DE1751465A1

DE1751465A1 - Gasturbine

Info

Publication number: DE1751465A1
Application number: DE19681751465
Authority: DE
Inventors: Laqueuille Clement Robe Joseph
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1967-06-05
Filing date: 1968-06-04
Publication date: 1971-07-15
Also published as: NL6807797A; CH476915A; FR1567685A; GB1162440A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine, die mit Hilfe eines Antriebsmittels in Form eines verunreinigten Gases betrieben werden kann_o

Wenn es erforderlich ist, eine Gasturbine mit einem Antriebsmittel bestimmter Art zu betreiben, das z_eB_o durch Verbrennen schwerer Brennstoffe gewonnen wird, stellt sich die Aufgabe, das Ansammeln von Ablagerungen in der Turbine auf der Beschaufelung und an anderen Stellen zu verhindern; dies gilt insbesondere dann» wenn Brennstoffe verwendet werden, die einen relativ hohen Gehalt an Asche bildenden Bestandteilen haben. Solche Ablagerungen führen zu einer Verringerung des V/irkungsgrades, das sie eine Verschmutzung der Schaufeln und der Kanäle der Turbine und in manohen Fällen zu einer Korrosion und/oder Erosion der Schaufeln führen, auf denen sich die Rückstände ablagern bzwo ansammeln,» Diese Verschmutzung kann noch dadurch verstärkt werden, daß die Gasturbine verunreinigte luft ansaugt, die z_oB_o

109823/0400

ORIGINAL

— 2 —
Dämpfe und/oder Staub- enthalte

Ähnliche Schwierigkeiten treten dann auf, wenn eine Gasturbine "benutzt wird, bei der ein unter Druck stehendes Industriegas als Antriebsmittel dient, z.B« Synthesegas, das durch die teilweise Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit einem Oxydationsmittel gewonnen wird; ein derartiges Gas enthält vor seiner Reinigung eine kleine Rußmenge, und Gase dieser Art können zusätzlich Spuren von Säuren und Schwefelverbindungen enthaltene

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Gasturbine zu schaffen, die mit einem verunreinigten Gas betrieben werden kann, das unter Verwendung von Heizölen der verschiedensten Art erzeugt werden kann; gemäß der Erfindung ist es jedoch möglich, gleichzeitig die Ansammlung von Ablagerungen auf kritischen Teilen der Turbine vollständig oder im wesentlichen vollständig zu vermeiden.

Eine gemäß der Erfindung ausgebildete Gasturbine umfaßt ein Turbineneinlaßgehäuse mit einem zentralen Abschnitt ₉ der mit mindestens einer den Gasstrom in Drehung versetzenden Leitschaufel versehen ist, ferner eine ortsfeste Düsenführungsschaufelanordnung, bei der jede Düse einen geraden GasStrömungskanal bildet, sowie einen Läufer, der eine einzige Stufe umfaßt, die im wesentlichen als Aktions- oder Freistrahlstufe arbeitet·

Das Einlaßgehäuse ist vorzugsweise schneckenförmig ausgebildet, und der zentrale Teil bildet einen "Nasenabsohnitt", der in der Weise stromlinienförmig ausgebildet ist, daß an der Leitschaufelanordnung auf deren dem DUseneinlaß zugewandten

2 0/0^00 ORIGINAL INSPECTED

Seite ein ringförmiger Gaskanal zur Verfügung steht. Die jede den zugeführten Gasstrom in Drehung versetzende Iieitschaufel kann einen schraubenlinienförmigen Schaufelabschnitt umfassen, der dazu dient, dem Gasstrom eine drehende Bewegung zu erteilen, um zu gewährleisten, daß das Gas stoßfrei in die Düsenleitschaufelanordnung eintritt.

Da es bei Gasturbinen nicht möglich ist, Krümmungen vollständig zu vermeiden, sollen im vorliegenden Fall die an solchen ^ Krümmungen auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten auf einem solchen Wert gehalten oder auf einen solchen Wert verringert werden, daß die Ablagerung von Asche als Folge eines sogenannten Schneeballeffekts verhindert wirdo Daher wird bei dem hohen Temperaturen ausgesetzten Einlaßteil das Gehäuse so ausgebildet, daß die Strömungsgeschwindigkeiten niedrig gehalten werden können, während die Strömungsgeschwindigkeit des Gases dort, wo eine Ablagerung von Asche oder Koks zu befürchten ist, auf den höchsten noch zulässigen Wert gesteigert wirdo Daher weisen die Düsen der Leitschaufelanordnung eine völlig "gerade" Konstruktion auf, d.h. es sinfl. keine Krümmungen vorhanden· Infolgedessen besteht bei diesem Teil der Turbine nicht die Gefahr, daß sich Ölasche ablagert. Die Temperatur im umlaufehden Teil der Turbine wird unter dem Erstarrungspunkt der Aschetropfchen und anderer Verunreinigungen gehalten»

