DE2124504C2 - Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage der im > · Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Eine bekannte Gasturbinenanlage dieser Art (DE-PS 25 984) weist einen zweistufigen Verdichter auf. Der Verdichter hat zwei Auslässe, von welchem der eine der ersten Verdichterstufe nachgeordnet ist und in einen ··· Kanal mündet, während der andere Auslaß am Ausgang der zweiten Verdichterstufe angeordnet ist. Der Turbineneinlaß ist in zwei Sektoren unterteilt. Der erste Sektor wird von dem Auslaß der zweiten Verdichterstufe unter Zwischenschaltung einer Verbrennungskammer gespeist. Der zweite Sektor wird unmittelbar von der ersten Verdichterstufe versorgt, so daß die hinter der ersten Stufe des Verdichters austretende Kaltluft unmittelbar in den /weiten EinlaU-Sektor der Turbine einströmt. '■'

Diese bekannte ι i.i.stiirbiflenfinläge hai den Nachfeil, daß die dem /weiten KmIaB Sektor der Turbine /uströmendr KaItIuIt, die eine wenig höhere Tempera tür als die Kalthifiquelle. /.. B. die Atmosphäre, aufweist, einen wesentlich geringeren Druck als die an d".^r ' /weiten Verdichterstufe austretende und in der Brennkammer erwärmt»- I.lift aufweist Dem/.ufolp·· weisen dit Strome von Kalt und Warmluft, .· il·.

beiden Einlaß-Sektoren der Turbine beaufschlagen, sehr unterschiedliche Drücke auf. Wenn auch die in dei zweiten Verdichterstufe austretende Luft in der Brennkammer einen schwachen Druckabfall erleidet in der Größenordnung von einigen Prozenten, so weist doch die in den zweiten Einlaß-Sektor der Turbine eingespeiste Kaltluft einen Druck auf, der um mehrere 10% niedriger sein kann, als derjenige des Heißluftstromes, der in den ersten Einlaß-Sektor der Turbine einströmt. Da alle Rotorflügel der Turbine aufeinander folgend und mit großer Geschwindigkeit die beiden. Einlaß-Sektoren durchlaufen, sind sie einer sehr großen Zahl von sehr beträchtlichen Änderungen der Betriebsbedingungen pro Zeiteinheit unterworfen, was nicht a''ein zu erheblichen mechanischen Beanspruchungen der Rotorflügel führt, sondern vor allem eine wesentliche Störung der Gleichförmigkeit der Strömung der Gasturbine in Umfangsrichtung des Rotors zu: Folge hat. Darüber hinaus rufen die von der ersten Stufe des Verdichters in den zweiten Einlaß-Sektor der Turbine einströmende Kaltluft und die in den ersten Einlaß-Sektor der Turbine einströmende Heißluft einen Temperatursprung hervor, der so wesentlich ist, daß gefährliche thermische Spannungen in den Turbinenflügein oder -schaufeln auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art die Druck- und Temperaturzustände der Ströme von Heißjnd Kaltluft, die in beiden Einlaß-Sektoren der Turbine einströmen, einander anzunähern, so daß die vorstehend aufgeführten Nachteile der bekannten Gasturbinenanlage vermieden werden.

Diese Aufgabe ist bei einer Gasturbinenanlage der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung durch die Merkmale irn Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 Udos·.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Gasturbinenanlage vereinheitlicht die Zufuhrbedingungen und -zustände der Heiß- und Kaltluft zu drr Turbine, so daß die Strömlingsbedingungen der Gase durch die beiden Einlaß-Sektoren der Turbine vergleicftmäßigt werden. Die beiden Luftströme, von denen der eine unmittelbar und der andere nach Durchlauf der Brennkammer der Turbine zugeführt werden, werden nicht an verschiedenen Druckstufen des Verdichters, sondern an der gleichen, höchsten Druckstufe abgenommen, so daß die Drücke der beiden Luftströme aneinander weitgehend angenähert sind. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen vergrößern insgesamr vorteilhaft die Haltbarkeit und die Lebensdauer des Rotors, wobei sie zugleich eine genügende Rückkühlung des Rotors sicherstellen.

