DE2424895A1

DE2424895A1 - Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE2424895A1
Application number: DE19742424895
Authority: DE
Inventors: Sven-Olof Kronogard
Original assignee: TURBOKONSULT AB
Current assignee: TURBOKONSULT AB
Priority date: 1973-05-22
Filing date: 1974-05-22
Publication date: 1974-12-12
Also published as: US3943703A; JPS5020120A; FR2230860A1; IT1011477B; SE375583B; US4272954A; FR2230860B1; GB1473866A

Description

PATENTANWÄLTE «.-»·.

Dr. rcr. rat. DIETER LOUIS
Dip! -Phys. CLAUS PÖHLAl/
DipUng. FRANZ LOMRENTZ

8500 N C/ R N BERQ 14886 20/H

KESSLERPLATZ 1

TURBOKONSULT AB, 201 10 Malmö 1, Schweden

Gasturbinenanlage

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit mindestens einem einen Verdichter antreibenden Turbinenrotor, mindestens einer an den Verdichter angeschlossenen Brennkammer und mindestens einer Leistungsturbine.

Eine der besten Möglichkeiten, den Wirkungsgrad einer Gasturbinenanlage zu steigern, liegt darin, die Temperatur des Kreisprozesses zu erhöhen. Die Schwierigkeit besteht jedoch darin, daß hohe Temperaturen die Lebensdauer der einzelnen Komponenten verringern und zur Anwendung teuerer Werkstoffe zwingen. Es bestehen jedoch wiederum zwei Möglichkeiten, diesen Nachteil zu mindern, nämlich dadurch, daß eine Luftkühlung der Komponenten vorgesehen wird oder daß man keramische oder gesinterte, nicht- oder halbmetallische und hochhitzebeständige Werkstoffe einsetzt.

Die Teile der Anlage, die in besonderem Maße der hohen Temperatur ausgesetzt sind, sind naturgemäß die Brenn-

409850/0344

kammer und die erste Turbinenstufe sowie der Strömungskanal zwischen beiden. Deshalb sollten diese Komponenten aus warmfestem Werkstoff hergestellt werden. Da es schwierig ist, eine Luftkühlung der kleinen und vergleichsweise dünnen Laufschaufeln der ersten Turbinenstufe, d.h. derjenigen, die in der Pegel in einer Automobil-Gasturbine den Verdichter antreibt, zu verwirklichen, ist es weiterhin erwünscht, diese Turbinenstufe mit einer merklich niedrigeren Drehzahl als die nächstfolgenden, d.h. gewöhnlich der Leistungsturbine, zu betreiben. Hierdurch können die mechanischen Spannungen der ersten Turbinenstufe auf vertretbaren Werten gehalten werden, woraus eine längere Lebensdauer ohne Notwendigkeit der Anwendung teuerer Werkstoffe resultiert.

Die warmfesten Werkstoffe, die für den vorliegenden Zweck interssant sind und zum Einsatz kommen, werden nachfolgend der Kürze halber als "keramische Werkstoffe" bezeichnet, von denen sich Siliziumnitrid und Siliziumkarbid als die am geeignetsten erweisen. Bei der Anwendung keramischer Werkstoffe ist als wesentlich im Auge zu behalten, daß - insbesondere bei Anwendung in direktem Kontakt mit metallischen Werkstoffen - auf thermische Verschiebungen und Bewegungen zwischen Komponenten aus metallischem Werkstoff und solchen aus keramische*. Werkstoffen Rücksicht genommen werden muß.

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Gasturbinenanlage der eingangs erläuterten Art und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer, der Einlaß zur ersten

409850/0344

Turbinenstufe und mindestens deren Laufschaufeln aus Keramikwerkstoff bestehen und in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefaßt sind, wobei die Grenzzonen zwischen diesen Komponenten in Ebenen liegen, an deren einer Seite Gase aus der Brennkammer vorbeiströmen, daß die Komponenten an dem Gehäuse oder an anschließenden Komponenten mit federnd nachgiebigen Klemmeinrichtungen, die Luftdurchtritt8öffnungen aufweisen, festgelegt sind, so daß sie jeweils in mindestens einer Ebene thermisch bedingte Bewegungen ausfuhren können, und daß mindestens eine Leitung vorgesehen ist, um den Grenzzonen zwischen den einzelnen Komponenten, in denen die Klerameinrichtungen angeordnet sind, im Bypass vom Verdichter an der Brennkammer vorbeigefUhrte "Luft zuzuführen.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnungen sowie aus weiteren UnteraneprUohen.