Gemäß der Erfindung besteht mindestens die Oberfläche der den Gasstrom in Drehung versetzenden Leitschaufeln aus einem isolierenden Beton oder einem feuerfesten Material. Als geeignete Werkstoffe seien das unter der gesetzlich geschützten

1Ö9Ö2Ö/CUÖ0

^mm T" ^mm

Bezeichnung Carbofrax erhältliche Material, Bornitrid oder dergleichen genannt; die JQeitschaufeln können einen Kern aus nichtrostendem Stahlblech oder einen Rahmen umfassen, der aus einem "Sonderstahl hergestellt ist, z.B. aus einem 25 Prozent Chrom und 20fo Nickel enthaltenden Stahl besteht.

Der zentrale Nasenteil des Einlaßgehäuses kann in der Nähe der Düseneinlässe einen Abschnitt mit geraden Leitsohaufeln umfassen, bei dem die Leitschaufeln mit einem hitzebeständigen . Material verkleidet sind} diese leitschaufeln dienen dazu, den Gasstrom auf die für die Führungsschaufelanordnung erforderliche Einlaßgeschwindigkeit zu bringen, nachdem der erforderliche Anblaswinkel mit Hilfe der schraubenlinienförmigen leitschaufelteile erzielt worden ist„

Die Düsennasenteile der Düsenführungsschaufelanordnung können mit scharfen Kanten versehen sein, so daß möglicherweise vorhandene Ascheteilchen beseitigt werden, die immer noch dazu neigen könnten, sich auf den Düsennasenflächen abzulagern. Der Düsenkanal der Führungsschaufelanordnung kann venturiförmig ausgebildet sein, so daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gases so erhöht wird, daß eine Überschallgeschwindigkeit erreicht wird. Die sehr geringe Krümmung in dem engsten Querschnitt führt nicht zu der Gefahr, daß sich feste Stoffe infolge des Auftreffens ablagern, denn die hohen Strömungsgeschwindigkeiten gewährleisten, daß eine "Seher"-Wirkung hervorgerufen wird, durch welche die Strömungskanäle in einem sauberen Zustand gehalten werden.

109Θ29/0Α00

Ί-751465

Erforderlichenfalls können die Düsen dadurch bis unterhalb der Erstarrungstemperatur abgekühlt werden, daß man die Düsenschaufel der I'ührungsschaufelanordnung hohl ausbildet und eine Einrichtung vorsieht, die es ermöglicht, ein Kühlmittel durch die Schaufeln zu leiten. Bei dem Kühlmittel kann es sich um zur Verfügung stehendes Kondenswasser oder um Kühlluft handeln··

Wegen der Verwendung des schneckenförmigen Einlaßgehäuses M und des stromlinienförmigen Kerns wird eine Erhöhung der Geschwindigkeit in einem konvergierenden Teil des Gasströmungswegs erzielt. An dieser Stelle ist keine Ablagerung von Asche oder dergleichen zu befürchten, denn zwischen diesem Punkt und den engsten Querschnitten der Düsen sind keine weiteren Krümmungen vorhanden, und außerdem bestehen die D&senschaufeln der Führungs-oder Leitschaufelanordnung mindestens auf der Eintrittsseite aus einem erosionsbeständigen Material, während die übrigen !'lachen der Düsenschaufeln poliert sind, so daß sie g$attwandige Kanäle abgrenzen; als geeigneter Werkstoff sei z.B. Bornitrid genannt.

