DE2039064A1 - Gasturbine - Google Patents

Description

Patentanwälte
Dipl.-Ing. V. Beyer
Dipl.-Wirtsch.-Ing. B. Jochen

Prankfurt am Main Preiherr-vom-Stein-Str·

In Sachen:

Beunes Marrey^
Societe Anonyme
Saint-Etienn (Loire) Prankreich

Gasturbine

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einem Hochdruck-Turbinenschaufelring auf einer ersten Veile, einem ÜTiederdruck-Turbinenschaufelring auf einer zweiten Welle und einem zwischen diesen beiden Turbinenschaufelringen angeordneten Leitschaufelring mit durch einen gemeinsamen Zahring über Ritzelum radiale Schwenkachsen verschwenkbaren Leitschaufeln.

Während Turbinen mit feststehenden Leitschaufeln in solchen Anwendungsfällen befriedigend arbeiten, wo die Betriebsbedingungen und Belastungen praktisch gleichbleibend sind, treten bei dieser Art von Turbinen Nachteile auf, wenn sie zum Antrieb von Lastkraftwagen oder anderen Fahrzeugen verwendet werden sollen. Um auch bei Teillastbetrieb einen guten Wirkungsgrad zu erhalten, außerdem die Anlaufzeit der Turbine abzukürzen und schließlich, um mit»der Turbine auch bremsen zu können,ist es vorteilhaft, ·

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wenn der Anstellwinkel der Leitschaufeln durch Drehung um mit Bezug auf die Hauptachse der Turbine radiale Schwenkachsen verändert werden kann. Die Verstellung der Leitschaufeln kann adttels eines gemeinsamen Zahnringes vorgenommen werden, der mit Ritzeln auf den Schwenkachsen der Leiteehaufeln kämmt. Der Drehantrieb dee Zahnringes wiederum kann- beispielsweise mit Hi3 fe eines tangential an diesem angreifenden Betätigungszylinderj erfolgen, dessen Kolben einseitig durch eine Feder und auf der anderen Seite durch Druckmittel beaufschlagt ist, dessen Druck geregelt und gesteuert wird.

Ein Problem war bei. ^Turbinen der eingangsgenannten Art bisher die Führung und vibrationslreie Lagerung der verschwenkbaren Leitechaufeln. Die technische Aufgabe besteht darin, eine Lagerung der Leitschaufeln zu finden, welche diese unter allen Betriebsbedingungen, also, auch unabhängig von Wärmeausdehnungen, beidseitig führt und.hält, ohne daß durch mehrere Lager eine großer Aufwand getrieben werden müsse. Die vorstehendeAufgäbe wird erfindungagemäß dadurch gelöst ,'daS Me Leitschaufeln in ■jeder Stellung unter federsp&nnung mit einer radialen Endfläche gegen eine ortsfeste'Hautelfläche gepreßt sind. Biese Aueführung hat'den Vorteil, daß mit einrieben Kitteln tine beständige Anlage -der.leiteclwöjufeln 'an--einer OTlmöJgsfiäelfc* er sielt wird, ■'·'."■ wodurch Schwingungen und Vibrationen vermieden werde»,- die ' , eich eonet auf $i· .Xtffbeaedftuer der FiHiiimiJitetXe der Le it schaufeln auswirken kSnnen. ' \ ■·■. YV.-"- ';'■ ''.-"

.Die Erfindung "tfirä asclistii--· .^d anhand - eines' in-.der Zeichnung

^*^«?.Spieles naher erllut#rt,^;-13s.TJei: -_r .

*. . tig. 1 einen Verschnitt nach Schnittlinie X-X in Fig. 2 '-. . durch eine Gasturbine geaäS der Brfliifeig» £ifi· 2 einen Schnitt. durch die Gasturbine nach Pig» 1 entsprechend Schnittlinie H-II j Fig. 3 und 4 vergrößerte Ausschnitte von Einzelheiten'in Pig, 2\ 'Fig. 5 eine vereinfachta Schnittansicht gemäß Schnittlinie V-V ■ in Fig. 3i Fig. δ eine Draufsicht auf ein« feTDgebroohene Abwiek-M 3P63/31.7-197O '^l'

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lung dos Umfangt des Leitschaufelringes der Turbine, wobei die Leitschaufeln wie während der Anlaufphase der Turbine stehen; Pig. 7 eine Fig. 6 entsprechende Ansicht mit den Leitschaufeln ' in einer Stellung wie während des Betriebs der Turbine unter Last; Fig. 8 eine Draufsicht auf die Leitschaufeln ähnlich Fig. 6 und 7> wobei die Stellung der Leitschaufeln während des Bremsens mittels der Turbine gezeigt ist.