In den Zeichnungen zeigt: Fig. 1 schematisch die Hauptkomponenten der Anlage;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Brennkammer und einen Teil der ersten Turbinenstufe;

Fig. 3 ein Detail des Schnittes längs der Linie III-III in Fig. 2;

Fig. k ein Detail eines Längsschnittes durch eine Klemmeinrichtung gemäß Fig. 3;

409850/0344

Fig. 5 ein Detail einer Klemmeinrichtung in perspektivischer Darstellung, gesehen in Richtung der Pfeile V-V in Fig. 2, und

Fig. 6 bis 8 verschiedene AusfUhrungsformen von Turbinenrotoren,

Die in Fig. i gezeigte Gasturbinenanlage ist in erster Linie für die Anwendung in einem Kraftfahrzeug bestimmt. Sie umfaßt einen Verdichter 10, der durch eine Turbine mit einem Rotor Ii angetrieben wird. Der Verdichter fördert Luft zu einer Brennkammer 12 mit einem Brenner 13. In Reihe hinter der Verdichterturbine Ii sind zwei Leistungsturbinen lh und 15 angeordnet, von denen letztere über ein einfaches Zahnradgetriebe 16 und ein veränderbares Getriebe 17 mit einem Planetengetriebe 18 gekoppelt ist. Auch der Turbinenrotor lh ist mit dem zuletzt erwähnten Getriebe gekoppelt, wobei seine Welle durch die Hohlwelle der Verdichterturbine 11 verläuft.

Über einen Reversiermechanismus 19a ist eine Abtriebswelle 19 an das Planetengetriebe angeschlossen.

Der Verdichter 10 und die Turbine 11 sind mit dem Planetengetriebe 18 über ein Getriebe 20 gekoppelt, dessen Untersetzungsverhältnis so gewählt ist, daß der Verdichter und die ihn antreibende Turbine mit beträchtlich geringerer Drehzahl umlaufen als die anschließenden beiden Leistungsturbinen-Rotoren. Dies ist deshalb möglich, weil die Verdichterturbine nicht allein bei allen Belastungen den Verdichter antreiben muß, sondern von der letzten Tur-

409850/0344

binenstufe 15 unterstützt werden kann.

Wie bereits erwähnt, ist es wesentlich, daß zumindest die der höchsten thermischen Belastung ausgesetzten Komponenten aus keramischen Werkstoffen hergestellt sind.

Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine etwas veränderte Ausführungsform einer Brennkammer, die zur Anwendung in einer Gasturbinenanlage der hier in Rede stehenden Art geeignet ist. Die eigentliche Brennkammer 12 besteht einstückig aus keramischem Werkstoff und ist innerhalb eines Luftgehäuses 21, das an die Druckseite des Verdichters angeschlossen ist, angeordnet. Der Teil des Gehäuses, der die Brennkammer umschließt, ist mit 22 bezeichnet und enthält den Brenner 13. Ein ringförmiger Einlaßkrüiamer 23, der ebenfalls aus keramischem Werkstoff besteht, ist an die Brennkammer angepaßt. Der EinlaßkrUmmer läuft in Richtung auf einen Ring von Einlaß-Leitschaufeln 2k aus, die unmittelbar stromaufxmrts vom Verdichterturbinenrotor 11 angeordnet sind. Sowohl die Einlaß-Leitschaufeln als auch der Turbinenrotor bestehen aus keramischem Werkstoff. Die Brennkammer ist im wesentlichen radial an den Einlaßkrümmer 23 angeschlossen und es versteht sich, daß die Anzahl von Brennkammern, die an diesen EinlaßkrUmmer anschließen, von der Größe der Gasturbinenanlage abhängt.

