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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Fluggasturbine, mit wenigstens einer Verdichterseite, wenigstens einer Turbinenseite und wenigstens einem Brennkammerbereich, der zwischen der Verdichterseite und der Turbinenseite angeordnet ist, wobei die Strömungsmaschine einen inneren Kernbereich und wenigstens einen äußeren Kernbereich aufweist, wobei der innere Kernbereich einen Hochdruckverdichter und eine Hochdruckturbine umfasst, die mit einer ersten Welle in Wirkverbindung stehen, und wobei der äußere Kernbereich wenigstens einen weiteren Verdichter und wenigstens eine weitere Turbine, die mit wenigstens einer weiteren Welle in Wirkverbindung stehen.
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Richtungsangaben wie „Axial-“ bzw. „axial“, „Radial-“ bzw. „radial“ und „Umfangs-“ sind grundsätzlich auf die Maschinenachse der Strömungsmaschine, insbesondere Gasturbine bezogen zu verstehen, sofern sich aus dem Kontext nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
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Um derartige Strömungsmaschinen optimiert betreiben zu können, ist es bekannt beispielsweise verstellbare Turbinen vorzusehen, um den Kreisprozess einer betreffenden Strömungsmaschine zu verbessern und für bestimmte Zielgrößen zu optimieren.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Strömungsmaschine bereitzustellen, bei der der Betrieb der Hochdruckturbine optimiert ist.
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Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Strömungsmaschine im Bereich der Hochdruckturbine und im Bereich der weiteren Turbine derart ausgestaltet ist, dass die Hochdruckturbine bei einem Expansionsverhältnis betrieben wird, das kleiner als 1,9 ist, und dass die Hochdruckturbine im Stodola-Bereich betrieben wird.
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Es wird weiter vorgeschlagen, dass die Hochdruckturbine eine einzige Turbinenstufe mit einem Rotor und einem Stator aufweist. Der Rotor kann dabei ein Laufschaufelkranz sein, wobei der Stator als Leitschaufelgitter ausgebildet sein kann.
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Die Hochdruckturbine kann weiter derart ausgelegt sein, dass der Reaktionsgrad ≥ 0,5 ist, wobei der Reaktionsgrad das Verhältnis aus dem statischen Enthalpiegefälle im Rotor bezogen auf das statische Enthalpiegefälle in der gesamten (einzigen) Turbinenstufe der Hochdruckturbine ist.
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Für die Strömungsmaschine wird weiter vorgeschlagen, dass die weitere Turbine stromabwärts der Hochdruckturbine, insbesondere unmittelbar anschließend an die Hochdruckturbine angeordnet ist. Dabei kann die weitere Turbine Verstellmittel, insbesondere mechanische Verstellmittel aufweisen, die dazu eingerichtet sind, die Kapazität der weiteren Turbine zu verändern. Durch die Kombination einer verstellbaren weiteren Turbine, die beispielsweise eine Niederdruckturbine oder eine Mitteldruckturbine sein kann, mit der einstufigen Hochdruckturbine kann aufgrund der Kapazitätsanpassung erreicht werden, dass die Hochdruckturbine im gewünschten Betriebsbereich arbeitet. Insoweit ist die Hochdruckturbine durch die verstellbare weitere Turbine indirekt beeinflussbar hinsichtlich ihrer Betriebsparameter. In diesem Zusammenhang wird weiter vorgeschlagen, dass die Verstellmittel der weiteren Turbine dazu eingerichtet sind, so verstellt zu werden, dass das Expansionsverhältnis der Hochdruckturbine im gewünschten Bereich <1,9 liegt, wodurch die Kapazität der Hochdruckturbine veränderbar ist.
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Um die Hochdruckturbine unter den gewünschten Bedingungen arbeiten zu lassen, wird vorgeschlagen, dass ein Nabenverhältnis am Austritt der Hochdruckturbine im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 0,8 liegt. Das Nabenverhältnis ist dabei der Quotient von Nabenradius zu Laufschaufelradius. Anders ausgedrückt weisen die Laufschaufeln ausgehend von einem radialen Außenrand der Nabe eine radiale Länge auf, die etwa dem 0,2 bis 1, 1-Fachen des Nabenradius entspricht, vorzugsweise etwa dem 0,25- bis 1-Fachen des Nabenradius. Diese radiale Länge der Laufschaufeln entspricht auch in etwa der radialen Länge des vom Arbeitsmedium durchflossenen Ringkanals in der Hochdruckturbine.