Der Grund dafür, daß ein Läufer verwendet wird, dessen Schaufeln so ausgebildet sind, daß die Turbine im wesentlichen als Aktionsturbine arbeitet, besteht darin, daß bei einer derartigen Beschaufelung Strömungskanäle von im wesentlichen konstantem Querschnitt vorhanden sind} hierdurch wird die Gefahr vermieden, daß sich feste Stoffe auf den Schaufeln ablagern, denn auf der konvexen Seite der Schaufeln entstehen im Gegensatz zur Beschaufelung einer Reaktionsturbine keine Wirbel«, ■

109829/0400

1751485

Damit ein guter Wirkungsgrad erzielt und die Abgase einwandfrei abgeführt werden können, benötigt man einen Diffusor, damit die noch vorhandene kinetische Energie zurückgewonnen werden kann und es möglich ist, den von der Turbine abgegebenen Gasstrom dem Auslaß zuzuführen.» Gemäß der Erfindung sind in diesem Diffusorteil vorzugsweise keine Diffusorschaufel vorgesehen, um zu verhindern, daß sich bei dem Diffusorteil der erwähnte "Schneeballeffekt" einstellt, der zur Bildung von Ascheablagerungen Anlaß gibt. Gemäß der Erfindung werden nur einige wenige stromlinienförmig gestaltete und durch große Abstände getrennte Streben benötigt, um den allgemein eiförmigen mittleren Teil des Lagergehäuses zu unterstützen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand sohematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläuterte

Fig. 1 zeigt schematisch im Längsschnitt eine Ausführungsform einer Gasturbine nach der Erfindungo

fig. 2 ist ein Schnitt durch das Einlaßgehäuse längs der Linie H-II in Figo 1.

Fig. 3 ist eine sohematische Darstellung der bei der Turbine nach Fig. 1 und 2 verwendeten Schaufeln.

Fig. 4 zeigt schematisch im Längsschnitt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasturbine_o

In Fig. 1 und 2 erkennt man das Einlaßgehäuse 1, das auf seiner Innenseite mit einem hitzebeständigen Material 2 ausgekleidet ist. Ein zentral angeordneter Nasenteil 3 ist mit den zuge-

109829/(HOO

175H65

-τ-

führten Gasstrom in Drehung versetzenden Leitschaufein 4 versehen, die in Verbindung mit der aus Fig. 2 ersichtlichen Schneckenform des Einlaßgehäuses bewirken, daß das Gas unter dem richtigen Winkel in die Düsenanordnung bzw. den Düsenkranz5 eintritto

Der Ijäufer 6 der Turbine umfaßt nur eine einzige Stufe, die im vorliegenden EaIl ausschließlich als Aktions- oder Freistrahlstufe arbeitet; mit anderen Worten, es ist eine einzige Stufe der Bauart Laval mit sich verjüngenden Schaufelenden vorgesehene Auf der Austrittsseite des Läufers 6 ist ein Diffusorteil 8 angeordnet, der ein Lagergehäuse 7 enthält}; dieser Diffusorteil ist nicht mit Leitschaufein versehen, jedoch sind in einem erheblichen Abstand von der Austrittsseite mehrere Streben 9 zum Abstützen des Lagergehäuses in einer Zone angeordnet, in der die Strömungsgeschwindigkeit des Gases niedriger ist. Eine Hülse bzw. ein Mantel 10 schützt die Läuferwelle 11, die mit dem Läufer der Turbine verbunden ist; der Mantel 10 ist am Auslaßteil 12 der Turbine befestigte Das freie Ende der Welle 11 trägt einen Flansch 13, mittels dessen die Turbine mit einer Last, z,B_e einem Verdichter, gekuppelt werden kann»

Fig. 5 zeigt weitere Einzelheiten der Konstruktion der · verschiedenen Schaufeln· Bei der dargestellten Konstruktion eind die den Gasstrom in eine drehende Bewegung versetzenden Schaufeln 4- mit einer äußeren Schicht 14 aus einem hitzebeständigen Werkstoff versehen und sie können entweder eine Rahmenkonstruktion 15 oder einen Kern 16 aus Blech enthalten. Die Düsenanordnung 5 umfaßt Leitschaufeln 17, die hohl ausgebildet sein können, so daß Kühlkanäle 18 vorhanden sindo Zwischen je zwei

10882070400

175U65

benachbarten Leitschaufeln 17 ist ein im wesentlichen geradlinig verlaufender Strömungskanal 19 vorgesehen, der andeutungsweise .als Venturikanal ausgebildet ist und es dem Gas ermöglicht, sich •auszudehneηο