Aus der CH-PS 2 98 259 ist eine Turbinenanlage bekannt, deren Verdichter- und Turbinenrotoren als Radialrädcr in Rücken-an-Rücken-Anordnung ausgebildet sind. Zwischen dem Gehäuse des Verdichters und der Turbine ist eine Trennwand angeordnet, die öffnungen für den Durchtritt von Luft zur Kühlung des Turbinenrades aufweist. Auch bei einer solchen Gasturbinenanlage läßt sich die Erfindung vorteilhaft anwenden, wobei gemäß Anspruch 3 die Trennwand als Radscheibe mil in radialer Richtung sich fortsetzender Blende ausgebildet ist, die in einem dem zweiten Einlaß-Sektnr der Turbine entsprechenden Bereich unterbrochen ist, so daß hier eine direkte Strömlings verbindung /wischen den Verdichter- und Turbinen schaufeln besteh:.

Die Erfindimg ist anhand von in der Zeichnung sehcmatisrh dargestellten Ausführungsbcispiclen im

folgenden beschrieben. Es zeigt

Fig. I einen Axialschnitt einer Gasturbinenanlage vom Radialtyp mit einem freien Wellenzug und einem Nuizkraft liefernden Wellenzug,

Fig. 2 eine Vorderansicht der Turbine in Fig. I, in vergrößertem Maßstab,

Fig. 3 eine Vorderansicht des Verdichters in Fig. 1. in vergrößertem Maßstab,

Fig.4 einen Axialschnilt einer Gasturbinenanlage gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem zweistufigen Verdichter,

Fig. 5 —7 jeweils einen Axialschnitt einer Gasturbinenanlage gemäß einem dritten, vierten und fünften Ausführungsbeispiel.

Die in Fig. 1—3 gezeigte Gasturbinenanlage enthält ein zentrifugales Verdichterrad 66 und ein zentripetales Turbinenrad 76, die beide auf derselben, in Lagern 96 gelagerten Welle 86 sitzen. Verdichterrad 66 und Turbinenrad 76 sind Rücken-an-Rücken miteinander verbunden. Das Verdichterrad 66 saugt bei 126 Frischluft von außen an, verdichtet sie und drückt sie über eine Leitvorrichtung 266 in ein Spiralgehäuse 136, das mit einer mit einem Brenner 166 versehenen Brennkammer 156 verbunden ist. Die Leitvorrichtung 266 und das Spiralgehäuse 136 bilden das, was im folgenden mit »Diffusor« des Verdichters 66 bezeichnet ist. Die in der Brennkammer erzeugten Heißgase werden über ein Spiralgehäuse 186 des Turbineneingangs einer Verteilvorrichtung 196 der Turbine 76 geführt, die die Schaufeln 206 des Turbinenrades 76 speist. Diese Gase werden in diesem Turbinenrad entspannt und über eine Auslaßleitung 216 in eine Niederdruckturbine 236 entlassen, die auf einer Achse 246 in 24'6gelagert ist.

Der Verdichter 66 stößt nur über einen durch Trennwände 27 und 28 begrenzten Teil seines Umfangs (Fig. 3) in den Diffusor 266, 136 aus. Desgleichen empfängt die Verteilvorrichtung 196 der Turbine 76 (Fig. 2) die Heißgase aus dem Spiralgehäuse 186 nur über einen durch dieselben Trennwände 27 und 28 begrenzten Teil des Umfangs der Turbine 76. In dem verbleibenden, zwischen diesen Trennwänden liegenden Sektor ist der Auslaß des Verdichterrades über eine Leitung 29 in Form eines Torusabschnittes unmittelbar mit dem Einlaß des Turbinenrades verbunden. Die Schaufeln des Turbinenrades werden somit über die Teile 186, 196, 29 gespeist, wobei ein erster Einlaß-Sektor 19' (gebildet durch die Verteilvorrichtung 196 und begrenzt durch die Trennwände 27, 28) mit Heißgasen gespeist wird und ein zweiter Einlaß-Sektor 29' (gebildet durch die Leitung 29 zwischen den Trennwänden 27, 28) mit Luft gespeist wird. Außerdem ist ein ringförmiger Eingangsabschnitt 30, der die vom Turbinenrad kommenden Heißgase aufnehmenden Auslaßleitung 216 durch zwei Trennwände 31, 32 unterbrochen und an eine Hilfsleitung 33 angeschlossen, die bei M ins Freie mündet. Die Trennwände 31, 32 begrenzen in diesem Eingangsabschnitt 30 einen Sektor 35, der in der schematisch durch den Pfeil F angedeuteten Drehrichtung der Turbine 76 vor die in Form eines Torusabschnittes ausgebildete Leitung 29 verschoben angeordnet ist.

