DE2027222A1

DE2027222A1 - Schaltelement für Gasturbinen zum Umschalten zwischen Serien- und Parallelbetrieb

Info

Publication number: DE2027222A1
Application number: DE19702027222
Authority: DE
Inventors: Werner A. Dipl.-Ing. 7141 Neckarrems; Grieb Hubert Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Bruder
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1970-06-03
Filing date: 1970-06-03
Publication date: 1971-12-09
Also published as: FR2094017B1; US3730649A; GB1345883A; FR2094017A1

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 8469/4

. , Stuttgart-Untertürkheim , 27.April 1970

EPT Dr.W/mk

Betr.: Patent- und Gebrauchsmusterhilfsanmeldung

Schaltelement für Gasturbinen zum Umschalten zwi

schen Serien- und Parallelbetrieb

Die Erfindung betrifft ein Schaltelement für Gasturbinen zum Umschalten zwischen Serien- und Parallelbetrieb, das konzentrisch zwischen zwei Turbogeräten drehbar angeordnet ist und in Kanalsektoren zum Verbinden der Strömungswege der Turbogeräte untereinander oder zum Verbinden der Turbogeräte mit einem Einlauf und einem Gasauslaß aufgeteilt ist.

Derartige Schaltelemente werden bei Gasturbinen, insbesondere für Fahrzeugantriebe, sowohl zwischen dem Niederdruck-Verdichter und demHochdruck-Verdichter, als auch zwisc-hen der Verdichterturbine und der Arbeitsturbine benötigt, damit vor allem im unteren Drehzahlbereich bzw. Leistungsbereich ein günstiger Kraftstoffverbrauch erreicht wird. Im Serienbetrieb sollen die Schaltelemente die Turbogpräte so verbinden, daß der Gasstrom die Turbogeräte hintereinander durchläuft. Im Pa-

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rallelbetrieb soll jedes Turbogerät für sich arbeiten, d. h. beide Verdichter sollen die Luft unmittelbar aus der Atmosphäre ansaugen und direkt an den 'Wärmetauscher weitergeben, während gleichzeitig sowohl der Verdichterturbine als auch der Arbeitsturbine das Heißgas direkt von der Brennkammer zugeführt werden soll, und dann direkt von der jeweiligen Turbine zu dem Wärmetauscher geführt wird.

Es ist bereits ein Schaltelement vorgeschlagen worden, das einteilig und drehbar ausgebildet ist und bei dem die Luft- bzw. Gasführung so angeordnet ist, daß bei Serienbetrieb ein glatter Durchgang durch sektorförmige Kanäle von dem vorgeschalteten zu dem nachgeschalteten Turbogerät erfolgt. Für den Parallelbetrieb kommen versetzt hierzu angeordnete Kanäle zum Einsatz, die hintereinander angeordnet sind und jeweils aus einem radialen und einem axialen Teil zusammengesetzt sind. Das vorgeschlagene Schaltelement bedingt eine Anordnung der Zutritt- und Austrittgehäuse, die - in axialer Richtung gesehen eine ungünstige Reihenfolge darstellt, da im Parallelbereich abwechselnd Eintritt- Austritt-Eintritt- Austritt angeordnet ist, so daß ein günstiger Anschluß von den vorausgehenden bzw. zu den nachfolgenden Baugruppen, wie Einlauf-Pilter, Wärmetauscher, Brennkammer o. dgl» sehr schwierig zu realisieren ist. .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden. Die Erfindung besteht darin, daß das Schaltelement aus wenigstens zwei hintereinander angeordneten, gegeneinander verdrehbaren Teilen besteht, von denen der vordere einen Gaseinlauf und einen Anschluß zum Gasaustritt des vorgeschalteten Turbogerätes und der hintere einen Anschluß zum Gaseintritt des nachgeschalteten Turbogerätes und einen Gasauslaß aufweist.

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Durch diese Ausbildung liegen bezüglich des Schaltelementes ' die Einlaufe auf einer Seite und die Austritte auf der anderen Seite. Die erforderlichen Anschlüsse bereiten daher keine Schwierigkeiten.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Schaltelement dreiteilig ausgebildet und der mittlere Teil ist gegenüber dem feststehenden Vorderen Teil und dem feststehenden hinteren Teil verdrehbar. Zweekmäßigerweise kann der mittlere Teil wenigstens drei Kanäle aufweisen» die sich von einer · Stirnseite zur anderen erstrecken und von denen zwei für den Parallelbetrieb im Einsatz sind und den Gaseinlauf des vorderen Teiles mit dem Gaseintritt des hinteren Teiles und den Anschluß an den Gasaustritt des vorgeschalteten Turbogerätes mit dem Gasaustritt des hinteren Teiles verbinden, während im Serienbetrieb der dritte Kanal den Anschluß zum Gasaustritt des vorgeschalteten Turbogerätes mit dem Anschluß des hinteren Teiles zum Gaseintritt des nachgeschalteten Turbogerätes verbindet.