Die in dip.r Zeichnung dargestellte Turbine besteht aus einem ScntrifugalkoEipresso^ 1 und einem auf derselben Welle 3 wie dieser aufgekeilten Kochdruck-Turbinenschaufelring 2, sowie weiterhin aus einem Niederdruck-Turbinenschaufelring 4, welcher _— über ein Reduziergetriebe 6 eine Abtriebswelle 5 antreibt. ' An der Vorderseite der Turbine treibt die Welle 3 über ein im einzelnen nicht dargestelltes Getriebe 7 Kilfsaggregate an. Das Ansaugen von Uingebungsluft findet durch seitliche Ansaugöffnungen 8 statt, während die Auspuffgase durch zwei Auslaßöffnungen 9> die zur Rückseite der Turbine hin gerichtet sind, an die Atmosphäre abgegeben werden.

Zwei Drehspeicherwärmetauacher 1o sind derart angeordnet, daß sie erstens von, der vom Zentrifugalkompressor 1 zu Brennkammern. 12 geförderten Luft (Pfeile 11) und zweitens von den heißen Auspuffgasen auf deren Weg vomNiederdruck-Turbinenschaufelring 4- zu den Auslaßöffnungen 9 (Pfeile 13) durchströmt werden. m

Zwischen den Hochdruckturbinenschaufelring 2 und dem Niederdruckturbinenschaufelring M- "befindet sich ein Leitschaufelring, auf welchen sich die vorliegende Erfindung konzentriert.

Der Leitschaufelring besteht zunächst aus im Querschnitt flügeiförmigen Armen 14, die unmittelbar hinter dem Hochdruck-Turbinenschaufelring 2 angeordnet sind und zum Zwecke, eine gleichmäßige Gasströmung sicherzustellen, ein inneres Ringteil 55 tragen. In Strömungsricatung gesehen hinter den Armen 14 befindet sich dann ein Leit schaufelring mit beweglichen Leit schaufeln 16. Die Brenngase, welche den Eochdruck-Turbinenschaufelring 2 ver-

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lassen, strömen also zunächst zwischen den Armen 14· hindurch, denn zwischen den Leitschaufeln 16 und beaufschlagen danach den Niederdruck-Turbinenschaufelring 4·.

Die Leitschaufeln 16 sind gleichmäßig über den Umfang vorteilt und alle identisch. Es können beispielsweise 13 Leitschaufein vorgesehen sein, obgleich es sich bei dieser Zahl natürlich nur um ein Beispiel handelt. Die Schwenkachsen, um welche die Leitsohaufeln 16 gedreht werden, erstrecken sich mit Bezug auf die Hauptachse der Turbine genau in radialer Sichtung. AIg Schwenkachse jeder Leitschaufel 16 dient im vorliegendem Ausführungsbeispiel ein sich einseitig vom Schaufelblatt radial nach außen erstreckender, abgesetzter Schaft 18,. an dessen freiem Endo ein Ritzel 19 aufgekeilt ist. Nahe dem Schaufelblatt besitzt der Schaft 18 einen verstärkten Lagerbund 17.

Die radial innere Endfläche oder Basisfläche 2o und die radial äußere Endfläche 21 jeder Leitschaufel 16 haben ein sphärisches Profil, um entweder Anlage oder kleinstes Spiel mit den benachbarten ortsfesten Teilen sichernaufstellen. Dies sind ein innerer Gehäusering 22 und ein äußerer Gehäusering 23. Somit ist eine dichte Anlage der Leitschaufeln 16 in allen ihren Stellungen gewährleistet.

Der Lagerbund 17 ist drehbar in einer festen Lgerbuchse 24 geführt, und es ist außerdem mit Zwischenabstand eine weitere feste Lagerbuchse 24· vorgesehen, die radial weiter außen ein zweites Radiallager für den Schaft 18 bildet. Die beiden Lagerbüchsen 24- und 25 sind jeweils in eine Bohrung einer ortsfesten Nabe 26 eingesetzt.