Um thermische Relativbewegungen an den Stellen zu ermöglichen, an denen die keramischen Komponenten befestigt sind, ist die Brennkammer 12 in erster Linie in dem Gehäuse mittels geschlitzter Klemmelemente 25 gehalten. Diese Klemmelemente ergeben eine gewisse Nachgiebigkeit

9850/0344

der Halterung und ermöglichen außerdem den Durchtritt von Luft aus dem Luftgehäuse 21 zur Kühlung der Klemme leinen te. Diese Elemente stellen nur einen geringen Teil der Gesamtanlage dar, so daß es möglich ist, sehr hochfeste und teuere Materialien zu verwenden, ohne den Gestehungspreis der Anlage merklich zu erhöhen.

Zwischen der Brennkammer 12 und dem Einlaßkrümmer 23 sind weitere nachgiebige Klemmelemente 26 angeordnet. Die Figuren 3 und 4 zeigen einen Quer- bzw. Längsschnitt durch ein Detail eines derartigen Anschlußelementes. Die Abschnitte der Klemmelemente, die in dem Zwischenraum zwischen der Brennkammer und dem EinlaßkrUmraer liegen, sind gewellt ausgebildet und mit nach unten abgebogenen nachgiebigen Zungen versehen. Die aus keramischem Werkstoff bestehenden Komponenten erhalten auf diese Weise Bewegungsfreiheit in radialer Richtung, während gleichzeitig auf axiale Verschiebungen Rücksicht genommen ist. Aus dem Luftgehäuse 21 kann in den EinlaßkrUmmer durch die Wellung hindurch Luft strömen, so daß dadurch die Klemmelernente gekühlt werden.

Der EinlaßkrUmmer 23 verläuft zu dem Ring der Einlaß-Leitschaufeln 2h hin. Dieser ist als Ringkörper ausgebildet, der durch zwei weitgehend zueinander parallele Wandungen begrenzt wird, zwischen denen eine Anzahl von Einlaß-Leitschaufeln 27 befestigt sind. Weiterhin sind geschlitzte oder mit Längsdurchlässen versehene nachgiebige Klemmelernen te 28 der in Flg. 5 gezeigten Art zwischen dem Einlaßkrümaer 23 und den Leitschaufelring 2k eingepaßt. Die Wellungen sind hier senkrecht zu den nebeneinander liegen-

409850/0344

den Randbereichen des EinlaßkrUmmers und des Leitsohaufelringes angeordnet und ermöglichen den Zustrom von Kühlluft aus dem Luftgehäuse 21. Die anliegende Wand 29 des Gehäuses stößt dichtend an die Außenwand des Leitschaufelringes 2h und beinhaltet eine Luftführung 30, die mit dem Luftgehäuse 21 stromaufwärts der Brennkammer 12 verbunden ist. Durch die Luftzuführung 30 kann den hohlen Leitschaufeln 27 und weiterhin der Turbine Luft zugeführt werden, um die entsprechenden Teile zu kühlen.

Der Turbinenrotor kann auf verschiedene Art und Weise ausgebildet werden. Drei grundsätzliche Bauweisen sind aus den Figuren 6, 7 und 8 entnehmbar.

EfJ sei angenommen, daß die Turbinenwelle aus metallischem Werkstoff hergestellt ist, so daß es notwendig ist, die keramischen Teile auf entsprechend geeignete Weise daran zu befestigen. Entsprechend Fig. 6 ist der Turbinenrotor 32 als Scheibe aus keramischem Material aufgebaut, wobei die Laufschaufeln 33 einstückig mit dem Handbereich ausgebildet sind. Die Laufschaufeln können entweder direkt bei der Herstellung der Scheibe oder anschließend durch separate Bearbeitung geformt werden. Die Scheibe ist auf der Welle 31 mittels einer Schraubenverbindung 3h, befestigt, wobei sich der Schraubenschaft durch ein Mittelloch in der Scheibe und durch eine Bohrung mit einer gegenüber dem Mittelloch größeren Durchmesser in der Metallwelle erstreckt und mit letzterer bei 36 verschraubt ist. Der der Scheibe zugewendete Endabschnitt der Welle 31 ist als elastischer Flansch 37 wit Schlitzen 38 ausgebildet. Eine Federscheibe 39, ebenfalls mit Schlitzen ho.