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Es wird weiter vorgeschlagen, dass die Strömungsmaschine derart betrieben wird, dass innerhalb der Hochdruckturbine gemessene Machzahlen auch innerhalb des Gitters des Stators im interessierenden Stodola-Bereich kleiner als Mach 1 sind. Ferner kann die axiale Austrittsmachzahl des aus der Hochdruckturbine austretenden Arbeitsmediums einen Wert von kleiner oder gleich 0,65 aufweisen.
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Durch das hier vorgestellte Konzept einer Strömungsmaschine soll durch eine variable stromabwärts liegende Turbine das Expansionsverhältnis der Hochdruckturbine, die bevorzugt einstufig ausgeführt ist, variiert werden, so dass hierdurch gleichzeitig die Hochdruckturbinenkapazität geändert werden kann. Es hat sich gezeigt, dass dies besonders gut funktioniert, wenn die Hochdruckturbine ein kritisches Druckverhältnis nicht überschreitet, insbesondere ein Expansionsverhältnis von 1,9 nicht überschreitet.
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Die Erfindung betrifft ferner auch ein Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Expansionsverhältnis, bei dem die Hochdruckturbine betrieben wird auf kleiner als 1,9 festgesetzt wird, wobei die Hochdruckturbine im Stodola-Bereich betrieben wird, und wobei der Betrieb der Hochdruckturbine innerhalb der gewünschten Betriebsparameter durch eine Kapazitätsanpassung bei einer stromabwärts angeordneten weiteren Turbine erfolgt durch Verstellen der Kapazität der weiteren Turbine.
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Dieses Verfahren kann weitere Schritte umfassen, die oben unter Bezugnahme auf die Strömungsmaschine und deren Betrieb bereits beschrieben worden sind, wie beispielsweise Einstellen bzw. Regeln eines bestimmten Reaktionsgrades, Einstellen bzw. Regeln einer bestimmten Machzahl, oder/und Einstellen einer insbesondere mechanischen Verstellung der weiteren Turbine.
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Ferner kann das Verfahren auch Schritte umfassen, die das Erfassen bzw. Detektieren von Bezugsgrößen betreffen, wie etwa das Erfassen von Druckwerten, das Erfassen von Strömungsgeschwindigkeiten, das Erfassen von Verstellgrößen, wie beispielsweise Stellwinkeln von Turbinenschaufeln, und dergleichen.
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Das Verfahren kann insbesondere unter Einsatz einer elektronischen Steuereinheit erfolgen, die dazu eingerichtet ist, auf Basis von erfassten Werten des Betriebs der Strömungsmaschine, Einstellungen insbesondere an der verstellbaren weiteren Turbine vorzunehmen, um den Betrieb der Hochdruckturbine mit gewünschten Betriebsparametern zu steuern bzw. zu regeln.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren beispielhaft und nicht einschränkend beschrieben.
- 1 zeigt eine rein schematische Prinzipdarstellung einer Strömungsmaschine.
- 2 zeigt ein vereinfachtes Diagramm für die Betriebsparameter der Hochdruckturbine der Strömungsmaschine.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Strömungsmaschine 10. Die Strömung weist in Richtung eines die Strömungsmaschine 10 durchströmenden Arbeitsmediums bzw. Arbeitsfluids, das als gestrichelter Pfeil 12 illustriert ist, einen Fan bzw. ein Gebläse 14, eine Verdichterseite 16, einen Brennkammerbereich 18 und eine Turbinenseite 20 auf. Die Strömungsmaschine ist in der dargestellten Ausführungsform als Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine bzw. Flugtriebwerk, ausgebildet.