Der mittlere Teil kann mit wenigstens zwei Kanälen unmittelbar an den Gasaustritt des vorgeschalteten Turbogerätes anschließen. Bei dieser Ausführungsform besitzt der vordere, feststehende Teil des Schaltelementes nur noch einen Einlaufkanal als Verbindung zur Außenluft. Um eine gute Abdichtung des vorderen feststehenden Teiles zu erhalten, kann der vordere feststehende Teil axial verschieblich gelagert sein und auf seiner an den mittleren Teil anschließenden Stirnseite Diehtleisten aufweisen. ■

Eine insbesondere für ein Heißgasschaltelement, das zwischen der Verdichterturbine und der Arbeitsturbine angeordnet ist, vorteilhafte Ausführungsform, erhält man, wenn der mittlere

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drehbare Teil unter Zwischenfügen eines drehbaren Versorgungsteiles für Schmierung und Sperrluft gelagert ist. Durch diese radiale Unterteilung läßt sich die zwangsläufig auftretende Wärmedehnung beherrschen. Um eine exakte Zentrierung zu ermöglichen, kann zwischen dem Versorgungsteil und dem mittleren Teil eine Vielkeilverzahnung vorgesehen sein. Konstruktiv vorteilhaft ist es auch, wenn der Versorgungsteil auf dem hinteren Teil des Schaltelementes gelagert ist. Dabei kann die Lagerung des mittleren Teiles gleichzeitig das hintere Lager des vorgeschalteten Turbogerätes tragen. Bei einem Heißgasschaltelement ist es auch zweckmäßig, wenn der Versorgungsteil mit Labyrinthen zur Abdichtung gegenüber dem vorgeschalteten Turbogerät versehen ist. Der hintere, feststehende Teil kann außerdem einen Plansch zur Lagerung des zweiten Lagers des vorgeschalteten Turbogerätes besitzen.

Bei einem Heißgasschaltelement kann der vordere, feststehende Teil die Betätigungs- und Lagerelemente eines verstellbaren Leitapparates des vorgeschalteten Turbo-gerätes tragen.

Bei einem »wischen Verdichtern angeordneten Schaltelement kann der vordere feststehende Teil als Verdichterstator eines vorgeschalteten Niederdruck-Verdichters ausgebildet sein und ein Austrittsleitgitter aufweisen. Dabei ist es auch zweckmäßig, wenn an dem vorderen feststehenden Teil die hintere Lagerung des Niederdruck-Verdichters und die vordere Lagerung des mittleren Teiles, sowie die zugehörigen Abdicht- und Schmierelemente angeordnet sind. In baulich vorteilhafter Ausgestaltung kann schließlich der als Verdichterstator ausgebildete vordere fest-· stehende Teil außerdem das vordere Verdichterlager vorzugsweise über ein Einlaufgitter mit den zugehörigen Elementen für Schmie-

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rung und Abdichtung tragen.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen dargestellt. ■·

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes, im Verdichterteil einer Gasturbine angeordnetes Schaltelement,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes, im Turbinenteil.einer Gasturbine angeordnetes Schaltelement,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Schaltelement ähnlich Fig. 2 in größerem Maßstab,

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV der Fig. 3 in einer ersten Schaltstellung des Sehaltelementes und

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV der Fig. 3 in eineranderen Schaltstellung des Schaltelementes.

