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Gasturbine mit Kompressor Es sind Gasturbinen mit einem von der Turbine
angetriebenen Kompressor bekannt, bei welchen unter einer vorbestimmten Drehzahl
aus einer Zwischendruckzone des Kompressors Luft abgezogen und zu einer Enddruckzone
im Hauptstrom des Arbeitsmediums geleitet wird, in welcher während des Laufs der
Maschine stets ein statischer Druck herrscht, der kleiner ist als jener in der erwähnten
Zwischendruck-Zone.
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Bei diesen bekannten Anlagen wird das Ablassen von Medium aus dem
Kompressor durch eine von den Drehzahl- oder Druckverhältnissen abhängige Einrichtung,
die ein Servosystem zum Öffnen oder Schließen von Ablaßventilen betätigt, gesteuert.
Diese Einrichtung ist kompliziert, verursacht eine Gewichtserhöhung und arbeitet
nicht sicher.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ventillose Vorrichtung
zu schaffen, welche das Ablassen von Arbeitsmedium aus einer Zwischendruckstufe
nur so lange gestattet, bis Betriebsbedingungen erreicht sind, unter denen ein weiteres
Ablassen nicht mehr erforderlich ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Niederdruckzone im
Hauptströmungsweg hinter einer Einschnürung liegt, welche bei einer Kompressordrehzahl
im Bereich der Betriebsdrehzahl der Maschine einen im wesentlichen konstanten Druckabfall
bewirkt, und daß im Luftablaßweg eine die Drehachse des Kompressors umgebende, mit
dem Kompressor umlaufende Wirbelkammer liegt, die mit der Zwischendruckzone durch
Einlässe kommuniziert, welche von der Drehachse in einem radialen Abstand liegen,
der um so viel größer ist als der radiale Abstand einer diese Wirbelkammer mit der
NTiederdruckzone verbindenden Austrittsöffnung, daß über der vorbestimmten Drehzahl
kein Abzug von Luft aus der Zwischendruckzone des Kompressors erfolgt, unter der
vorbestimmten Drehzahl hingegen die zur Verhinderung von Druckschwankungen ausreichende
Menge von Luft aus der Zwischendruckzone abgezogen wird.
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Die in der Achsrichtung beidseitig durch glatte, mitlaufende Seitenwandungen
begrenzte Wirbelkammer befindet sich zweckmäßig im Innern des Rotors.
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Der Kompressor kann einen mehrstufigen Rotor haben. In diesem Fall
befindet sich die Zwischendruckzone zwischen zwei benachbarten Laufrädern.
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In einem anderen Fall hingegen kann die Kompressoranlage aus einem
Niederdruckkompressor und einem Hochdruckkompressor bestehen. In diesem Fall befindet
sich die Zwischendruckzone auf der Austrittsseite des Niederdruckkompressors, oder
sie liegt in einer Zwischendruckstufe des Niederdruckkompressors oder des Hochdruckkompressors,
sofern die Kompressoren mehrstufig ausgebildet sind. Wenn in der Kammer ein freier
Wirbel erzeugt wird, dann entsteht ein Strom des Arbeitsmediums von der Zwischendruckzone
durch die Kammer zu der Niederdruckzone. Wenn aber in der Kammer ein ganz oder teilweise
unter Druck stehender Wirbel vorhanden ist, dann findet keine Strömung des Arbeitsmediums
von der Zwischendruckzone statt. Welcher Zustand eintritt, hängt von der Drehzahl
des Kompressors ab. Bis zu einer vorbestimmten Drehzahl strömt Arbeitsmedium aus
der Zwischendruckzone ab, nicht aber bei höheren Drehzahlen. Als Grenzdrehzahl wird
die Drehzahl des Kompressors gewählt, bei welcher die Betriebsbedingungen ein Ablassen
von Arbeitsmedium nicht mehr länger erfordern.
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Zweckmäßig ist die Anordnung so getroffen, daß die Kammer beidseitig
in der Achsrichtung durch glatte, mit umlaufende Seitenwandungen begrenzt ist, sich
im Innern des Rotors befindet und gegen die Zwischendruckstufe mündende Öffnungen
sowie in kleinerem radialem Abstand zur Drehachse als diese Verbindungsöffnungen
eine weitere Öffnung zur Verbindung der Kammer mit der Niederdruckstufe aufweist.
Dabei kann die Umfangswand des Rotors zugleich die Umfangswand der Kammer sein.
