehbaren Welle verbindet; einem Planetengetriebesystem, das die Laufschaufeln in den vorderen Stufen mit der drehbaren Welle verbindet; einem Drehmomentwandler, der die Laufschaufeln in den vorderen Stufen mit der drehbaren Welle verbindet; einem Elektromotor, der die Laufschaufeln in den vorderen Stufen antreibt; und einem magnetischen Motor, der die Laufschaufeln in den vorderen Stufen antreibt.
Verdichter gemäß Anspruch 4, wobei der Verdichterdrehzahlminderer den magnetischen Motor enthält, der die Laufschaufeln in den vorderen Stufen antreibt, wobei der magnetische Motor mit den Laufschaufeln in der vorderen Stufe radial ausgerichtet ist; oder wobei der magnetische Motor an einer Stelle in der Nähe der Laufschaufeln in den vorderen Stufen mit der drehbaren Welle axial ausgerichtet ist.
Verdichter gemäß einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, der ferner eine Lageranordnung enthält, die dazu eingerichtet ist, den Verdichterdrehzahlminderer in Bezug auf die drehbare Welle und die Laufschaufeln in den vorderen Stufen zu lagern.
Verdichter gemäß Anspruch 6, wobei die Lageranordnung zumindest eines von Folienlagern, Wälzkörperlagern und magnetischen Lagern enthält.
Gasturbinen- und -generatoranordnung, die aufweist: eine Turbine; einen Generator; und einen Verdichter in Zusammenarbeit mit der Turbine und dem Generator, wobei der Verdichter eine drehbare Welle mit mehreren Laufschaufelreihen aufweist, die sich jeweils von der drehbaren Welle radial nach außen erstrecken, mehrere ringförmige Reihen stationärer Leitschaufeln, die sich jeweils nach innen in Richtung der drehbaren Welle erstrecken, wobei die ringförmigen Reihen stationärer Leitschaufeln mit den mehreren Laufschaufelreihen in einem alternierenden Muster entlang einer axialen Richtung parallel zu einer Rotationsachse der drehbaren Welle angeordnet sind, wobei jede Laufschaufelreihe, der unmittelbar eine Reihe stationärer Leitschaufeln folgt, eine Stufe in der axialen Richtung bildet, wobei das alternierende Muster einer Laufschaufelreihe, der unmittelbar eine Reihe stationärer Leitschaufeln folgt, vordere Stufen an einem Ende der axialen Richtung und hintere Stufen an einem entgegengesetzten Ende definiert, wobei mittlere Stufen dazwischen angeordnet sind; und einen Verdichterdrehzahlminderer, der dazu eingerichtet ist, die Laufschaufeln in den vorderen Stufen mit einer niedrigeren Drehzahl als die der Laufschaufeln in den mittleren Stufen und den hinteren Stufen zu drehen.
Gasturbine gemäß Anspruch 8, wobei der Verdichter ein mehrstufiger Axialverdichter ist; oder wobei der Verdichter ein mehrstufiger Zentrifugalverdichter ist.
Gasturbine gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die Turbine, der Generator und der Verdichter entlang einer einzigen Welle angekoppelt sind oder in einer Mehrwellenanordnung angekoppelt sind.