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Die Verdichterseite 16 umfasst in der dargestellten Ausführungsform einen Niederdruckverdichter 22, einen Mitteldruckverdichter 24 und einen Hochdruckverdichter 26.. Die Turbinenseite 20 umfasst eine Hochdruckturbine 28, eine Mitteldruckturbine 30 und eine Niederdruckturbine 32.
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Der Hochdruckverdichter 26 und die Hochdruckturbine 28 bilden zusammen einen sogenannten inneren Kernbereich 34. Dabei sind der Hochdruckverdichter 26 und die Hochdruckturbine 28 über eine gemeinsame (Hochdruck-)Welle 36 miteinander verbunden.
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Der Mitteldruckverdichter 24 und die Mitteldruckturbine 30 bilden zusammen einen sogenannten äußeren Kernbereich 38. Dabei sind der Mitteldruckverdichter 24 und die Mitteldruckturbine 30 über eine gemeinsame (Mitteldruck-)Welle 40 miteinander verbunden.
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Der Niederdruckverdichter 22 und der Fan 14 sind über eine gemeinsame (Niederdruck-)Welle 42 mit der Niederdruckturbine 32 verbunden. Der Niederdruckverdichter 22 und der Fan 14 bilden im vorliegenden Beispiel ein Niederdrucksystem. Ein solches Niederdrucksystem kann allerdings auch nur durch einen Fan 14 oder nur durch einen Niederdruckverdichter 22 gebildet werden.
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Die Hochdruckturbine 28 ist in dieser Ausführungsform mit einem einzigen Leitschaufelgitter 28a und einem einzigen Laufschaufelkranz 28b ausgeführt. Es handelt sich bei der Hochdruckturbine 28 also um eine einstufige Turbine.
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Die Mitteldruckturbine 30 oder/und die Niederdruckturbine 32 können Verstellmittel 44 aufweisen, die hier nur schematisch als Kästchen illustriert sind. Die Verstellmittel 44 können beispielsweise mechanische oder hydraulische oder elektrische Verstellmittel sein. Die Verstellmittel 44 sind dazu eingerichtet die Kapazität der Mitteldruckturbine 30 oder/und der Niederdruckturbine 32 zu verändern.
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Die Mitteldruckturbine 30 kann gemäß der vorliegenden Erfindung als weitere Turbine bezeichnet werden, die strömabwärts der einstufigen Hochdruckturbine 28 angeordnet ist. Durch die Verstellmittel 44, die der Mitteldruckturbine 30 zugeordnet sind, kann die einerseits die Kapazität der Mitteldruckturbine 30 verändert werden. Diese Änderung der Kapazität der Mitteldruckturbine 30 beeinflusst auch den Betrieb der insbesondere einstufigen Hochdruckturbine 28, so dass die Hochdruckturbine entsprechend den gewünschten Betriebsparametern betrieben werden kann. Insbesondere kann durch die weitere Turbine, hier die Mitteldruckturbine 30, das Expansionsverhältnis der Hochdruckturbine 28 variiert werden, wodurch auch die Kapazität der Hochdruckturbine 28 verändert werden kann.
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Wie in der 2 dargestellt, ist die Hochdruckturbine 28 der Strömungsmaschine 10 insbesondere so ausgelegt, dass ihr Arbeitspunkt AP in einem Bereich liegt, bei dem das Expansionsverhältnis EV unter einem kritischen Expansionsverhältnis KEV liegt. Insbesondere soll die Hochdruckturbine 28 bei einem Expansionsverhältnis von unter 1,9 betrieben werden, bevorzugt unter 1,8. Liegt das Expansionsverhältnis über dem Wert von 1,9 wird die Hochdruckturbine 28 sonisch durchströmt SO bzw. arbeitet in einem sonisch durströmten Bereich SO. Bei einem Expansionsverhältnis EV, das kleiner als 1,9 ist, arbeitet die Hochdruckturbine 28 im sogenannten Stodola-Bereich SR. Innerhalb dieses Bereichs kann durch Einflussnahme auf das Expansionsverhältnis die Turbinenkapazität TK verändert werden.