Zwischen dem axialen Niederdruck-Verdichter 1 und dem radialen Hochdruck-Verdichter 2 einer Gasturbine ist ein Schaltelement 3 angeordnet, das die beiden Verdichter 1 und 2 parallel oder in Serie schalten kann. Das Schaltelement 3 ist konzentrisch zu den beiden Verdichtern 1 und 2 angeordnet und besteht ais drei Teilen 4, 5 und 6, von denen der vordere Teil 4 und der hintere Teil 6 feststehend angeordnet sind, während der mittlere Teil 5

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gegenüber den beiden feststehenden Teilen verdrehbar ist. Der vordere feststehende Teil 4 weist einen Gaseinlauf 7 auf, der mit der Atmosphäre verbunden ist. Der vordere feststehende Teil 4 ist als Verdichterstätor für den Niederdruck-Verdichter 1 ausgebildet, wozu er in axialer Richtung verlängert ist und ein Austritts-leitgitter 8 und mehrere Einlaufgitter 9 aufweist. Das vordere Einlaufgitter 9 ist dabei so ausgestaltet, daß es das vordere Verdichterlager 10 einschließlich der zugehörigen Schmierungs- und Abdichtelemente trägt. In ähnlicher Weise trägt das Austrittsleitgitter 8 das hintere Lager 11 des Niederdruck-Verdichters 1 und die zugehörigen Abdicht- und Schmierelemente. Außerdem ist an dem Plansch 12 des Austrittsleitgitters 8 noch die Lagerung des mittleren, drehbaren Teiles 5 untergebracht.

Der mittlere Teil 5 des Schaltelementes 3 ist gegenüber den beiden feststehenden Teilen 4 und 6 drehbar angeordnet und mittels kolbenringartiger Dichtleisten 13 abgedichtet« Außerdem können noch in nicht näher dargestellter Weise in axialer Richtung liegende Dichtleisten vorgesehen werden. Der mittlere Teil 5 weist wenigstens drei Kanäle auf, die sektorenförmig angeordnet sind. Er ist über eine nicht dargestellte Verstelleinrichtung jeweils um eine Kanalbreite verdrehbar, so daß jeweils andere Kanäle bzw. Absperrungen an die entsprechenden Anschlüsse angeschlossen werden. Der mittlere Teil 5 ist auf einer fest an dem hinteren feststehenden Teil 6 angeordneten Büchse 14 gelagert. Der hintere feststehende Teil 6 des Schaltelementes 3 weist Kanäle auf, die einmal als Gasauslaß 15 zu einem Wärmetauscher und zum anderen als Gaseinlauf 16 zu dem Hochdruck-Verdichter 2 führen.

Die Kanäle der drei Teile £, 5 und β sind so ausgebildet, daß für die Schaltstellung Serienbetrieb der Gasaustritt des Niederdruck-Verdichters 1 mit dem Gaseinlauf To des Hochdruck-Verdich-

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ters 2 verbunden ist, während alle anderen Kanäle verschlossen sind. Pur den Parallelbetrieb muß dann der mittlere Teil 5 verdreht werden, so daß er dann den Gasaustritt des Niederdruck-Verdiehters 1 mit dem radial gerichteten Auslaß 15 des hinteren Teiles 6, des Schaltelementes 3 verbindet, während er gleichzeitig den Einlauf 7 des vorderen Teiles 4 des Schaltelementes mit dem Gaseinlauf 16 des Hochdruck-Verdichters 2 verbindet, der dann aus der Atmosphäre ansaugt.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Schaltelement 17, das als Heißgasschal t element ausgebildet und zwischen einer Verdichterturbine 18 und einer nicht dargestellten Arbeitsturbine angeordnet ist. Der Verdichterturbine 18 ist eine Brennkammer 19 vorgeschaltet. Das Schaltelement 17 hat die Aufgabe, im Serienbetrieb die Gasführung so herzustellen, daß das Heißgas von der Brennkammer zunächst die Verdichterturbine 18 und anschließend die Arbeitsturbine durchströmt. Pur den Parallelbetrieb muß die Möglichkeit vorgesehen werden, daß das Heißgas von der Brennkammer aus unter Umgehung der Verdichterturbine* 18 direkt zur Arbeitsturbine geführt wird, während gleichzeitig das durch die Verdichterturbine 18 strömende Heißgas über<einen getrennten Auslaß 20 einem Wärmetauscher zugeführt wird.

