DE1220204B

DE1220204B - Axialturbomaschine, insbesondere Axialgasturbine

Info

Publication number: DE1220204B
Application number: DEG34591A
Authority: DE
Inventors: George William Scheper Jun
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1961-03-28
Filing date: 1962-03-28
Publication date: 1966-06-30
Also published as: DE1220204C2; US3066912A

Description

Axialturbomaschine, insbesondere Axialgasturbine Feste und flüssige Schwebeteilchen im Arbeitsmittel einer Turbomaschine können Erosion verursachen, wobei diese Erosion nach einer Exponentialfunktion der Arbeitsmittelgeschwindigkeit ansteigt. Es ist ein Axialkornpressor mit einem zwischen dem Düsenkranz und dem Laufschaufelkranz der ersten Stufe vorgesehenen unbeschaufelten Ringraum bekannt, in welchem genannte Schwebeteilchen, die den Schaufelaustrittsbereich des Düsenkranzes verlassen, durch ihre Zentrifugalkraft nach außen geschleudert werden. Diese beiden Kränze haben einen so großen Axialabstand voneinander, daß die Auswärtsbewegung der Schwebeteilchen theoretisch schon im Gebiet des Eintritts des Laufschaufelkranzes beendet ist. Kurz vor diesem Eintritt sind im Gehäuse des Axialkompressors Schlitze vorgesehen, über die die Schwebeteilchen entfernt werden. Es dringen jedoch in der Praxis nicht alle Schwebeteilchen durch die Schlitze, d. h., ein Teil der Gesamtmenge der Schwebeteilchen gelangt in die auf den Ringraum folgende Beschaufelung des Axialkompressors.
Gemäß der Erfindung wird zur Verminderung oder praktisch Verhinderung der Erosionsgefahr für die Beschaufelung an einer Axialturbomaschine, insbesondere Axialgasturbine, mit einem zwischen zwei axial aufeinanderfolgenden Schaufelkränzen vorgesehenen unbeschaufelten Ringraum, in dem vom Arbeitsmittel mitgeführte Schwebeteilchen, die den Austrittsbereich des vorderen Schaufelkranzes verlassen, durch ihre Zentrifugalkraft nach außen geschleudert werden und auf die den Ringraum außen begrenzende Wand treffen, von wo aus sie weitergeleitet werden, vorgeschlagen, daß die Schaufeln mindestens eines Schaufelkranzes, der in Maschinendurchströmrichtung auf den den Ringraum in dieser Richtung begrenzenden Schaufelkranz folgt, im Gebiet ihrer Füße Werkstoff aufweisen, der gegen Erosion weniger empfindlich ist als der Werkstoff der Schaufelblätter. Die Erfindung besteht in einer Kombination des vorbekannten Ringraums mit der Anordnung dieses Schaufelfußwerkstoffs.
Der Ringraum ist zu dem Zweck vorgesehen, daß die Schwebeteilchen vom Arbeitsmittel auf dem Außenumfang des beschaufelten Strömungsraums in die nachfolgenden Stufen weitergeleitet werden und auf die Füße der Schaufeln dieser Stufen treffen können; diese Füße weisen dann den genannten Werkstoff auf. Somit sind die empfindlichen Blätter und die hochbeanspruchten Füße dieser Schaufeln vor Erosion geschützt, ohne daß die anfangs genannten Schlitze vorgesehen zu. werden brauchen. Es kann a iber ein ringförmiger Schwebeteilchen-Ausströmschlitz kurz vor dem Eintritt des hinteren der beiden Schaufelkränze in der genannten Wand vorgesehen sein. Dies verstärkt den eben genannten Erosionsschutz, da dann nur ein Teil. der Gesamtmenge der Schwebeteilchen auf diese Füße trifft; der andere Teil wird durch diesen Ausströmschlitz hindurch weitergeleitet. Die Schaufeln weisen im Gebiet ihrer Füße insbesondere Einsätze aus dexn--genannten Werkstoff auf. Dies bringt folgende Vorteile: Dieser Erosionsschutz kann erneuert werden, und die Schaufelfüße können werkstoffmäßig bleiben wie sie sind. Die Einsätze sind vorzugsweise gehärtet.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Maschine gemäß der Erfindung dargestellt.
F i g. 1 zeigt eine Axialgasturbine im Längsschnitt oberhalb der Turbinenlängsachse; F i g. 2 zeigt schematisch zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Düsenschaufeln -der ersten Stufe und zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Laufschaufeln der ersten Stufe im abgewickelten Umfangsschnitt. -Die Axialgasturbine wird in Richtung des Pfeils 2 axial vom Treibmittel durchflossen. Das Turbinengehäuse 1 trägt eine Anzahl von Düsen- oder Leitschaufelkränzen mit Düsen oder Leitschaufeln 3 bis 7. Die Blätter dieser Düsen 3 bis 7 sind mit 3 a bis 7 a bezeichnet. Eine nicht dargestellte Turbinenwelle weist eine Anzahl von Laufrädern S auf, auf denen die Laufschaufeln 9 bis 13 vorgesehen sind. Die erste Stufe besteht aus den Düsen 3 und den Laufschaufeln 9. Die Blätter der Laufschaufeln sind mit 9 a bis 13 a bezeichnet. Die Schaufeln 9 bis 12 weisen Abdeckungen 14 auf; ferner umgeben die Düsen 3 und 7 Ringwände 3 c und 7 c, die als innere Begrenzung des beschaufelten Strömungsraums dienen.