409850/0344

ist auf der anderen Seite der Scheibe befestigt. Die Schilt: 38 In de« innen liegenden Flansch 37 erstrecken sich in Umfangsrichtung und bilden Langlöcher, während die Schlitze 40 in der außen liegenden Scheibe mehr oder weniger radial verlaufen. Diese Darstellung dient jedoch nur eur Veranschaulichung der möglichen Vielfalt. Es versteht sich aber, dali es einfacher ist, die gleiche Schlitzausbildung an beiden Seiten der Rotorscheibe zu verwenden und daß außerdem andere Schlitzgestaltungen gewählt werden können, wenn die Umstände dies erfordern.

Sowohl die Welle 31 als auch die Schraube 34 sind jeweils mit einer Axialbohrung 41 bzw. 42 versehen, die auf geeignete und nicht näher dargestellte Weise alt dem Verdichter in Verbindung stehen, so daß Kühlluft durch die Turbinenwelle und von da durch die Schraube 34 strömen und die Räume zwischen dem Flansch 37, der Sohelbe 39 und der Turbinenscheibe kühlen kann. *

Bei der AusfUhrungsform gemäß Flg. 7 ist das der Turbinenscheibe zugewendete Ende der Turbinenwelle 43 als Scheibe 44 ausgebildet, die mit einer entsprechend gestalteten Scheibe 45 zusammenwirkt. Letztere ist an der Welle auf gleiche Weise wie vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 6 erläutert, z.B« mittels einer Schraubenverbindung 46, 47, verbunden. Die Randbereiche der beiden Scheiben sind als Federklauen ausgebildet, die die FUße der aus keramischem Werkstoff bestehenden Laufschaufeln 48 umfassen. Auch hier weist die Welle eine Axialbohrung 49 auf, während ein radial verlaufender Durchtritt 50 zwischen den beiden Scheiben 44 und 45 ausgebildet ist. Mittels dieses Durohtrltts

409850/0344

wird Kühlluft nach außen zu den Laufschaufeln geführt und kann längs diesen durch Schlitze 51 in Randbereioh der Soheiben austreten.

Bei der Ausführungsform nach Fig. θ ist die Turbinenscheibe

52 im Gegensatz zu dem Mittelloch bei den beiden vorhergehenden Ausführungen mit einem einstückig angesetzten Wellenstummel 53 versehen. Hierdurch wird die Festigkeit der Welle beträchtlich gesteigert. Bei dieser Anordnung, die bezüglich Festigkeit und Herstellung die attraktivste ist, ist die Turbinenscheibe an einer Welle 54 mittels eines hülsenartigen Elementes 55 befestigt. Die Welle 54 selbst besitzt ein rohrformiges Ende und umschließt den Wellenstummel 53 mit einem gewissen Spalt, in welchen das hlilsenartige Element 55 eingepaßt ist. Der mittlere, im wesentlichen zylindrische Abschnitt 56 des hülsenartigen Elementes 55 ist durch eine gewellte Wand definiert, die in radialer Richtung zwischen dem Wellenstummel 53 und dem rohrförmigen Endabschnitt der Welle 54 Bewegungen erlaubt. Anschließend an die Turbinenscheibe ist der Wellenstummel

53 "it einem Ringwulst 57 versehen, während der entsprechende Teil des hUlsenartigen Elementes eine passende ringförmige Ausnehmung aufweist. Hierdurch hält die Hülse den Wulst federnd fest. Der abgesetzte Teil des hUlsenartigen Elements ist geschlitzt und bildet dadurch eine Anzahl paralleler Zungen, wobei durch die dazwischen liegenden Schlitze 58 durch eine Bohrung 59 in der Welle herangeführte Kühlluft, die durch die Wellungen im zylindrischen Teil 56 strömt, austreten kann.