In F i g. I und 2 ist der Weg der vom Verdichter 66 iiusgesloßcnen kalten Strömung mit einer Punktierung gekennzeichnet. Der vom Verdichter 66 ausgestoßene ι Kaltluftstrom wird in zwei leite geteilt, von denen einer normalerweise die Brennkammer 15/? speist, wobei die dort erzeugten 1 IciÜ," .se die beiderseits der Trennwände 27 und 28 liegende Verteilvorrichtung 196 der Turbine 76 speisen, während der andere Teil der Erhitzung durch Verbrennung nicht unterworfen wird und weder den Diffusor 266, 136, noch die Verteilvorrichtung 29 durchquert, sondern direkt in die Verbindiingsleitung 29 sirömt, um das Turbinenrad zu erreichen und zu durchqueren und über die Auslaßleitung 33 auszutreten, ohne mit dem von der Brennkammer kommenden heißen Luftstrom vermischt zu werden. Man sieht also, daß die Turbine 76 in dem in F i g. 2 rechts befindlichen Teil (in F i g. 1 schematisch im unteren Teil dargestellt) von Luft mit geringer Temperatur durchströmt wird, während sie in ihren anderen Teilen von dem von der Brennkammer 156 kommenden heißen Luftstrom durchströmt wird. Aufgrund der großen Drehgeschwindigkeit des Turbinenrades nimmt dieses von allen seinen Punkten eine mittlere Temperatur an, die zwischen der Temperatur des beaufschlagenden heißen Luftstromes und der Tempeiatur des beaufschlagenden kalten Luftstromas liegt. In F i g. 3 deuten Pfeile f\ se.' --/nansen den Weg der vom Verdichter 66 in die Leitvorrichtung 266 und von dort in das in die Brennkammer 156 mündenden Spiralgehäuses 136 ausgestoßenen Luft an und die Pfeile h stellen schematisch den Weg der Luft dar, die in die direkte Verbindungsleitung 29 und von dieser in den davor liegenden Sektor der Turbine 76 ausgestoßen wird. Die Pfeile h sind auch in F i g. 2 eingezeichnet.

In Fig.2 ist mit gestrichelten Linien bei 36 schematisch eine ideale Trennungsfiäche zwischen dem von verhältnismäßig kalter Luft (durch Punktierung gekennzeichnet) und dem durch die heißen Gase eingenommenen Volumen dargestellt. Man sieht, daß diese ideale Tren:iungsfläche in einem Kanal 37 zwischen zwei einander benachbarten Schaufeln des Turbinenrades vom Eingang zum Ausgang dieses Kanals 37 während der Rotation der Turbine 76 bei der dieses sich von der Trennwand 27 entfernt, vorrückt. Die Trennwand 31 sollte also gegenüber dieser Trennwand 27 in einem Ausmaß vorgerückt sein, das ausreicht, damit die Trennungsfiäche 36 den Ausgang des Kanals 37 erreicht, sobald dieser sich gegenüber dem Sektor 35 befindet. Desgleichen sollte die Trennwand 32 gegenüber der Trennwand 28 derart vorgerückt sein, daß die hinter der verhältnismäßig kalten Luft in den Kanal 37 eintretenden Heißgase, nachdem sie diesen Kanal 37 gegenüber der Trennwand 28 durchströmt haben, den Ausgang dieses Kanals 37 in dem Augenblick erreichen, wenn dieser die Trennwand 32 passiert. Man verhindert somit den Abbau des thermodynamischen Kreislaufes, was zu einer Vermischung der heißen und kalten Strömungen führen würde. Die Lage der Trennwände 31 und 32 in Bezug auf d^;: Trennwände 27 und 28 kann nach den Gesetzen der Thermodynamik und Mechanik von Strömungsmitteln bestimmt weiJen. Der Fachmann verfügt über die Mittel, um die zu diesem Zweck notwendigen Berechnungen durchzuführen.