Die Verbindungsöffnungen zwischen Kammer und Zwischendruckstufe befinden sich dann
in dieser Umfangswand. Die Turbinenwelle kann als Hohlwelle ausgebildet sein, und
die Verbindung zwischen der Niederdruckzone und der Kammer wird von der Turbinenwelle
hergestellt. Der Turbinenrotor oder ein mit diesem umlaufender Teil trägt eine Vielzahl
von radialen Schaufeln, welche die zwischen den Ein- und
Austrittsseiten
der Verbindungsöffnungen der Kammer zur Zwischendruckstufe entwickelte zentrifugale
Druckhöhe ausgleichen.
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Bei einer anderen Ausführungsform besteht die Verbindungsöffnung der
Kammer zu der Zwischendruckstufe des Kompressors aus einem ringsum laufenden Schlitz.
Der Rotor im Innern der Kammer ist dann mit die Luftbewegung drosselnden Mitteln
versehen, die sich über einen Teil des Radialabstandes zwischen diesem Schlitz der
Kammer zur Zwischendruckstufe und der seitlichen Verbindungsöffnung zu der Niederdruckzone
erstrecken. Die die Luftbewegung drosselnden Mittel können aus radial angeordneten
Schaufeln bestehen. Diese Schaufeln können seitliche, im Innern der Hohlwelle verlaufende
Ansätze besitzen.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Die Gasturbine der Fig. 1 umfaßt einen Kompressor 1, bestehend aus
einem Rotor 2 mit fünf Stufen von in der Achsrichtung durchströmten Schaufeln und
einem Stator 3. Der Kompressor gibt komprimierte Luft durch einen Auslaß 18 in eine
Brennkammer 4 ab, in welche mittels Brenner 5 Brennstoff eingespritzt wird zum Zweck
der Erhitzung der in dem Kompressor verdichteten Druckluft. Die Turbine 6 besteht
aus einem Rotor 7 mit einem in der Achsrichtung durchströmten Leitschaufelrad B.
Die Turbine wird von-:den Verbrennungsprodukten beaufschlagt. Der Turbinenrotor
7 ist mit dem Kompressorrotor 2 durch eine Hohlwelle 10 verbunden, so daß die beiden
Teile zusammen umlaufen. Die Auspuffgase der Turbine werden mittels eines Kanals
9 in die Atmosphäre abgegeben.
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Um instabile Betriebszustände und Pumperscheinungen des Kompressors
beim Start und bei geringer Drehzahl zu vermeiden, ist es erforderlich, von einer
mittleren Kompressionsstufe Luft abzulassen. Beim Ausführungsbeispiel erfolgt dies
in der dritten Kompressorstufe über eine Vielzahl radial in gleichem Abstand angeordneter
Stutzen 11, deren jeder eine Öffnung 12 zu einer im Innern des Kompressorrotors
2 gebildeten Kammer 13 und eine öffnung 14 am anderen Ende zum Schaufel- bzw. Arbeitsmittelkanal
15 aufweist. Die abgelassene Luft verläßt die Kammer 13 durch eine zentrale Öffnung
16 und durch die Hohlwelle 10. Von letzterer strömt die Luft durch eine Öffnung
19 am anderen Ende der Hohlwelle in eine Niederdruckzone 20, die hinter dem Leitschaufelkranz
8 und den Turbinenlaufschaufeln mit dem Arbeitsmittelkanal15 in Verbindung steht.
Die Hohlwelle 10 bildet daher die Verbindung zwischen der Öffnung 16 und der Zone
20.
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Die Kammer 13 ist in Achsrichtung durch eine Vorderwand 21 und eine
Rückwand 22 begrenzt. Beide Wandungen bilden um die Achse 17 umlaufende glatte Flächen,
die frei sind von Teilen, welche die Bewegung der Luft in der Kammer 13 behindern
würden.
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Beim Lauf der Maschine hat die Zone 20 einen kleineren statischen
Druck als an der Öffnung 14. Das Druckverhältnis zwischen einem Punkt in dem Schaufelkanal
15 der Maschine im Bereich der Öffnung 14 und der Zone 20, welches im folgenden
als Pi4/P2o bezeichnet wird, hat einen abfallenden Verlauf, wie in Fig. 3 durch
die Kurve A angedeutet, in welcher das Druckverhältnis R in Abhängigkeit von dem
Wert @T steht, worin N die Kompressordrehzahl und T die absolute Temperatur
bedeutet. Der Grund hierfür ist, daß. bei zunehmender Drehzahl des Kompressors der
durch die Düsenleitschaufel 8 gehende Strom gedrosselt wird oder zur Drosselung
neigt mit der Folge, daß das Druckverhältnis zwischen der Auslaßseite des Kompressors
und der Zone 20 (Pis/P2o) konstant wird, oder dazu neigt, konstant zu werden, während
das Druckverhältnis zwischen der Ausgangsseite des Kompressors und dem Bereich der
Öffnungen 14 (Pis/P2o) weiterhin ansteigt, und zwar ungefähr im Quadrat der Kompressordrehzahl.