Zwischen den Düsen 3 und den Laufschaufeln 9 liegt ein unbeschaufelter Ringraum 24. Innerhalb'desselben ist der Weg eines vom innersten Teil des Austritts der Düsen 3 hergekommenen Schwebeteilchens, das diesen Weg unter der Wirkung der Zentrifugalkraft zurücklegt, strichpunktiert dargestellt und mit 23 bezeichnet. Dieses Schwebeteilchen trifft auf die den Ringraum 24 außen begrenzende Wand.
Die Spitzen der Laufschaufeln und Düsen ragen über die Füße 4 b bis 7 b und 10 b bis 12 b der benachbarten Düsen-und Laufschaufeln--hinaus. Die Laufschaufeln und Düsen sind im Gebiet ihrer Füße mit Erosion widerstehenden Einsätzen 15 versehen, die als Aufprallteile für die Schwebeteilchen, die an den Blattenden vorbeiströmen, dienen und gehärtet sind.
Im Gehäuse 1 ist ein ringförmiger Sammelraum 18 vorgesehen, der über einen ringförmigen Schwebeteilchen-Ausströmschlitz 17 mit dem Ringraum 24 verbunden ist.
Der axiale Abstand zwischen den Austrittskanten der Leitschaufeln .3 der ersten Stufe bis zur axial hinteren Begrenzung des Ausströmschlitzes 17 ist mit a bezeichnet. Um eine sich drehende, Strömungsverluste vermindernde innere Begrenzungswand des Ringraums 24 zu erhalten, weist ein Laufrad 8 statt Schaufeln nur Füße 16 ohne Schaufelblätter auf. Auch kann eine äußere mitrotierende Begrenzungswand des Ringraums 24 vorgesehen sein.
Vom Sammelraum 18 führt ein Rohr 19 zu einem Schwebeteilchenabscheider 20, der insbesondere ein Zyklonabscheider ist. Das gereinigte Treibmittel wird über eine Leitung 21 einem im Gehäuse 1 vorgesehenen Kanal 22 zugeführt und strömt aus ihm in den Raum zwischen den Laufschaufeln 9 und den Leitschaufeln 4. Hierdurch geht die Wärme- und Druckenergie des abgezogenen Arbeitsmittels nicht verloren.
Der Weg 23 ist nicht der wahre Weg, da die Geschwindigkeit des Schwebeteilchens eine axiale, eine tangentiale und eine radiale Komponente in einem bestimmten Zeitpunkt aufweist. Der kleinste axiale Abstand a, der notwendig ist, damit das Schwebeteilchen auf die stromabwärts liegende Wand 17 a des Ausströmschlitzes 17 trifft, ist durch die inneren und äußeren Radien des Ringraums 24 und durch die tangentialen Komponenten der Bewegung des die> Austrittskante 3 d der Düsen 3 verlassenden Schwebeteilchens bestimmt.
Die tangentiale Komponente eines Schwebeteilchens ist durch den Winkel cxi (s. F i g. 2) bestimmt. Er ist der Winkel zwischen der Austrittskante 3 d und der Tangentialrichtung, wobei diese Tangentialrichtung am innersten Teil des Düsenblatts, der dem Arbeitsmittel ausgesetzt ist, gemessen wird. Der kleinste gewünschte Axialabstand kann durch die Formel bestimmt werden, worin Ri der Innenradius des Ringraums an der Düsenaustrittskante 3 d und R" der Außenradius des Ringraums an dem Punkt ist, wo das Auftreffen.- des. Schwebeteilchens gewünscht _.ist, und wobei ferner' cai der Düsenäustritfsvvinkel am Radius R1 (s. F i g. 2) ist: Der Abstand a kann auch größer ausgeführt werden,- was von der Teilchendichte und -größe - und anderen Variablen abhängt.
Der schmale Kanal 22- ist auch dafür bestimmt, den Widerstandswert des über das Rohr 19 abgesaugten Arbeitsmittels zu regeln. Für diese Regelung können auch Mündungen oder Regelventile vorgesehen sein. Mit Abzapfung von 3% der Gesamtarbeitsmittelmenge kann ein hoher Prozentsatz der Schwebeteilchen beseitigt werden.