Es wird darauf hingewiesen, daß die direkte Verbindungsleitung 29 zwischen dem Ausgang des Verdichters 66 und dem Eingang der Turbine 76 weder ein Diffusor noch ein Spiralgehäuse, noch eine Verteilvorrichtung aufweist. Wie schon oben erwähnt, können durch diese Anordnung die Verluste vermieden werden, die sich von aufeinanderfolgenden Umwandlungen kinetischer Energie in Druck und umgekehrt ergeben würden. Diese Anordnung wird dadurch ermöelichl. <laD bei rinrr (iastiirbineruinlnec des

dargestellten Radialtyps mit fieiern Wellen/tig die Ausgangsverhältnisse des Verdichlerrades durch die Konstruktion den Eingangsverhältnissen des Turbinetiradcs angepaßt sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach I' ι g. 4. in der feile, die funktionsmäOig mit denen der F-" ι g. 1 übereinstim men. mit denselben Bczugsz.eichcn unter Hinzufügen des Indexes c bezeichnet sind, hat der Verdichtet strömungsaufwärts des zentrifugalen Rades 6c eine Axialstufe, deren Rotor 38 auf dem Wcllcn/ug 8t angeordnet ist. Die von außen bei 12c angesaugte Luft wird in der den Rotor 38 und eine Leitvorrichtung 39 aufwehenden Axialstufe und dann in dem Verdichterrad 6c verdichtet, welches die Luft über seinen Umfang übe die Teile 26c und 29c mit demjenigen Gesamtdruck, der für die Speisung der Brennkammer 15cgceignel ist. und dann über das Turbinenrad 7c und die Niederdrucktur bine 23c ausstößt. Dieser Gesamtdruck richtet sich nach den Betriebseigenschaften der Gasturbinenanlage. Wenn also die Turbine und die Brennkammer mit denen der in Fig. I libcrcinstimmen. wird der die Axialstufe 38, 39 und das zentrifugale Rad 6c aufweisende Verdichter dasselbe Druckverhältnis liefern, wie das einzige zentrifugale radiale Rad 6/>. das in I ig 1 dargestellt ist. )edoch wird der statische Druck am Umfang des Rades 6cgrößer sein, was die Strömung der Kuhlluft in der Turbine 7c verbessern wird, wie oben erläutert.

Bei der Ausführungsform nach F- i g. 5. in der die Teile, die funktionsmäßig mit denen der F i g. 4 übereinstim men. mit denselben Bcz.ugszcichen unter Hinzuftigung des Indexes c bezeichnet sind, erstrecken sich die Schaufeln 41 des zentrifugalen Rades 6c und die Schaufeln 42 des zcntripcdalcn Rades 7c an der mittleren Trennwand 43. beiderseits welcher sie befestigt sind. Der zwischen den Umfangsabschnnten dieser Beschaufelungen befindliche Ringraum 44 w ird in dem /wischen dem Diffusor 26c und der Verteilvorrich lung 19c befindlichen Sektor durch eine feste Blende 45 •.-ingenommen. die sich radial nach außen zwischen diesen Diffusor 26c und dieser Verteilvorrichtung 19c verlängert Auf dem übrigen Teil des Umfangs. d h.. entlang des vor den Leitungen 29c in F ι g. 4 eingenommenen Sektors, bleibt der Ringraum 44 leer :',d wird von der Kuhlluft durchquert, die unmittelbar ■•on den Schaufeln 41 zu den Schaufeln 42 übergeht V) ■ direkte Yerbindungsleitung zwischen diesen Schaufeln wird durch diesen Sektor des Ringraumes 44 gebildet :nd ist nach außen durch eine Wand 46 in Form eine^ Abschnittes eines Zylinders begrenzt, in dem die Sch,infe^!η 41, a? mit geringem Spiel sich drehen