Betrachtet man den Endzustand, in welchem
wobei A und B Konstante sind, so folgt
d. h., daß Pi4/P20 im umgekehrten Verhältnis des Kompressordrehzahlquadrates variiert
und die Kurve A in Fig. 3 progressiv von einer Annäherung an eine nach einem quadratischen
Gesetz verlaufende Kurve sich einer Hyperbel nähert.
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Wenn Luft durch die Öffnungen 12 oder 16 in die Kammer 13 oder aus
derselben strömt, findet an der betreffenden Öffnung ein Druckabfall statt. Für
einer die Kammer durchziehenden Luftstrom müssen derartige Druckabfälle im gleichen
Sinn sein, so daß das Mittel der Drücke an den Innenseiten der Öffnungen gleich
oder annähernd gleich dem Mittel der Drücke an den Außenseiten der Öffnungen ist,
je nachdem, ob die Druckabfälle durch die Öffnungen gleich oder ungleich sind. Unter
Berücksichtigung des Vorstehenden wird das Verhältnis der innenseitigen Drücke mit
dem Verhältnis der außenseitigen Drücke verglichen, um festzustellen, ob eine Strömung
stattfindet und, wenn ja, in welcher Richtung.
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Läuft die Maschine mit einer bestimmten Drehzahl und ist das Druckverhältnis
zwischen den Außenseiten der Öffnungen 12 und 16, bestimmt durch den vorherrschenden
Wert des Druckverhältnisses Pi4/P2o, größer als das Druckverhältnis eines in der
Kammer gebildeten freien Wirbels zwischen den Innenseiten der Öffnungen (die Umfangsgeschwindigkeit
des Wirbels ist gleich der Winkelgeschwindigkeit des Kompressorrotors), dann entsteht
ein Luftstrom, der durch die Öffnungen 12 in die Kammer eintritt und durch die Öffnung
16 austritt. Nimmt die Drehzahl der Maschine zu, dann wächst auch das Druckverhältnis
an dem freien Luftwirbel. Das Druckverhältnis an den Außenseiten der Öffnungen 12
und 16 nimmt aber nicht im gleichen Maße zu oder fällt sogar ab aus den oben erläuterten
Gründen, so daß ein Zustand erreicht wird, in welchem die beiden gleich sind. Sobald
dieser Zustand erreicht ist, fällt der Strom durch die Kammer 13 rasch ab und erreicht
einen Minimumwert, der gerade noch ausreicht, um den freien Wirbel zu erhalten.
Ein weiterer Abfall des Außendruckverhältnisses hat zur Folge, daß der freie Wirbel
allmählich von seinem Innenumfang nach außen unter Druck gesetzt wird, wobei während
dieser Periode ein schwacher Strom nach außen durch die Öffnung 16 aufrechterhalten
wird. Wenn ein Zustand erreicht ist, in welchem der freie Wirbel vollkommen in einen
unter Druck stehenden Wirbel verwandelt ist, dann hört die Strömung durch die Kammer
13 auf. Dies ist der Fall, wenn die Differenz der Drücke zwischen den Außenseiten
der öffnungen 12 und 16 gleich ist der Differenz zwischen den zentrifugalen Drücken,
die den Radien entsprechen, auf welchen die Öffnungen 12 und 16 liegen.
Wenn
das Außendruckverhältnis weiterhin unter den Wert des Druckverhältnisses des Luftwirbels
fällt, dann entsteht ein schwacher Strom, der durch die Öffnung 16 in die Kammer
eintritt und durch die Öffnung 12 austritt. Dieser Strom beginnt den unter Druck
stehenden Wirbel zu zerstören, da letzterer lediglich durch die Grenzschichtreibung
an den Kammerwänden aufrechterhalten wird. Mit anderen Worten, die Hauptmasse der
Luft in der Kammer 13 verliert allmählich an Umfangsgeschwindigkeit relativ zu den
Kammerwänden, wenn der durch die Kammer ziehende Luftstrom anwächst, so daß der
Überschuß an durch Zentrifugalkraft entstehendem Druck über die Außendruckdifferenz
klein bleibt, bis der Außendruck an der Öffnung 16 jenen an der Öffnung 12 übersteigt.
Diese Bedingung tritt jedoch während des Betriebes der Maschine natürlich niemals
ein.
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Wenn die Drehzahl wieder abnimmt, ist der Vorgang umgekehrt. Zuerst
wird ein unter Druck stehender Wirbel erzeugt und dieser allmählich in einen freien
Luftwirbel übergeführt. Erst wenn dieser Zustand voll eingetreten ist, kann ein
Strom von abgelassener Luft entstehen.