Es wird die Erosionsgefahr durch gleichzeitige Anwendung des kritischen Abstands a und der Einsätze 15 stark vermindert, und zwar mit oder ohne Ausströmschlitz 17 und Sammelraum 18. Im letztgenannten Fall ist der Mindestabstand ä der Abstand zwischen den Austrittskanten 3 d der Düse 3 und den Eintrittskanten der Laufschaufeln 9. Es erreichen nun die Schwebeteilchen die äußere Wand des Ringraums 24, bevor sie auf die Laufschaufeln 9 treffen. Danach bewegen sie sich zwischen den Schaufelenden und dem Gehäuse 1 durch die Schaufelradialspalte 25 axial beschleunigt, und zwar wegen der angewachsenen Gasgeschwindigkeit, die durch den Druckabfall, der am Anfang des SchaufelradialspaIts 25 eintritt, hervorgerufen wird, wonach sie auf die Einsätze 15 in den Füßen 4 b treffen. Eine ähnliche Wirkung tritt in den Spalten 25 der folgenden Stufen auf; die Schwebeteilchen treffen dann auf die Einsätze 15 in den Füßen 5 b, 6 b und 7 b. Es sind durch Verwendung eines Abstands a mit oder ohne Benutzung eines Ausströmschlitzes 17 erodierende Schwebeteilchen auf der äußeren Wand konzentriert, wo sie durch die ganze Turbine hindurch verbleiben.- Ihre Wirkung wird auf den Bereich nahe den Schaufelenden und hauptsächlich auf die Einsätze 15 beschränkt; die Schwebeteilchen gelangen im wesentlichen weder auf die Schaufelblätter noch in den kritischen Bereich der hochbeanspruchten Schaufelfüße. - Zur Sicherheit sind auch Einsätze 15 in den Laufschaufelfüßen 10 b bis 12 b vorgesehen.
Der genannte größere bzw. kritische Abstand a kann auch für auf die erste Stufe folgende Stufen vorgesehen werden. Die Erfindung ist z. B. auch bei Sattdampfturbinen anwendbar. Insbesondere soll aber durch sie die Erosion der Beschaufelung einer insbesondere mit Kohle als Brennstoff betriebenen Gasturbine durch die Flugasche stark vermindert werden. - Im Fall der Verwendung eines Schlitzes 17 kann das genannte gereinigte Arbeitsmittel irgendeiner Stelle niederen Drucks des Strömungsraums in der Turbine zugeführt werden.
Außer durch die genannte mitrotierende Wand können die Strömungsverluste dadurch vermindert werden, daß man die Anzahl der Stufen der Turbine vermehrt. Die Geschwindigkeit in den Düsen der ersten Stufe der Turbine ist gewöhnlich sehr hoch, z. B. 610 m/sec bei einer Turbine mit zwei Stufen. In einer Gasturbine gemäß der Erfindung erzeugt eine größere Anzahl von Stufen, z. B. fünf Stufen (s. F i g. 1), die Doppelwirkung der Verminderung sowohl der Gasgeschwindigkeit als auch der durch den relativ großen Abstand a bedingten Strömungsverluste. Was den ersten Grund für die Vermehrung der Zahl der Stufen betrifft, so ist die Erosion eine Exponentialfunktion der Geschwindigkeit des Gases relativ zu den Blättern. Um eine genügend hohe Lebensdauer der Schaufelblätter zu erzielen, werden die Relativgeschwindigkeiten des Arbeitsmittels kleiner als 275 m/sec, vorzugsweise kleiner als 150 m/sec, gewählt. Dadurch, daß man eine größere Zahl von Stufen verwendet, kann der Druckabfall pro Stufe und daher die Gasgeschwindigkeit vermindert werden. Der zweite Grund für die Vermehrung der Zahl der Stufen ist der, daß ein gewisser zusätzlicher Prozentsatz von Strömungsverlusten mit jeder Stufe, die einen Abstand a aufweist, verbunden ist. Der Verlust, der durch den größeren Abstand a der ersten Stufe auftritt, kann insoweit vermindert werden, als die ganze Turbine so ausgelegt wird, daß der ersten Stufe ein kleinerer Teil der Gesamtarbeit zugeteilt wird. Somit wird der Gesamtverlust, der durch den größeren Abstand a bedingt ist, progressiv vermindert durch die ganze Turbine, da Stufen nacheinanderfolgend hinzugefügt sind. Vorteilhafterweise sind mindestens vier Stufen vorgesehen, vorzugsweise fünf oder sechs.

Claims

Patentansprüche: 1. Axialturbomaschine, insbesondere Axialgasturbine, mit einem zwischen zwei axial auf- 25 einanderfolgenden Schaufelkränzen vorgesehenen unbeschaufelten Ringraum, in dem vom Arbeitsmittel mitgeführten Schwebeteilchen, die den Austrittsbereich des vorderen Schaufelkranzes verlassen, durch ihre Zentrifugalkraft nach außen geschleudert werden und auf die den Ringraum außen begrenzende Wand treffen, von wo aus sie weitergeleitet werden, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Schaufeln mindestens eines Schaufelkranzes, der in Maschinendurchströmrichtung auf den den Ringraum in dieser Richtung begrenzenden Schaufelkranz folgt, im Gebiet ihrer Füße Werkstoff aufweisen, der gegen Erosion weniger empfindlich ist als der Werkstoff der Schaufelblätter.
2. Axialturbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schaufeln im Gebiet ihrer Füße Einsätze (15) aus diesem Werkstoff aufweisen.
3. Axialturbomaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (15) gehärtet sind. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 802 618.