In Abwandlung kann die Leitung nach außen durch ■ •■η,· t'i.-s'r.-.hclt angedeutete Wandung 29c begrenz; se-, die sich radial über die Schaufeln 41. 42 hinaus ,,τ«.·reckt Die Kühlluft passiert dann zum Teil der R'^gra'irr 44 und zum anderen Teil den Abschni't 44 -ie" l.e-v.iig. der radial außerhalb dieses Ringraumes

Mi·¹^ zeigt, wie die F.rfindung in eine- Gasturbinen .!-!'•!ge -ίγτ' Axiaityp verwirklicht werden karn. in diese- ! i· s'nd die Tci^:e. die mit denen der F ■ g ' — 5 :'-jp.k'-ii^sg!e;ch sind, mn denselben Bezbgszeichen unter H'r/ijfMgeo des indexes /' bezeichne:. Mar, sieht das ,iviiile V crdichterrad des Verdichters 6.'" das im I .'ntcschjü- oder Uberschallgebiet arbeiten kann, be· '.Λ I .^!■■ΛΓΓ,

J9/

'«"•jr'eilv o'-ichtune der diesen Vc-rdicfver hf antreibender T'j-b¹-·: 7f. die d:e HeOease aus de- Brennkammer 15/erhalt und einen Sektor ties axialen I urbinenr.ides speist Die von dort austretenden Heißgase werden durch eine Leitung 21/Vu der Verteilvorrichtung 22/der Niitzlcistungsturbirie 2if geführt, und /war zum Rad dieser turbine 2 3/". das ebenfalls ein axiales Turbinenrad ist Die diese Nutzleistungslurbinc 23/ verlassenden (jase treten durch die Leitung 25/"aus. Nicht dargestellte I'rennwände. entsprechend den Trennwänden 27 und 28. in F ι g. 2 und 3. begrenzen eine direkte Verbmdungs leitung 23/" /wischen dem Ausgang des Verdichters 6/' und dem Fingang der Turbine 7 f. Andere nicht dargestellte I rennwände, entsprechend den Trennwänden 31 und 32 der F ig 2. begrenzen einen l.tiftauslaßka naI 3 3/' Wie m F" ι g. I -5 wird die in einen außerhalb der Leitung 29/gelegenen Auslaßsektor des Verdichters ft/ atisgestoßene Luft zu der Brennkammer 15/geleitet, wahrend die in den gegenüber dem F'ingang der Leitung 29/ hegenden Sektor ausgestoßene Luft unmittelbar