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Wie bereits oben ausgeführt, ist bei der hier vorgestellten Strömungsmaschine die Hochdruckturbine 28 einstufig ausgeführt und eine stromabwärts liegende, insbesondere unmittelbar anschließende weitere Turbine, hier die Mitteldruckturbine 30, ist verstellbar ausgeführt. Durch die Verstellung der Kapazität der weiteren Turbine, insbesondere Mitteldruckturbine 30, wird das Expansionsverhältnis EV der Hochdruckturbine 28 und somit auch deren Kapazität TK beeinflusst. Dies ist insbesondere dann besonderes gut möglich, wenn die Hochdruckturbine 28 im Stodola-Bereich SR betrieben wird, also grundsätzlich mit einem Expansionverhältnis EV, das kleiner als 1,9 beträgt.
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Da die Hochdruckturbine 28 einstufig ausgeführt ist, also nur einen Leitfschaufelgitter 28a und ein Laufschaufelkranz 28b aufweist, kann ihre Laufschaufelgeometrie und die Geometrie des Schaufelgitters so ausgelegt werden, dass der Betrieb im Stodola-Bereich optimal möglich ist. Die einstufige Ausgestaltung der Hochdruckturbine hat dabei den Vorteil, dass die zu berücksichtigenden Strömungsverhältnisse innerhalb einer Stufe einfacher sind, so dass der Betrieb im gewünschten Bereich einfacher möglich ist. Ferner kann die Kapazität der einstufigen Hochdruckturbine 28 besser beeinflusst werden durch Verstellung der Kapazität der weiteren Turbine, insbesondere Mitteldruckturbine 30, verglichen mit einer mehrstufigen Hochdruckturbine.
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Die Hochdruckturbine kann am Austritt der Hochdruckturbine ein Nabenverhältnis aufweisen, das im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 0,8 liegt. Das Nabenverhältnis wird dabei gebildet durch den Quotienten des Nabendurchmessers und des äußeren Durchmessers des Laufschaufelkranzes bzw. durch das Verhältnis der entsprechenden Radien. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere bei einem derartigen Nabenverhältnis die gewünschten Betriebsparameter für die Hochdruckturbine 28 optimal erreicht werden können.
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Bei einem Verfahren zum Betreiben einer in der 1 dargestellten Strömungsmaschine 10 wird das Expansionsverhältnis EV (2), bei dem die Hochdruckturbine 28 betrieben wird, auf kleiner als 1,9 festgesetzt, was etwa dem kritischen Expansionsverhältnis KEV entspricht. Dabei wird die Hochdruckturbine 28 im Stodola-Bereich SR betrieben. Der Betrieb der Hochdruckturbine 28 innerhalb der gewünschten Betriebsparameter wird durch eine Kapazitätsanpassung bei einer stromabwärts angeordneten weiteren Turbine, insbesondere Mitteldruckturbine 30 erreicht, was durch Verstellen der Kapazität der weiteren Turbine 30 mittels entsprechender Verstellmittel 44 erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Strömungsmaschine
- 12
- Strömungsrichtung Arbeitsmedium
- 14
- Gebläse, Fan
- 16
- Verdichterseite
- 18
- Brennkammerbereich
- 20
- Turbinenseite
- 22
- Niederdruckverdichter
- 24
- Mitteldruckverdichter
- 26
- Hochdruckverdichter
- 28
- Hochdruckturbine
- 28a
- Stator bzw. Leitschaufelgitter
- 28b
- Rotor bzw. Laufschaufelkranz
- 30
- Mitteldruckturbine
- 32
- Niederdruckturbine
- 34
- innerer Kernbereich
- 36
- (Niederdruck-)Welle
- 38
- äußerer Kernbereich
- 40
- (Mitteldruck-)Welle
- 42
- (Niederdruck-)Welle
- 44
- Verstellmittel
- AP
- Arbeitspunkt der Turbine
- EV
- Expansionsverhältnis
- SO
- sonisch durchströmte Turbine
- KEV
- kritisches Expansionsverhältnis
- SR
- Stodola-Bereich
- TK
- Turbinenkapazität
