DE2039064A1 - Gas turbine - Google Patents
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Description
Patentanwälte
Dipl.-Ing. V. Beyer
Dipl.-Wirtsch.-Ing. B. JochenPatent attorneys
Dipl.-Ing. V. Beyer
Dipl.-Wirtsch.-Ing. B. Jochen
Prankfurt am Main Preiherr-vom-Stein-Str·Prankfurt am Main Preiherr-vom-Stein-Str
In Sachen:In matters:
Beunes Marrey^
Societe Anonyme
Saint-Etienn (Loire) PrankreichBeunes Marrey ^
Societe Anonyme
Saint-Etienn (Loire) France
GasturbineGas turbine
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.The invention relates to a gas turbine with a high-pressure turbine blade ring on a first line, a low-pressure turbine blade ring on a second shaft and a guide vane ring arranged between these two turbine vane rings with through a common Zahring over Ritzelum radial Swivel axes pivotable guide vanes.
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, ·While turbines with fixed vanes work satisfactorily in applications where the operating conditions and loads are practically constant, this type of turbine has disadvantages when they are to be used to drive trucks or other vehicles. In order to maintain a good level of efficiency even with partial load operation, also to shorten the start-up time of the turbine and, finally, to be able to brake with »the turbine, it is advantageous to ·
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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.if the angle of attack of the guide vanes by rotating around with With respect to the main axis of the turbine, radial pivot axes can be changed. The adjustment of the guide vanes can adttels of a common toothed ring are made, the combs with pinions on the pivot axes of the guide vanes. The rotary drive of the toothed ring can in turn - for example with Hi3 fe an actuating cylinder acting tangentially on this take place whose piston is acted upon on one side by a spring and on the other side by pressure medium, whose pressure is regulated and controlled.
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.-"- ';'■ ''.-"There was a problem with. ^ Turbines of the type mentioned so far the guidance and vibration-free mounting of the pivotable Guide vanes. The technical task is to create a storage to find the guide vanes, which these under all operating conditions, i.e. also regardless of thermal expansion, leads and holds on both sides, without a great effort must be made. The above task is achieved according to the invention by using the guide vanes in ■ every position under spring tension with a radial end face are pressed against a stationary 'skin surface. Tucked execution has the advantage that with rubbed-in smocks a permanent system -der.leiteclwöjufeln 'to - an OTlmöJgsfiäelfc * he is achieved, ■' · '. "■ whereby oscillations and vibrations are avoided », - the ', eich eonet on $ i · .Xtffbeaedftuer the FiHiiimiJitetXe the guide shovel can affect. '\ ■ · ■. YV .- "- ';' ■ '' .-"
.Die Erfindung "tfirä asclistii--· .^d anhand - eines' in-.der Zeichnung.The invention "tfirä asclistii-- ·. ^ D based on - a 'in-.the drawing
^*^«?.Spieles naher erllut#rt,;-13s.TJei: -r . ^ * ^ "?. game near 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'*. . tig. 1 shows a cut along section line XX in FIG. 2 '-. . a cut through a gas turbine. through the gas turbine according to Pig »1 corresponding to section line H-II j Fig. 3 and 4 enlarged excerpts of details in Pig, 2 \ 'Fig. 5 is a sectional view according to section line vereinfachta VV ■ in Fig. 3i Fig. Δ is a plan view of a "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.ment dos circumference of the guide vane ring of the turbine, whereby the Guide vanes as if they were standing during the start-up phase of the turbine; Pig. 7 a view corresponding to FIG. 6 with the guide vanes' in a position such as during operation of the turbine under load; 8 shows a plan view of the guide vanes similar to FIG. 6 and 7> where the position of the guide vanes during braking is shown by means of the turbine.
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.The turbine shown in the drawing consists of a ScntrifugalkoEipresso ^ 1 and a cooking pressure turbine blade ring 2 wedged on the same shaft 3 as this, and also of a low pressure turbine blade ring 4, which - via a reduction gear 6 drives an output shaft 5. 'At the front of the turbine, the shaft 3 drives 7 Kilfsaggregate via a gear (not shown in detail). Ambient air is sucked in through side suction openings 8, while the exhaust gases are released into the atmosphere through two outlet openings 9 which are directed towards the rear of the turbine.
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 Two rotary storage heat exchangers 1o are arranged in such a way that they first of all, from the centrifugal compressor 1 to combustion chambers. 12 conveyed air (arrows 11) and secondly by the hot exhaust gases on their way from the low-pressure turbine blade ring 4 to the outlet openings 9 (arrows 13). m
Zwischen den Hochdruckturbinenschaufelring 2 und dem Niederdruckturbinenschaufelring M- "befindet sich ein Leitschaufelring, auf welchen sich die vorliegende Erfindung konzentriert.Between the high pressure turbine blade ring 2 and the low pressure turbine blade ring M- ″ there is a guide vane ring on which the present invention focuses.