Die Vorderkanten der umlaufenden Schaufeln ©ollen scharfe Kanten gebildet werden, um zu verhindern, daß sich Koks*- teilchen an den Kanten festsetzen, wie es bei den abgerundeten Vorderkanten von Eeaktionsturbinenschaufeln bei Temperaturen über 650° C geschieht. Die Krümmung der Ak'fcionsschaufsln s©ll durch einen etwas größeren Radius bestimmt sein, als @b sonst üblich ist ο Hierdurch wird die Gefahr einer Ablagerung von Asche verringert. Andererseits sollen die Schaufeln Jedoch auoh keine zu große Breite erhalten, denn bei einer zu großen Breite vergrößert sich die Heibung, so daß eine Verringerung des Wirkungsgrades eintritt. Gegebenenfalls können die Sqhaufejjs ' gemäß Fig. 5 mit einem Hohlraum 20 versehen werden, um die Fliehkräfte zu verringern! wenn solche Hohlrämma vorgesehggi sind, können sie dazu, dienen, dis Schaufeln zu kühlen«

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Gasturbine mit einem axial angeordneten Einlaß© Der Gaseinlaßteil umfaßt ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 21 und einen zentral angeordneten liasenteil 25» auf dem den zu>geführten Gasstrom in Drehlang versetzende Schaufeln 24 angesT^ne sind, die bewirken, daß die Gase unter dem richtigen Winkel in die Düsen des Leitschaufelteils 25 eintreten. Die Worm des Einlaßteils kann der erforderlichen Strömungsgeschwindigkeit des Gases und der gewünscht©n Beschleunigung dee Gasstrom^ a<n_:ge~

100620/0406

paßt werdenj eine der möglichen alternativen Gestaltungen des Einlaßteils ist in Fig· 4 mit gestrichelten linien angedeutet} bei dieser abgeänderten Ausführungsform ist der konvergierende Abschnitt 22 in einem kleineren Abstand von der Leitschaufelanordnung angeordnet.

Der Turbinenläufer 26, der Schaufeln mit sich verjüngenden Enden trägt, ist von gleicher Konstruktion wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 3«. Auch der Auslaßteil, der ein in einem Diffusorteil 28 angeordnetes lagergehäuse 2? umfaßt,nist von ähnlicher Konstruktion wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Das lagergehäuse 27 ist mit einem äußeren Gehäuse durch stromlinienförmige, in einem großen Abstand von den läuferschaufeln angeordnete Streben 29 verbunden, und der läufer ist mit einer Welle 31 verbunden, die durch einen nur teilweise dargestellten Mantel 30 geschützt wird.

Bei einer Gasturbine der vorstehend beschriebenen Art ist eine Erosion der Schaufeln und der Düsen durch jftscheteilchen nicht zu befürchten, denn die Ascheteilchen verweilen nur während einer äußerst kurzen Zeit in der Turbine? in der Praxis ist diese Zeitspanne so kurz, daß die Asoheteilchen nicht vollständig in den festen Zustand übergehen können, so daß die Gefahr, daß die Ascheteilchen eine abschleifende Wirkung auf den Werkstoff ausüber vernachlässigbar gering ist. Da die Erstarrung der Aschetröpfchen im Hinblick auf die Verkürzung der Verweilzeit in der Turbine verzögert wird, sind die schärfen Eintrittsprofile der Beschaufelung keiner Erosionswirkung ausgesetzt.

109629/0400

Die erfindungsgemäße Turbine umfaßt nur eine Aktionsturbinenstufe mit einer entsprechenden Beschaufelung, denn die Verwendung weiterer Laufschaufelkränze und die dadurch bedingte Verwendung weiterer ortsfester Leitschaufelkränze ist praktisch nicht möglich, denn Krümmungen, die dazu dienen, dem Impulsstrom eine andere Richtung zu geben, müssen im Hinblick auf die Betriebsbedingungen einer Turbine dieser Art vermieden werden. Wenn man mehrere Schaufelkränze vorsieht, besteht die Gefahr, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gases in den zwischengeschalteten ortsfesten Leitschaufelkränzen zu niedrig wird, so daß die Gefahr einer Ablagerung von Ascheteilchen auf den Schaufeln besteht; außerdem kann die Strömungsgeschwindigkeit beim Passieren eines zweiten Kranzes von Aktionsturbinenschaufein so niedrig werden, daß an den Wänden der Schaufeln nicht mehr die eingangs erwähnte Scherwirkung-auftritt₀