An dem Absatz, welchen der Lagerbund 17 nit dem diesem gegenüber verjüngten äußeren Ende dos Schaftes 18 bildet, liegt eine Scheibe ?S an, Die letztere empfängt den Druck einer Schraubenfeder 29, die sich am entgegengesetzten Ende an der Lagerbüchse 25 abstützt. Diese ist gegen Verschieben in axialer Richtung längs des Schaftes 18 durch einen Sprengring 3o gesichert, welcher

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nahe dem äußeren Ende der Bohrung der Nabe 26 eingesetzt ist. Die Schraubenfeder 29 stellt sicher, daß die Easisflache 2o der Leitschaufel 16 ständig an der ortsfesten, sphärischen Oberfläche des Gehäuseringes 22 anliegt. Während des Betriebs der Turbine wird der diese Anlage sichernde Druck noch dadurch verstärkt, daß das radial äußere Ende des Schaftes 18 mit Druckluft beaufschlagt wird (siehe Pfeil 31 in Fig. 4). Dies wird dadurch erreicht, daß ein Ringraum 32, welcher die Teile "·4 und 16 des Leitschaufelringes umgibt, in Verbindung mit der Druckseite des Zentrifugalkompressors Λ steht (Fig. Λ und 2). '

Der Kontakt zwischen der Basisfläche 2o und der Oberfläche des· μ Gehäuseringes 22 bewirkt, daß die einzelnen Schaufelblätter . ■ besser'und sicherer in ihrer Jeweils eingestellten Lage verharren und Vibrationen vermieden werden.

Die Ritzel 19 sind vorzugsweise Kegelräder, und alle kämmen mit einen gemeinsamen Zahnring 33» der die Leitschaufeln 16 umgibt. I?ür die Pührung des Zahnrings 33 sind zwei Kugel- oder Rollenlager.-34 und 35 vorgesehen.

Der Zahnring 33 besitzt an einer Stelle seines Umfangs ein Auge. 36 (Pig. 5)> an welchem mittels eines Gelenkbolzens 37 äas eine Ende einer Verbindungsstange 38 angreift· Diese ist mit ihrem anderen Ende durch einen Gelenkbolzen 39 mit einer Kolbenstange J| eines KraftZylinders verbunden. Der Kraitzylinder besteht aus einem Kolben 41, der einstückig mit der Kolbenstange 4o ausge-* bildet ist, und einem ortsfesten Zylinder 42, in welchem*der Kolben 41 geführt ist. Zwischen der einen Stirnwand 43 des Zylinder 42 und dem Kolben 41 ist eine Druckfeder 44 eingespannt. Auf der anderen Seite des Kolbens 41, d.h. zwischen diesem und der gegenüberliegenden Endwand 45 des Zylinders 42 befindet sich ein Zylinderraum 46, der auf bekannte Weise mit Druckmittel des hydraulischen Steuerkreises und Regelmechanismus der Trubine beaufschlagt werden kann. .

Die ortsfestenArme 14 haben ein Querschnittsprofil 47, wie es K 3263/31.7.1970 _i)v ■'_ ₆ ^

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aus Fig. 3 hervorgeht. Dabei ist sichtbar, daß in den Armen Kühlluftkanale 48 angelegt sind, die sich über deren gesamte Länge erstrecken.

Die Funktionsweise der Turbine mit den verstellbaren Leitschaufeln ist wie folgt:

Wenn sich im Zylinderraum 46 des KraftZylinders 41, 42 ein hydraulischer Druckjaufbaut ,oder wenn umgekehrt bei nachlassendem Druck der Kolben 41 unter der Wirkung der Druckfeder 44 zurückgeschoben wird, dreht sich.der Zahnring 33 in der einen oder anderen Richtung (siehe den doppelten Pfeil 49 in Fig. 5)· Diese Drehbewegung wird gleichzeitig auf alle Ritzel 19. übertragen, so daß sich alle Leitschaufeln 16 um denselben Winkel drehen.