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Durch geeignete Wahl der Radialabstände der öffnungen 12 und 16 von
der Drehachse wird erreicht, daß ein Ablassen einer erheblichen Luftmenge nur bei
Drehzahlen unterhalb eines vorbestimmten Wertes stattfindet, um ein Pumpen des Kompressors
zu verhindern. Dies ist in Fig.3 gezeigt, in welcher die Kurven Bi, B2 und B3 für
drei Werte des Verhältnisses der Innen- und Außendurchmesser des freien Wirbels
in der Kammer die Änderung des Druckverhältnisses zwischen dem Innen- und Außenumfang
des freien Wirbels mit der Drehzahl zeigen. Vernachlässigt man die zentrifugale
Druckhöhe, die zwischen den Öffnungen 12 und 14 erzeugt wird und die erforderlichenfalls
durch Anordnung von Flügeln 37 in der Zone 20 an der Ausströmseite des Turbinenrotors
7 oder eines mit diesem drehenden Teiles ausgeglichen werden kann, dann gibt der
Schnittpunkt der Kurve B mit der Kurve A die Bedingung an, bei welcher
das Druckverhältnis zwischen den Öffnungen 12 und der Zone 20 gerade gleich ist
dem Druckverhältnis zwischen Innen- und Außenumfang des freien Wirbels in der Kammer
13. Bei dieser Drehzahl und darüber kann kein nennenswerter Luftstrom durch die
Kammer 13 entstehen, bei niedrigeren Drehzahlen aber ergibt sich ein Überschuß des
vorhandenen Druckverhältnisses, wie dies durch die Ordinate 40 in der Fig. 3 für
die Kurve B2 gezeigt ist. Dieser Überschuß verursacht einen Ablaß- oder Nebenluftstrom
durch die Kammer 13. Die Menge der bei einer bestimmten Drehzahl abgelassenen Luft
hängt ab von der überschüssigen Druckdifferenz, welche durch die Ordinate 40 repräsentiert
ist, und von dem Widerstand des Strömungsweges, der durch die Querschnittsbereiche
der Durchströmöffnungen und Durchströmkanäle gegeben ist, sowie von anderen, Druckverlust
erzeugenden Momenten.
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Fig. 2 zeigt eine etwas abweichende Ausführung der Wirbelkammer.
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Bei dieser Anordnung trägt der Kompressorrotor an seinem Umfang fünf
Stufen aus axial durchströmten Schaufeln mit einer Innenkammer 13, die mit dem Schaufelkana115
an der dritten Druckstufe über eine an dem Umfang der Außenwand des Rotors vorgesehene
ringförmige Öffnung 30 kommuniziert. Die Kammer 13 steht auch über eine Wandöffnung
31, die konzentrisch zur Drehachse liegt, und durch eine Bohrung 32 in der
Welle 10 mit der Zone 20 in Verbindung, die ihrerseits mit dem Arbeitsmittelkanal
15 der Maschine auf der Austrittsseite der Turbine 6 und des Leitrades 8 kommuniziert
und daher während des Laufs der Maschine einen niedrigeren statischen Druck als
an der Umfangsöffnung 38 hat. Der Rotor 2 ist im Innern der Kammer 13 mit einer
Vielzahl von radialen Schaufeln34 versehen, die sich von der Drehachse aus nur über
einen Teil des Radialabstandes zwischen den Öffnungen 31 und 30 erstrecken. Die
Schaufeln 34 besitzen in der Bohrung 32 der Welle 10 verlaufende Ansätze 41. Die
übrigen Teile der Seitenwandungen 35 und 36 und die äußere Umfangswand sind frei
von Vorsprüngen, die die Bewegung eines freien Wirbels in diesem nicht mit Schaufeln
besetzten Teil der Kammer behindern würden.
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Die Arbeitsweise der Turbine der Fig. 2 ist ähnlich jener der Fig.1
insofern, als das Verhältnis der Innen-und Außendurchmesser der Kammer, das durch
die radiale Länge der Schaufeln 34 eingestellt werden kann, so gewählt wird, daß
der freie Wirbel bei einer Drehzahl, bei welcher ein Ablassen von Luft aus dem Kompressor
nicht mehr erforderlich ist, zusammenbricht.
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Gewünschtenfalls können, wie schon oben angedeutet, radiale Schaufeln
37 an der Austrittsseite des Turbinenrotors oder an einem mit diesem drehenden Teil
vorgesehen sein, um die durch die Schaufeln 34 erzeugte zentrifugale Druckhöhe auszugleichen.
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Für die Gegenstände der Ansprüche 3 bis 9 wird kein selbständiger
Schutz begehrt.