Je nach dem anfänglichen Druck des Gases kann die Möglichkeit bestehen, zusätzliche Turbinenstufen zu verwenden, z.B. sogar Reaktionsturbinenstufen, doch muß man in einem solchen Pail dafür sorgen, daß die Betriebsbedingungen derart sind, daß keine Ablagerung von Aseheteilchen oder dergleichen mehr zu befürchten ist₀ Daher muß die Temperatur genügend niedrig seih, und um dies zu erreichen, muß man in den Strömungsweg zwischen den beiden Teilen der Turbine eine ausreichende Strecke einschalten, damit die Ascheteilchen oder Tröpfchen genügend Zeit zum Erstarren haben. Sobald die Erstarrung eingetreten ist, besteht keine Gefahr mehr, daß sich die Teilchen auf Teilen der Turbine ablagern,, Wenn bezüglich einer zweiten Turbinenstufe

109829/0400

eine Erosion zu befürchten ist, ist es zweckmäßig, die festen Bestandteile zwischen den beiden Turbinenstufen aus dem Gas abzuscheideno

Patentansprüche:

109829/0400

Claims

PATEU I· ANSPRÜCHE

1, y Gasturbine, die mit Hilfe eines verunreinigten Gases als Antriebsmittel betrieben werden kann, g e k e η η' ·* zeichnet durch ein Turbineneinlaßgehäuse (1) mit einem zentralen Abschnitt, der mit mindestens einer den zugeführten Gasstrom in drehende Bewegung versetzenden Leitschaufel (4) versehen ist, durch eine ortsfeste Püsenleitschaufelanordnung (5), bei der jede Düse einen geradlinig verlaufenden Gasstrom mungskanä.1 bildet, sowie einen Läufer (6), der nur eine einzige, hauptsächlich als Aktions- oder freistrahlstufe arbeitende Stufe umfaßt.

2, Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η *? zeichnet , daß das Einlaßgehäuse schneckenförmig ist, und daß der zentrale Teil durch einen Nasenabschnitt (3) gebil-*

dei? det wird, der stromlinienförmig ausgebildet ist, so daß an/Iieitschaufelanordnung auf der den Düseneinlässen der Anordnung zugewandten Seite ein ringförmiger Gaskanal vorhanden ist«

3, Gasturbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e k e η η «. zeichnet, daß die bzw« ;jede den Gasstrom in drehende Bewegung versetzende Leitschaufel (4) einen Schraubenlinien« förmig gekrümmten Abschnitt umfaßt, durch den dem Gasstrom eine Drehbewegung erteilt wird, so daß Gewähr dafür besteht, dal

109829/04 0 0

das Gas stoßfrei in die Düsenleitschaufelanordnung (5) eintritt.

4. Gasturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens die Außenfläche der bzw. jeder den Gasstrom' in drehende Bewegung versetzende -leitschaufel aus isolierendem Beton oder einem hitzebeständigen Material besteht.

5o Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet , daß der zentrale Nasenteil (3) des Einlaßgehäuses in der Mhe der Düseneinlässe einen mit einem hitzebeständigen Material verkleideten geraden Sohaufelabschnitt umfaßt, damit der Gasstrom auf die für die ieitsohaUfelanordnung erforderliche hohe Strömungsgeschwindigkeit gebracht wird, nachdem die schraubenlinienförmig gekrümmten Schaufelabsohnitte bewirkt haben, daß sich der erforderliche Anblaswinkel ergibt·

6. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Düsennasenabschnitte der Düsenleitschaufelanordnung soharfkantig ausgebildet sind₀

7. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k β η η ζ e lohnet ,daß jeder Düsenkanal (19) der Leitsohaufelanordnung die Porm eines Venturikanals hat·

8. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch g e k e η η ζ β lohne t , daß die Düsenschaugeln der sohaufelanordnung hohl ausgebildet sind, und daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, die es ermöglicht, ein Kühlmittel duroh die Schaufeln zu leiten.

100829/0400

9. Gasturbine nach, einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet ,daß die Dtisenachaufeln der LeitSchaufelanordnung mindestens auf ihrer Eintrittsseite aus einem erosionsbeständigen Werkstoff bestehen, und daß die übrigen Flächen der Schaufeln poliert sind.

10. Gasturbine nach, einem der Ansprüche 1 bis 9, g e kennzeichnet durch einen auf der Austrittsseite des Turbinenläufers angeordneten Diffusorteil (8), in dem in einer Zone,in der die Strömungsgeschwindigkeit des Gases niedriger ist, Abstandsstreben (9) vorgesehen sind.

⁹⁹⁴ 109829/0400

Leerseite