Wenn die Leitschaufeln 16 die in Fig. 6 dargestellte Lage einnehmen, bieten sie den von dem Hochdruck-iTrubinenschaufelring kommenden Brenngasen (Pfeil 5o) den geringsten. Widerstand.. Demzufolge wird die Expansion in der Hochdruckstufe vergrößert. Diese Position der Leitschaufeln entspricht alo den Bedingungen fiujüen Anlauf der Trüb ine oder auch den Bedingungen im Leerlauf.

Wenn dagegen die Leitschaufel!*. 16 in die in- Pig. 7 dargestellte Lage geschwenkt werden - die Schwenkrichtung ist durch den Pfeil 51 angedeutet - so wird dadurch die Turbine auf Hochleistung eingestellt, wobei der Niederdruek-Turbinenschaufelring 4 mit Nenndrehzahl läuft.

Wenn schließlich durch Drehung der Leitschaufeln in umgekehrter Richtung (Pfeile 52) die in Fig. 8 dargestellte Lage der Schaufeln gewählt wird, werden die von den ortsfesten Armen 14 in Richtung dea Pfeiles 5o anströmenden Gase, in Umfangsrichtung gesehen, nach Rückwärts in Richtung der Pfeile 53 umge'leakt. Sie haben dann das Bestreben, den in Vorwärtsrichtung laufenden Niederdruck-

Turbinen^chaufelring 4,der in Richtung des Pfeiles 54 dreht,zu bremsen. In diesem Fall wirkt die Turbine alß Hotorbremse.

H 3263/31*7· 197p ...-,. - , ,Patentansprüche

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Claims (1)

1. Pat ent ansjjrüche

   Gasturbine mit einem Hochdruck- Turbinenschaufelring auf einer ersten Welle, einem Niederdruck-Turbinenschaufelring auf einer zweiten Welle und einem zwischen diesen beiden Turbinenschaufelringen angeordneten Leitschaufelring; mit durah einen gemeinsamen Zalinring über Eitzel um radiale Schwerikachsen verschwenkbaren Leitschaufeln, dad u rc h gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (16) in jeder Stellung unter Feder-spannung (29) mit einer ra» dialen Endfläche (2o) gegen eine ortsfeste Mantelfläche eines Gehäuseringes (22) gepreßt sind.

   Gaturbine nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ eichnet, daß die Leitscaaufeln (16) mit einer sich radial nach außen erstreckenden Schwenkachse (18) einseibig in einem Drehlager (Lagerbüchsen 24-, 25) gelagert sind, und durch eine auf der Schwenkachse (18) angeordnete Schraubenfeder (29)} die sich an einem festen Anschlag (25» 3o) am Drehlager (24_r 25) abstützt, radial nach innen gegen eine innere Mantelfläche eines Gehäuseringes (22) preßbar sind. ' · '..

   Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, da du rc h. ^: g e k e! η η ζ e i c h ne t, daß die Leitschaufeln (16) zwischen radial inneren und radial äußeren, im axialer Eichtung der Turbine gekrümmten ?Iant el flächen von [ Gehäuseringen (22, 2p) geführt sind. ".

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   Gasturbine nach Anspruch 2 oder J, da du rc h g e kennzeichnet, daß die Schraubenfeder (29) im Drehlager zwischen zwei in eine Nabenbohrung eingesetzten Lagerbüchsen (24-, 25) angeordnet und zwisclien der radial

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   äußeren Lagerbüchse (25)» die in der Nabenbohrung arretiert ist, und einem Lagerbund (17) der Schwenkachse (18), der ' in der radial inneren Lagerbuchse (24·) geführt ist, eingespannt ist.

   5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennz eichnet, daß die Leitschaufeln (16) durch. Drehung eines einzigen, in Strömungsrichtung des Gades hinter den Schwenkachsen (18) angeordneten Zahnringes (53) um mehr als 9o° in Stellungen mit entgegengesetzter tTmfangsrichtung der austretenden Gasströmung verschwenkbar sind.

   6. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5j dadurcfh gekennz eichnet, daß der Druck der Schraubenfeder (29) durch einen während des Betriebs der Turbine erzeugten Gas- oder Luftdruck, der auf die radial äußeren Endflächen der Schwenkachsen der Leitschaufeln wirkt, verstärkt ist. ■;■.·.:· ..·■■'

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