DE2352285B1 - Axial-Gasturbine - Google Patents

Description

Es gibt Gasturbinen-Aggregate, insbesondere für Hilfsantriebe, bei denen eine besonders kurze Anlaufzeit erwünscht ist, die möglichst unter einer Sekunde liegen soll. Die Gasturbine eines solchen Aggregates muß also eine hohe Anlaufbeschleunigung erzeugen.

Übliche Gasturbinen, die bei Nenndrehzahl mit gutem Wirkungsgrad arbeiten, sind hierfür nicht gut geeignet, da ihr Anlaufdrehmoment zu gering ist, um hohe Beschleunigung zu erreichen. Würde man eine übliche Gasturbine für die gewünschte hohe Beschleunigung mit großem Anlaufdrehmoment auslegen, dann wäre sie für den Betrieb bei Nenndrehzahl zu stark. Sie hätte einen Leistungsüberschuß, der dazu führen würde, daß die Gasturbine sich und den Verbraucher über die Nenndrehzahl hinaus weiter beschleunigt, bis sich bei einer wesentlich höheren Drehzahl ein stabiler Arbeitspunkt einstellt.

Um sehr kurze Anlaufzeiten zu erreichen, muß die Gasturbine ein Anlaufdrehmoment erzeugen, das gegenüber dem Nutzdrehmoment bei Nennlast besonders groß ist. Man könnte hierfür eine überdimensionierte Gasturbine mit einem Drehzahlregler verwenden, jedoch erhält man dann einen großen regelungstechnischen Aufwand. Es ist auch möglich, die Gasturbine nicht nur mit dem Nutzleistungs-Verbraucher zu belasten, sondern zusätzlich auch mit einem drehzahlabhängigen Verlustleistungs-Verbraucher, zum Beispiel mit einem Generator, dessen Leistung in Widerständen vernichtet wird. Auch das ist sehr aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Axial-Gasturbine, mit der sehr kurze Anlaufzeiten und ein stabiler Arbeitspunkt bei Nenndrehzahl erreicht werden, ohne daß hierzu ein Drehzahlregler erforderlich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dem Laufschaufelgitter ein Leitschaufelgitter nachzuschalten, dessen Eintrittsrichtung mit der relativen Austrittsrichtung des Laufschaufelgitters übereinstimmt und eine Umfangskomponente besitzt, die der Drehrichtung des Lauf schaufelgitters entgegengesetzt ist.

Eine weitere Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Eintrittsrichtung des Laufschaufelgitters mit der Anströmrichtung des Laufschaufelgitters bei einer Drehzahl übereinstimmt, die unter der halben Nenndrehzahl liegt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß bei Gasturbinenaggregaten mit besonders kurzer Anlaufzeit der Wirkungsgrad bei Nenndrehzahl von untergeordneter Bedeutung ist, so daß die drehzahlabhängigen Strömungsverluste zur Drehzahlregelung verwenden werden können. Die Gasturbine muß also so konstruiert werden, daß ihre Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie bei gleichbleibendem Düsen-Vordruck möglichst steil abfällt. Das ist möglich, wenn man bereit ist, bei Nenndrehzahl große Strömungsverluste zuzulassen. Die zu Beginn des Anlaufens auftretenden Strömungsverluste sollen dagegen möglichst klein sein, damit ein hohes Anlaufdrehmoment erreicht wird. Weiterhin ist eine starke Krümmung der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie erwünscht, weil dann der Kurvenverlauf im Bereich der Nenndrehzahl besonders steil ist und somit der Arbeitspunkt sehr stabil wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt in einem Diagramm den drehzahlabhängigen Verlauf der Drehmomente von Gasturbine und Nutzleistungs-Verbraucher. Darin bedeuten:

η 1 = Nenndrehzahl

Ml = Drehmoment des Nutzleistungs-Verbrauchers
MI = Drehmoment einer üblichen Gasturbine, die für den Leistungsbedarf bei Nenndrehzahl ausgelegt ist,

M3 = Drehmoment einer üblichen Gasturbine, die für das gewünschte hohe Anlaufdrehmoment ausgelegt ist,

MA = Drehmoment einer Gasturbine nach der Erfindung.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Beschaufelung einer Axial-Gasturbine nach der Erfindung. Der aus der Düse 1 der Düsenplatte 2 austretende Gasstrahl wird von dem Laufschaufelgitter 4 des Laufrades umgelenkt und tritt durch das nachgeschaltete Leitschaufelgitter 5 des Nachleitapparates 6 in den Ringkanal 7 und von dort aus in den Abgaskanal 8. Die Schaufelkanäle des Leitschaufelgitters 5 verlaufen geradlinig in einer Richtung, die mit der relativen Austrittsrichtung des Laufschaufelgitters 4 übereinstimmt und eine Umfangskomponente besitzt, die der Drehrichtung des Laufschaufelgitters 4 entgegengesetzt ist.