Das Schaltelement 17 besteht wie bei dem Ausruhrungsbeispiel nach Pig. 1 aus drei Teilen 21, 22 un<| 23,von denen der vordere 21 und der hintere 23 feststehend ausgebildet sind, während der mittlere 22 gegenüber diesen beiden verdrehbar ist. Der vordere Teil 21 besitzt einen zu der Brennkammer 19 führenden Gaseinlauf 24. Er trägt ausserdem einen Leitapparat 25 für die Verdichterturbine 18 einschließlich der zugehörigen Verstelleinrichtung 26. Der vordere Teil 21 des Schaltelementes 17 kann noch einmal unterteilt sein, und wie Pig. 3 zeigt, axial beweglich sein. Dadurch wird es möglich, eine gute Abdichtung

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gegenüber dem mittleren Teil 22 zu erzielen, indem in der daran anliegenden Stirnseite des vorderen Teiles 21" Dichtleisten 27 eingesetzt werden, die aufgrund des Gasdruckes in der .,.,.. Brennkammer gegen den mittleren Teil 22 gedruckt werden. Der mittlere Teil 22 des Schaltelementes 17 schließt mit einem Kanal 28 direkt an den Austritt der Verdichterturbine 18 und mit einem anderen Kanal 29 an den Gaseinlauf 24 des feststehenden Teiles 21 an. Für den drehbaren mittleren Teil 22 ist eine Verstelleinrichtung vorgesehen, die über einem äußeren Hebel 30 betätigbar ist und mit einem weiteren, einen gabelartigen Teil 31 aufweisenden Hebel 32 einen fest an den mittleren Teil 22 angebrachten Kugelkopf 33 umfaßt. Der mittlere Teil 22 ist im Bereich seiner Lagerung in radialer Richtung unterteilt, so daß die bei einem Heißgasschaltelement auftretenden Wärmedehnungen aufgefangen werden können. Er ist über eine Vielkeilverzahnung mit einem innen liegenden Versorgungsteil 34 verbunden, das die Lagerung des mittleren Teiles 22 und das Turbinenlager 35 der Verdichterturbine 18 mit Schmiermittel und mit Sperrluft versorgt. Der Versorgungsteil 34 trägt außerdem eine Labyrinthdichtung 36, mit der er den mittleren Teil 22 gegenüber der Verdichterturbine 18 abdichtet. Bei einer Schaltung des mittleren Teiles wird die Labyrinthdichtung 36 mit verdreht, was unter Umständen vorteilhafte Auswirkungen haben kann.

Der hintere feststehende Teil 23 weist ebenfalls mehrere Kanäle 37 und 38 auf, von denen zwei 37 axial liegen und an den Gaseinlauf der nicht dargestellten Arbeitsturbine anschließbar sind. Der dritte 38 liegt im wesentlichen in radialer Richtung und dient zum Anschluß an einen nicht dargestellten Wärmetauscher. Der feststehende Teil 23 ist in.seinem Inneren mit ei- · nem zur Mitte hin gerichteten Flansch 39 versehen, an dem sich die Lagerung des mittleren Teiles 22 und auch das vordere Lager 35 der Verdichterturbine 18 abstützen.

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Die Luftführung des Schaltelementes 3 nach Fig. 1 entspricht der Luftführung des Schaltelementes 17 nach Fig. 2 und 3, die näher in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist, die einen in eine Ebene geklappten Teilschnitt entlang der Linie IV-IV in den "beiden verschiedenen Schaltstellungen darstellen. In Fig. 4 ist die Schaltstellung für den Parallelbetrieb der Gasturbine dargestellt. Die ströinungstechnisch ausgebildeten Trennwände der Kanäle stellen sicher, daß eine direkte Verbindung durch die Kanäle 29 und 37 von der Brennkammer 19 zu der Arbeitsturbine hergestellt wird, während die Verdichterturbine

18 nicht mit der Arbeitsturbine,sondern über die Kanäle 28 und 38 direkt mit dem Wärmetauscher verbunden ist. Der verdrehbare mittlere Teil 22 gibt über den Kanal 29 eine Verbindung zu dem vorderen feststehenden Teil 21 frei, die über den'Kanal 37 des hinteren feststehenden Teiles 23 den zur Brennkammer

19 führenden Einlauf 24 mit der Arbeitsturbine verbindet.

In der Schaltstellung nach Fig. 5 ist der mittlere Teil 22 um die Breite eines Kanales verdreht. Dabei wird mit Hilfe einer Sperrwand 39 der Gaseinlaif 24 des vorderen feststehenden Teiles verschlossen, während außerdem der zum Wärmetauscher führende Kanal 38 des hinteren feststehenden Teiles 23 gegenüber dem Gasaustritt der Verdichterturbine 18 versperrt ist. Das gesamte in"der Brennkammer 19 anfallende Heißgas muß daher zunächst die Verdichterturbine 18 und anschließend die Arbeitsturbine durchlaufen.