7/"geleitet wird. Die die Auslaßleitung 2 !/'begrenzenden I'rennwände sind gegenüber den die Leitung 29/ begrenzten Trennwänden in Drehrichtung der Turbine 7/iiach vorn geruckt. Die die Leitung 29/durchslromen de Luft wird vom Verdichter ftf unmittelbar in den Linlaß der Turbine 7! gebracht, ohne durch eine Leitvorrichtung oder eine Verteilvorrichtung zu stm men. Die Auslegung des Verdichters 6/ΊιικΙ der Turbine 7/" u- .! ihre Abmessungsparametcr. insbesondere der manometrische Koeffizient und der Reaktionsgrad des Verdichters ftf und der Reaktionsgrad der Turbine 7f. werden derart gewählt, daß die Strömungsverhällnisse am Ausgang der bewegten Schaufeln des Verdichters 6/ den .Stromungsverhältnissen am F.ingang der bewegten Schaufeln der Turbine 7/"angepaßt sind. Der Fachmann kann /\\ diesem /weck die charakteristischen F!igcn schäften des Verdichters 6ΛιηιΙ der Turbine 7/"festlegen I ι g. 7 zeigt, wie die Erfindung in dem Fall verwirklicht werden kann, wenn die Verdichtung durch zwei in Reihe liegende Verdichter bewirkt wird. In diesem I all wird die Kühlluft der Hochtcmperatur-Turbine 7^7 nicht zur Umgebungsatmosphärc ausgelassen, sondern wieder der Luft zugeführt, die von dem Niederdruckverdichter 47 ausgestoßen wird, welcher den durch diese Turbine 7g angetriebenen Hochdruckverdichter 61: speist. In F i g. 7 sind die Teile, die mit denen der Fig. I —b funktionsgleich sind, durch dieselben Bezugs/eichen unter Hinzufügen des Indexes q bezeichnet Der Hochdruckverdichter 6^ und die Hochdruckturbine 7g s'nd vom Radialiyp und sind wie der Verdichter ftb und die Turbine 7b nach Fi el angeordnet mit einer direkten Vcrbindungsle-"ing 29t' in Form eines Torusabschnittcs. Die Welle 24^.· der Turbine 23c treibt zusätzlich zu dem nicht dargestellten F.mpfangerteil einen Niederdruckverdichter 37 an. der bei 48 die Luft von außen ansaugt, sie verdichtet und über eine Leitvorrichtung 49 in ein Spiralgehäuse 50 stoßt, das über eine Leitung 51 mit dem Umgang \2gac-Hochdruckverdichter fig verbunden ist. Die Auslaßle; tune 33,t^T der Luft, ciie die Turbine 7g gekühlt hat. münde; nicht nach außen, wie bei den Ausfuhrungsarten der vorhergehenden Figuren, sondern ist wieder an die Leitung 51 angeschlossen. Diese Kühlluft vermischt sich also mit der von dem Ntederdruckverdichter 47 ausgestoßenen Luft, um zusammen den Hochdruckvcr dichter 6t^T zu speisen Die Mischung kann auf bekannter Art strömyripsniifwarts drs Horhdnirkverdichters 6t^T durch eine gestrichelt angedeutete Vorrichtung 52 gekühlt werden.

Hierzu 5 BhIt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gasturbinenanlage mit einem ggf- mehrere Stufen aufweisenden Turboverdichter, der mindestens einen ersten und einen zweiten Verdichter-Auslaß aufweist, und mit einer mit dem Turboverdichter über eine Welle fest verbundenen Turbine. deren Einlaß in mindestens einen ersten und einen zweiten Einlaß-Sektor unterteilt ist, wobei der erste Verdichter-Auslaß mit einer Brennkammer verbunden ist, deren Verbrennungsgas dem ersten EinlnU Sektor der Turbine zuführbar ist, und wobei durch eine Umgehungsleitung zwischen dem zweiten Verdichter-Auslaß und dem zweiten Einlaß-Sektor der Turbine eine Strömungsverbindung für verdichtete Luft besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (266; 26c; 26e; 26/; 26g) und der zweite Verdichter-Auslaß (29; 29c; 29e; 29/; 29g) jeweils einen Sektor des Austrittsquerschnitts der HöcKstdruckstufe dts Verdichters (6b; 6c, 6e; 6f; 6g) umgreifen.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Umgehungsleitung (29; 29c; 29e: 29/"; 29g) die Form eines Umfangsabschnitis eines ringförmigen Kanals aufweist.

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2. deren Verdichter- und Turbinenrotoren als Radialrader in Rücken-an-Rücken-Anordnung mit einer gemeinsamen meridionalen Radscheibe ausgebildet sind, wobei die Schaufeln der Radialräder in radialer Richtung über die Radscheibe hinausragen und die Trennung der Gasströme in di_sem Bereich durch eine gehäusefeste, die Koiuur der Radscheibe in radialer Richtung fortsetzende Blende erfolgt, dadurch gekennzeichnet, d3ß die Blende (45) in einem dem zweiten Einlaß-Sektor der Turbine (7c) entsprechenden Bereich unterbrochen ist, so daß hier eine direkte Strömungsverbindiing zwischen den Verdichter- (41) und Turbinenschaufeln (42) besteht.