Am Beginn des Anlaufens der Gasturbine tritt die Gasströmung stoßfrei in das Leitschaufelgitter 5 ein,

so daß dort nur sehr kleine Strömungsverluste auftreten. Mit steigender Drehzahl dreht sich die Anströmrichtung am Leitschaufelgitter 5 und weicht immer mehr von der Eintrittsrichtung des Leitschaufelgitters 5 ab. Es bilden sich Stoßverluste und Umlenkungsverluste, die mit wachsender Drehzahl /.unehmen. Schließlich reißt die Strömung in dem Leitschaul'elgitter ab, so daß sich dort der effektive Strömungsquerschnitt verengt.

Die Querschnittsverengung und die Strömungsverluste bewirken, daß sich am Leitschaufelgitter 5 ein Druckgefälle aufbaut, das dem Laufschaufelgitter 4 verloren geht. Außerdem sinkt das Druckgefälle an der Düse 1 und somit der Massendurchsatz der Gasturbine. Mit wachsender Drehzahl steigen also die Strömungsverluste und sinkt die insgesamt für Beschleunigung, Nutzdrehmoment und Verluste umgesetzte Leistung. Dadurch erhält die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie der Turbine den gewünschten Verlauf, gemäß ,V/4 in Fig. i.

Die Wirkung des Leitschaufelgitters 5 wird ergänzt durch eine besondere Auslegung der Eintrittsverhältnisse am Laufschaufelgitter 4. Dessen Schaufeikanäle sind so geformt, daß der stoßfreie Eintritt der Strömung bei einer Drehzahl erfolgt, die unter der halben Nenndrehzahl liegt. Oberhalb dieser Drehzahl steigen die Eintrittsverluste des Laufschaufelüitters 4 und der Reaktionsgrad der Gasturbine. Das dadurch wachsende Druckgefälle am Laufschaufelgitter 4 bewirkt zunehmende Spaltströmung und somit zunehmende Ventilationsverluste, die dadurch begünstigt werden, daß die Axialspalte zwischen Düsenplatte 2, Laufschaufelgitter 4 und Nachleitapparat 6 im nichtbeaufschiagten Bereich wesentlich breiter sind als im beaufschlagten Bereich. Die Laufschaufelgitterverluste im beaufschlagten Bereich und die Ventilationsverluste im

ίο nichtbeaufschlagten Bereich bewirken ebenfalls einen steilen Abfall der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie.

Die Spaltströmung tritt im nichtbeaufschlagten Bereich aus dem Laufschaufeigitter 4 durch einen umlaufenden Radialspalt Il in den Ringkanal 7 des Nachleitapparates 6 und vereinigt sich dort mit der Hauptströmung, die aus dem Leitschaufelgitter 5 austritt. Der Ringkanal 7 ist neben der Eintrittsmündung des Abgaskanals 8 in Umfangrichtung gesperrt. Dadurch wird verhindert, daß die schräg eintretende Hauptströmung im Ringkanal 7 eine Kreisströmung erzeugt, deren Strömungsverluste von der Turbinendrehzahl praktisch unabhängig sind. Eine Kreisströmung im Ringkanal 7 ist nicht erwünscht, denn nach der Erfindung sollen in der Gasturbine nur die drehzahlabhängigen Verluste groß sein, aber nicht die drehzahlunabhängigen Verluste, da die Verluste zur Drehzahlregelung dienen.

Hierzu ί Blatt Zeichnungen

COPY

BAD ORIGINAL

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Axial-Gasturbine, gekennzeichnet durch ein dem Laufschaufelgitter (4) nachgeschaltetes Leitschaufelgitter (5), dessen Eintrittsrichtung mit der relativen Austrittsrichtung des Laufschaufelgitters (4) übereinstimmt und eine Umfangskomponente besitzt, die der Drehrichtung des Laufschaufelgitters (4) entgegengesetzt ist.

2. Axial-Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsrichtung des Laufschaufelgitters (4) mit der Anströmrichtung des Laufschaufelgitters

(4) bei einer Drehzahl übereinstimmt, die unter der halben Nenndrehzahl («1) liegt.

3. Axial-Gasturbine nach Anspruch 2 mit einem teilbeaufschlagten Laufschaufelgitter und einer Düsenplatte, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Spalt (9) zwischen dem Laufschaufelgitter (4) und der Düsenplatte (2) im nichtbeaufschlagten Bereich mindestens dreimal so breit ist wie im beaufschlagten Bereich.

4. Axial-Gasturbine nach den Ansprüchen 1 und 3, gekennzeichnet durch einen Nachleitapparat (6) mit einem Ringkanal (7), der im beaufschlagten Bereich über das nachgeschaltete Leitschaufelgitter

(5) und im nichtbeaufschlagten Bereich über einen umlaufenden Radialspalt an das Laufschaufelgitter (4) angeschlossen ist, wobei hinter dem Leitschaufelgitter (5) die Eintrittsmündung eines Abgaskanals (8) liegt.

5. Axial-Gasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal (7) in Umfangsrichtung an einer Stelle (10) gesperrt ist, die neben, der Mündung des Abgaskanals (8) in der zur Drehrichtung entgegengesetzten Richtung liegt.