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Claims

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Patent- und Schutzansprüche

f 1. 3cha.ltelement für Gasturbinen zum Umschalten zwischen Sev_/rien- und Ärallelbetrieb, das konzentrisch zwischen zwei Turbogeräten drehbar angeordnet ist und in Kanalsektoren zum Verbinden der Strömungswege der Turbogeräte untereinander oder zum Verbinden der Turbogeräte mit einem Einlauf und einem Gasauslaß aufgeteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (3, 17) aus venigstens zwei hintereinander angeordneten, gegeneinander verdrehbaren Teilen (4» 5, 6,-21, 22, 23) besteht, von denen der vordere einen Gaseinlauf (7, 24) und einen Anschluß zum Gasaustritt des vorgeschalteten Turbogerätes (1, 18) und der hintere (6, 23) einen Anschluß zum Gaseintritt des nachgeschalteten Turbogerätes (2) und einen Gasauslaß (25, 20) aufweist.
2. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es dreiteilig ausgebildet ist und der mittlere Teil (5, 23) gegenüber dem feststehenden vorderen Teil (4, 21) und dem feststehenden hinteren Teil (6, 23) verdrehbar ist.
3. Schaltelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Teil (5) wenigstens drei Kanäle (28, 29) aufweist, die sich von einer Stirnseite zur anderen erstrekken und von denen zwei (28, 29) für den Parallelbetrieb im Einsatz sind und den Gaseinlauf (7, 24) des vorderen Teiles (4, 21) mit dem Gaseintritt (16, 37) des hinteren Teiles (6, 23) und den Anschluß an den Gasaustritt des vorgeschalteten Turbogerätes (1, 18) mit dem Gasauslaß (15, 20)

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des hinteren Teiles (6, 23) verbinden, während im Serienbetrieb der dritte Kanal (28) den Ans-chluß zum Gasaustritt des vorgeschalteten Turbogerätes (1, 18) mit dem Anschluß des hinteren Teiles zum Gaseintritt des nachgeschalteten Turbogerätes (2) verbindet.
4. Schaltelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Teil (5> 22) mit wenigstens zwei Kanälen (28) unmittelbar an den Gasaustritt des vorgeschalteten Turbogerätes (1, 18) anschließt.
5. Schaltelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere feststehende Teil (21) axial verschieblich gelagert und auf seiner an den mittleren Teil (22) anschließenden Stirnseite Dichtleisten (27) aufweist.
6. Schaltelement, insbesondere Heißgasschaltelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5f dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere drehbare Teil (22) unter Zwischenfügen eines drehbaren Versorgungsteiles (34) für Schmierung und Sperrluft gelagert ist.
7. Schaltelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Versorgungsteil (34) und dem mittleren Teil

(22) eine Vielkeilverzahnung vorgesehen ist.
8. Schaltelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Versorgungsteil (34) auf dem hinteren Teil

(23) des Schaltelementes (17) gelagert ist.
9. Schaltelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

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die Lagerung des mittleren Teiles (22) gleichzeitig/das Lager (35) des vorgeschalteten Turbogerätes (18) trägt.
10. Schaltgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis

9, dadurch gekennzeichnet, daß der Versorgungsteil (34) mit Labyrinthen (36) zur Abdichtung gegenüber dem vorgeschalteten Turbogerät (18) versehen ist.
11. Schaltgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis

10, dadurch gekennzeichnet, daß der hintere feststehende Teil (23) einen Flansch zur Lagerung des zweiten Lagers des vorgeschalteten Turbogerätes (18) besitzt«
12. Schaltelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

11, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere feststehende Teil (21) die Betätigungs- und Lagerelemente eines verstellbaren Leitapparates (25, 26) des vorgeschalteten Turbogerätes (18) trägt.
13. Schaltelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere feststehende Teile (4) als Verdichterstator eine vorgeschalteten Niederdruck-Verdichters (1) ausgebildet ist und ein Austrittsleitgitter (8) aufweist.
14. Schaltelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß an dem vorderen feststehenden Teil (4) das hintere Lager (11) des Niederdruck-Verdichters (1) und die vordere Lagerung des mittleren Teiles (5)» sowie die zugehörigen Abdicht- und Schmierelemente angeordnet sind.
15. Schaltelement nach den Ansprüchen 13 oder 14, dadurch ge-

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kennzeichnet, daß der als Verdichterstator ausgebildete vordere feststehende Teil (4) das vordere Verdichterlager (iO) vorzugsweise über ein Einlaufgitter (9) mit
den zugehörigen Elementen für Schmierung und Abdichtung trägt»

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