Das von der Turbinenscheibe abgelegene Ende der Hülse 55 ist mit einem Bolzen 6l verschraubt, der die Hülse und so-

AO9850/03 A

mit auch die Turblnenschelbe mit der Welle verbindet. Zu diesem Zweck ist der Rand des rohrförmigen Endes der Welle so ausgebildet, daß er die Hülse in Richtung auf den WeI-lenstumuel zwängt, wenn die Hülse nach innen gezogen wird, und somit eine Kompression des keramischen Werkstoffe» zustande komnt, durch die gleichzeitig die Turbinenscheibe wirksam zentriert wird.

Alle aus keramischem Werkstoff bestehenden Komponenten haben auf die vorstehend geschilderte Weise eine brauchbare federnd nachgiebige Unterstützung und die metallischen Klemmelemente erhalten eine wirksame Luftkühlung.

409850/0344

Claims

Patentansprüche

1,1 Gasturbinenanlage ait mindestens einem einen Verdichter ^-^ antreibenden Turbinenrotor, mindestens einer an den Verdichter angeschlossenen Brennkammer und mindestens einer Leistungsturbine, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (12), der Einlaß (23) zur ersten Turbinenstufe (ll) und mindestens deren Laufschaufeln (33, 48) aus Keramikwerkstoff bestehen und in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefaßt sind, wobei die Grenzzonen zwischen diesen Komponenten in Ebenen liegen, an deren einer Seite Gase aus der Brennkammer (12) vorbeiströmen, daß die Komponenten an dem Gehäuse oder an anschließenden Komponenten mit federnd nachgiebigen Klemmeinrichtungen (25 bis 27, 37, 39, 44, 45, 55), die Luftdurohtrittsöffnungen aufweisen, festgelegt sind, so daß sie jeweils in mindestens einer Ebene thermisch bedingte Bewegungen ausfuhren können, und daß mindestens eine Leitung (21, 30, 41, 49, 59) vorgesehen ist, um den Grenzzonen zwischen den einzelnen Komponenten, in denen die Klemmeinrichtungen angeordnet sind, im Bypaß vom Verdichter (10) an der Brennkammer (12) vorbeigeführte Luft zuzuführen.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor der ersten Turbinenstufe (11) so mit den Rotoren (14, 15) der folgenden Turbinenstufen gekoppelt ist, daß er mit niedrigerer Drehzahl al« letztere betrieben werden kann.

4Q9850/0344

3· Gasturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der Brennkammer (12) und dem Einlaß (23) angeordneten federnd nachgiebigen Kleinmeinrichtungen (26) sowohl radiale als auch axiale thermische Bewegungen zulassen.

4. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (23) einen Einlaß-Leitschaufelring (24) aus keramischem Werkstoff umfaßt, der als getrenntes Teil ausgebildet und mit einem Einlabkrümraer mittels federnd nachgiebiger Klemmelemente (26) verbunden ist, und daß die einzelnen Leitechaufein hohl und mit einer Kühlluftleitung (30) verbunden sind.

5. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor der ersten Turbinenstufe (ii) eineir Turbinenscheibe (32) aus keramischem Werkstoff mit Laufschaufeln (33) umfaßt, die mittels der federnd nachgiebigen Klemmeinrichtungen (37, 39) auf einer Welle (3i) aus metallischem Werkstoff montiert ist, wobei die Welle (3l) eine Axialbohrung zur Zuführung von Kühlluft enthält.

5. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor der ersten Turbinenstufe (ll) aus zwei zusammengebauten Scheiben (44, 45) aus metallischen· Werkstoff aufgebaut ist, die zwischen sich Laufschaufeln (48) aus keramischem Werkstoff fassen, und daß die Welle (49) eine axiale Bohrung zur Zufuhr von Kühlluft aufweist.

409850/0344

Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daü der Rotor der ersten Turbinenstufe (52) eine Scheibe aus keramischem Werkstoff mit einem kurzen, einstückig ausgebildeten Wellenstummel (53) sowie einstückig angeformten Laufschaufeln umfaßt und daü die Rotorwelle (54) rohrförmig ausgebildet ist und den Wellenstummel (53) über ein dazwischengeschaltetes hülsenartiges Element (55) erfaßt, das thermische Bewegungen in radialer Richtung sowie den Durchtritt von Kühlluft in axialer Richtung erlaubt.

409850/0344

Leerseite