DE2032964C3

DE2032964C3 - Gasturbinenanlage mit gegenläufigen Laufrädern

Info

Publication number: DE2032964C3
Application number: DE2032964A
Authority: DE
Inventors: Heinrich 4200 Oberhausen-Sterkrade Holzapfel; Jan-Albert Vilp Konings (Niederlande)
Original assignee: Gutehoffnungshutte Sterkrade AG
Current assignee: Gutehoffnungshutte Sterkrade AG
Priority date: 1970-07-03
Filing date: 1970-07-03
Publication date: 1974-04-25
Also published as: DE2032964B2; GB1353400A; DE2032964A1; US3756019A; FR2097170A1; FR2097170B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit ■ui einer feststehenden Welle gegenläufig gelagerten Laufrädern, die radial innen eine Verdichterschaufelreihe sowie radial außen eine Turbinenschaufelreihe aufweisen, wobei letztere über eine Brennkammer aerodynamisch miteinander verbunden sind, und mit mindestens einem auf einer Abtriebswelle angeordneten Hochdruck-Laufrad.

Derartige Gasturbinen haben bei mehrstufiger Bauart den Vorteil einer einfachen Bauweise. Bei getrennter Anordnung von Verdichter und Turbine sind nämlich der Stufenzahl entsprechend viele Wellen notwendig, die einander konzentrisch umgeben oder unabhängig "ineinander angeordnet sind. Dieser Nachteil fällt hier weg. Außerdem lassen sich diese Gasturbinen kompakt bauen.

Bei einer bekannten Turbine der genannten Art (deutsche Patentschrift 1085 718) veist das auf der Hochdruckseite angeordnete, mit einer Abtriebswelle verbundene Laufrad sowohl eine Verdichter- als auch eine Turbinenbeschaufelung auf. Da^ die Verdichterschaufel dieses Laufrades verlassende Gas tritt nach der Temperaturerhöhung in der Brennkammer mit einem erhöhten Energiezustand in die Turbinenschaufel des gleichen Laufrades ein. Diese Energie kann in der Turbinenschaufelreihe der auf der feststehenden Welle gelagerten Laufräder der bekannten Gasturbine nicht vollständig abgebaut werden, so daß vor der Turbinenschaufel an der Gasaustritisseite ein höherer Druck als vor der Verdichterschaufel des gleichen Laufrades herrscht. Arbeitet eine solche Gasturbine bei gleichem Außendruck, d. h. expandiert die letzte Turbinenstufe auf Außendruck und verdichtet die erste Verdichterstufe von Außendruck, so liegt vor der letzten Turbinenstufe eine höhere Druckdifferenz als in der ersten Verdichterstufe. Dadurch entsteht vor der letzten Turbinenstufe ein vergleichsweise hoher Druck, während der Druck nach der e.sten Verdichterstufe niedriger ist. Auf diese Weise ergibt sich eine Druckdifferenz zwischen der letzten Turbinenstufe und der ersten Verdichterstufe. Die heißen Gase der Turbinenstufe werden daher über die Ringabdichtung zwischen der Turbinen- und Verdichterbeschaufelung in den Raum nach der ersten Verdichterstufe eintreten. Durch dieses Eindringen der heißen Gase wird die Verdichterluft aufgeheizt und damit das Druckverhältnis verringert. Das bedeutet eine Verschlechterung des Wirkungsgrades.

ίο Weiterhin ist es bekannt (deutsche Patentschrift 819 758), die der Verdichterschaufelreihe zugeleitete Luft zuvor vorzuverdichten, um einen Überdruck auf der Verdichterseite gegenüber der Turbinenseite zu haben. Der der ersten Verdichterstufe vorgeschaltete Vorverdichter besteht aus einer mit den Laufrädern verbundenen umlaufenden Hülse, die außen mit einer Beschaufelung versehen ist. Diese Hülsenbeschaufelung ist über einen Umströmkanal mit der Verdichterschaufelreihe verbunden. Auf diese Weise

ao liegt in der ersten Verdichterstufe ein höherer Druck vor als in der mit ihr korrespondierenden letzten Turbinenstufe. Ein Eindringen von heißen Gasen in die Verdichterstufe ist somit an dieser Stelle vermieden. Im weiteren Verlauf zur Eintrittsseite in die Turbinenstufe bzw. zur Austrittsseite des Verdichters ist dieses Prinzip jedoch wieder verlassen worden. Auf der Hochdruckseite des Verdichters sind bei dieser bekannten Vorrichtung noch mehrere Verdichterstufen als nichtgegenläufige Stufen aufgebracht.

Diese erzeugen von der letzten gegenläufigen Stufe bis zum Austritt einen Druck auf der Verdichterseite. Der noch erhöhte Druck wird über die Brennkammer dem Turbineneintritt zugeleitet, so daß der Druck auf der Turbinenseite höher liegt als der Druck auf der mit ihr korrespondierenden Verdichterseite. Das bedeutet, daß gerade hier im hohen Temperaturniveau heiße Gase auf die Verdichterscite überströmen können und daß somit die ganze Arbeitsweise des Aggregats in Frage gestellt ist.

Ausgehend von einer Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art liegt der Erfindung die Aufgahe zugrunde, deren Wirkungsgrad dadurch zu verbessern, daß ein Übertritt heißer Gase von der Turbinen- auf die Verdichtcrscite verhindert wird.