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-The guide vane ring initially consists of arms 14, wing-shaped in cross-section, which are located directly behind the high-pressure turbine vane ring 2 are arranged and carry an inner ring part 55 for the purpose of ensuring a uniform gas flow. Seen in flow direction behind the arms 14 is located then a guide vane ring with movable guide vanes 16. The combustion gases which the high-pressure turbine blade ring 2
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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·.let, so first flow through between the arms 14 ·, because between the guide vanes 16 and then act on the low-pressure turbine blade ring 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.The guide vanes 16 are advantageous evenly over the circumference and all identical. For example, there can be 13 guide vanes be provided, although this number is of course only an example. The pivot axes around which the Guide vanes 16 are rotated, extend with reference to FIG the main axis of the turbine exactly in radial sighting. AIg The pivot axis of each guide vane 16 is used in the present exemplary embodiment one on one side of the airfoil radially outwardly extending, stepped shaft 18 ,. a pinion 19 is keyed to its free endo. Near the shovel blade the shaft 18 has a reinforced bearing collar 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.The radially inner end surface or base surface 2o and the radially outer end surface 21 of each vane 16 are spherical Set up a profile to secure either the system or the slightest play with the neighboring stationary parts. these are an inner shell 22 and an outer shell 23. This ensures that the guide vanes 16 abut tightly in all their positions.
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.The bearing collar 17 is rotatably guided in a fixed Lger bush 24, and there is also a further fixed bearing bush 24 · provided with an intermediate distance, which is radially further outwards forms a second radial bearing for the shaft 18. The two bearing bushes 24 and 25 are each in a bore of a stationary one Hub 26 inserted.
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 A washer? S rests on the shoulder formed by the bearing collar 17 with the tapered outer end of the shaft 18. This is secured against displacement in the axial direction along the shaft 18 by a snap ring 3o, which
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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). 'is inserted near the outer end of the bore of the hub 26. The helical spring 29 ensures that the base surface 20 of the guide vane 16 is constantly in contact with the stationary, spherical surface of the housing ring 22. During the operation of the turbine, the pressure securing this system is further increased by the fact that the radially outer end of the shaft 18 is acted upon with compressed air (see arrow 31 in FIG. 4). This is achieved in that an annular space 32, which surrounds parts "· 4 and 16 of the guide vane ring, is in connection with the pressure side of the centrifugal compressor Λ (FIGS. Λ and 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.The contact between the base surface 2o and the surface of the · μ housing ring 22 causes the individual blades. ■ Remain better and safer in their respective set position and vibrations are avoided.
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.The pinions 19 are preferably bevel gears and all mesh with a common toothed ring 33 »of the guide vanes 16 surrounds. For the guidance of the toothed ring 33 are two ball or Roller bearings. 34 and 35 provided.
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. . The toothed ring 33 has an eye at one point on its circumference. 36 (Pig. 5)> on which by means of a hinge pin 37 a Engages end of a connecting rod 38 · This is with her the other end by a hinge pin 39 with a piston rod J | a power cylinder connected. The Kraitz cylinder consists of a piston 41 which is made in one piece with the piston rod 4o forms is, and a stationary cylinder 42 in which * the Piston 41 is guided. A compression spring 44 is clamped between the one end wall 43 of the cylinder 42 and the piston 41. On the other side of the piston 41, i.e. between this and the opposite end wall 45 of the cylinder 42 is located a cylinder space 46, which in a known manner with pressure medium of the hydraulic control circuit and control mechanism of the Trubine can be acted upon. .
Die ortsfestenArme 14 haben ein Querschnittsprofil 47, wie es K 3263/31.7.1970 i)v ■'_ 6 ^The stationary arms 14 have a cross-sectional profile 47, as it is K 3263 / 31.7.1970 i) v ■ '_ 6 ^
v' 109836/0824 J^; v '109836/0824 J ^ ;
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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.from Fig. 3 emerges. It can be seen that in the arms Cooling air channels 48 are created, which extend over their entire Extend length.
Die Funktionsweise der Turbine mit den verstellbaren Leitschaufeln ist wie folgt:How the turbine works with the adjustable guide vanes is as follows:
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.If in the cylinder space 46 of the power cylinder 41, 42 a hydraulic pressure builds up, or, if vice versa, with decreasing Pressure of the piston 41 is pushed back under the action of the compression spring 44, rotates.der toothed ring 33 in one way or another Direction (see the double arrow 49 in Fig. 5) This rotary movement is transmitted simultaneously to all pinions 19., so that all guide vanes 16 rotate by the same angle.
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.When the guide vanes 16 assume the position shown in FIG. 6, offer that of the high pressure iTrubine vane ring coming combustion gases (arrow 5o) the slightest. Resistance.. As a result, the expansion in the high pressure stage is increased. This position of the guide vanes corresponds to the conditions Fiujüen start-up of turbidity or also the conditions in idle.
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.If, on the other hand, the guide vane! *. 16 in the in- pig. 7 shown Position - the direction of rotation is indicated by the arrow 51 indicated - in this way the turbine is set to high performance, with the low-pressure turbine blade ring 4 with Nominal speed is running.
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-If finally by turning the guide vanes in reverse Direction (arrows 52) the position of the blades shown in FIG. 8 is selected, the gases flowing in from the stationary arms 14 in the direction of the arrow 5o, seen in the circumferential direction, are after Reverse'leakt backwards in the direction of the arrows 53. You have then the endeavor to reduce the low-pressure
Turbinen^chaufelring 4,der in Richtung des Pfeiles 54 dreht,zu bremsen. In diesem Fall wirkt die Turbine alß Hotorbremse.Turbine blade ring 4, which rotates in the direction of arrow 54, closes brake. In this case the turbine acts as a motor brake.
H 3263/31*7· 197p ...-,. - , ,PatentansprücheH 3263/31 * 7 · 197p ...- ,. -,, claims
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