Das geschieht gemäß der Erfindung dadurch, daß das bzw. die Hochdruck-Laufräder ausschließlich mit einer radial außen angeordneten Turbinenschaufelreihe versehen ist bzw. sind, die über aerodynamisch wirkungslose Speichen mit der Antriebswelle verbunden ist. An diesen mit der Abtriebswelle verbundenen Hochdruck-Laufrädern wird nur eine Nutzleistung abgenommen, ohne daß noch zusätzlich, wie bei der bekannten Gasturbine, eine Verdichtungsarbeit aufgebracht wird Die vorhandenen Speichen sind aerodynamisch wirkungslos und dienen nur zur Führung der komprimierten Luft. Nach dem Verlassen der Hochdruck-Liiufräder strömt das Gas durch die Turbinenschaufeln der restlichen Laufräder mit einem niedrigeren Druck, aber einer höhcren Temperatur als in den Verdichterschaufeln der entsprechenden Laufrädci. Die Turbinenbeschaufelung der Hochdruck-Laufräder der Abtriebswelle ist derart ausgelegt, daß vor dem ersien Laufrad auf der Verdichtereintrittsseite mindesten;; der gleiche Druck herrscht wie auf der Turbinenaustrittsseite. Auf diese Weise wird ein Überströmen der heißen Gase von nc: Turbinen- auf die Verdichterseite mit den nachteiligen Folgen vermieden. Durch dieses

Übertreten wird — wie schon oben dargelegt — der
Wirkungsgrad und das Verdichtungsverhältnis des
Verdichters verschlechtert. Das drückt sich in einer
größeren Leistungsaufnahme auf der Verdichterseite
. aus. Da die überströmende Gasmenge in der Verdichterstufe keine Leistung mehr abgibt, wird die den als Ring ausgeDi Turbinenleistung verringert. Die Abtriebsleistung ist schaufel 3 voneinander aber durch die Differenz von Turbinen- und Ver- An die Laufräder 1

dichterleistunp gegeben. Da in dem einen Falle die " "„„^„,„i.jr -,,,f,

Turbinenleistung absinkt und in dem anderen Falle 10
die Verdichterleistung ansteigt, wird diese Differenz
immer kleiner. Damit wird die Abtriebsleistung verringert, was sich in einem schlechteren Wirkungsgrad

ausdrückt. Diese Nachteile werden bei der erfin- triebswelle7 darstellen. ^ ^- .--dungsgemäßen Gasturbinenanlage ausgeschaltet. 15 Führung der verdichteten Luft und leisten Außerdem wLd je nach Lage des Normalpunktes im **^r* Vwriichtunesarbeit. Verdichterkennfeld durch das Überströmen von der

Turbinen- zur Verdichterseite die Ansaugmenge des Laufrader 1 und die age.Brennkammer 10 mit den gesamten Verdichters vermindert, was leicht dazu räder ^ ^S1°^ber ^eme _fl führen kann, daß der Verdichter ins Pumpengeb.et 20 Turbinenc«n° ^U£°_{den Einlaß} _U _in die Verfällt und damit Schaufelhavarie hervorgerufen wird. Uie Lun " " Lauf räder 1 ein und wird Auf Grund ihres Aufbaues läßt sich bei der erfin- dichterschau e re he 3 der ^ ^ ^ ^ ^ dungsgemäßen Gasturbine in einfacher Weise eine dort verdichtet Über die ap Temperaturer-Kühlung der Turbinenschaufeln herbeiführen Dazu g^J^°_erhitzte Gas gibt an die sind bei den mit Verdichter- und Turbinenschaufeln 25 ^W^ _{einen Te}il seiner Energie ab, bestückten Laufrädern von der Druckseite der Ver- ^f™*^™^ _{außen ge}führt wird. Der dichterschaufel eine oder mehrere - an sich be- der als Nutzleis ™g nacn _T*_rbinenschaufeln 4 kannte - Bohrungen durch den Schaufelfuß der Rest der E*ergie wird η de _{Schaufeln 8 der} hohlen Turbinenschaufel in deren Inneres gefunr . der Laufrader1 abgeDauι w _Gas ^ ^ Durch diese Bohrung strömt zur Kühlung der Turbi- 30 Laufrader 6 so ausgetegt smdi ^ ^ ^^ nenschaufeln ein Teilstrom der im Vergleich zum laß 12 den gleichen urne*

Gas kühleren und höher gespannten Luft. tritt 11. dargestellt, ist der Fuß 5 der

Die Erfindung sei an einem Ausführungsbe.spiel WJ™ ^¹/"^^„„^1 13 versehen.

und der Zeichnung näher erläutert. n" «nimm Jen 13 rind von der Seite des höheren

Fig. 1 stellt eine Gasturbine gemäß der Erfindung 35 g^^^j^SscJSffel3 in das Innere der

^da^ig.2 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Turbinenschaufel4,^rV^YS z^Sung

Schnitt durchdn Laufrad entlang der Linie IMI in ^^^^^J^Sung in die Turbinenbe-

Fig.3;

F i g. 3 gibt den Schnitt III-III nach F i g. 2 wieder. 40 schaufelung ein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gasturbinenanlage mit auf einer feststehenden Welle gegenläufig gelagerten Laufrädern, die radial innen eine Verdichterschaufel reihe sowie radial außen eine Turbinenschaufelreihe aufweisen, wobei letztere über eine Brennkammer miteinander aerodynamisch verbunden sind, und mit mindestens einem auf einer Abtriebswelie angeordneten Hochdruck-Laufrad, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die Hochdruck-Laufräder (6) auschließlich mit einer radial außen angeordneten Turbinenschaufelreihe (8) versehen ist bzw. sind, die über aerodynamisch wirkungslose Speichen (9) mit der Abtriebswelle (7) verbunden ist.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei den mit Verdichter- und. Turbinenschaufeln bestückten Laufrädern (1) von der Druckseite der Verdichterschaufel (3) eine oder mehrere Bohrungen (13) durch den Schaufelfuß (5) der hohlen Turbinenschaufel (4) in deren Inneres geführt sind.