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Gasturbine nanlage
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Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit einem Verdichter,
einem den Verdichter antreibenden und auf der Verdichterwelle sitzenden ersten Turbinenläufer,
wenigstens einem weiteren, auf einer anderen Welle als der erste Turbinenläufer
und der Verdichter angeordneten weiteren Turbinenläufer und wenigstens einer Brennkammer,
in die Brennstoff einführbar ist und die Luft vom Verdichter erhält sowie Verbrennungsgase
dem weiteren Turbinenläufer zuführt, nach Patent ... (Patentanmeldung P 24 24 895.1).
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Insbesondere kleine Gasturbinenanlagen, bei denen eine Kühlung der
Turbinen schwierig ist, weisen als Nachteile einen hohen spezifischen Brennstoffverbrauch,
hohe Kosten und hohen spezifischen Raumbedarf auf. Diese Nachteile liessen sich
zwar durch eine Steigerung der Gastemperaturen vermeiden, Jedoch ist für eine solche
Steigerung der Gastemperaturen durch die Festigkeit bzw. Hitzebeständigkeit üblicher
ungekühlter metallischer wärmebeständiger Werkstoffe eine Grenze gesetzt. Andererseits
können zwar keramische Werkstoffe hohen Temperaturen bei weitem besser standhalten,
jedoch ist
ihre Festigkeit im allgemeinen erheblich geringer als
diejenige von Metall. Für im Handel erhältliche keramische Werkstoffe, die sich
für eine Massenproduktion eignen, ist die in der Praxis ausnutzbare Festigkeit etwa
nur halb so gross wie diejenige der besten hitzebeständigen Metalle, wenn die Sprödigkeit
und die statistischen Schwankungen bei der Produktion berücksichtigt werden.
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Somit ist zwar bekannt, dass der Wirkungsgrad und die Leistung einer
Gasturbinenanlage in hohem Masse von der Turbineneinlasstemperatur (TET) abhängt,
die jedoch durch die Festigkeit üblicher Metalle nicht allzu hoch getrieben werden
kann. Keramische Werkstoffe halten zwar erheblich höhere Temperaturen aus, jedoch
liegt ihre in der Praxis nutzbare Festigkeit erheblich unter der metallischer Werkstoffe.
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Es sind bereits viele Vorschläge für Turbinenläufer ganz oder teilweise
aus keramischen Werkstoffen bekannt, jedoch sind diese Vorschläge in der Praxis
mit Rücksicht auf die oben erläuterten Grenzen, die keramischen Werkstoffen gesetzt
sind, ohne Erfolg geblieben, zumal das Verhalten keramischer Werkstoffe und die
statistischen Schwankungen der Produktion (z.B. Weilbull-Zahl od. dgl.) noch nicht
voll verstanden werden.
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Zur Erzielung einer einfachen Konstruktion ist der den Verdichter
antreibende Turbinenläufer auf der Welle des Verdichters gelagert. Es sei hier angenommen,
dass die Gasturbinenanlage bereits wenigstens einen weiteren Turbinenläufer hat,
der Nutzleistung erzeugt und dass ein Radial- oder Axialverdichter und eine Axial-
oder Radialturbine vorgesehen sind.
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Die spezifische von einem Rotor gelieferte oder von ihm aufgenommene
Energie bzw. Leistung ist ungefähr dem Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit proportional.
Wenn ein Turbinenläufer
sowohl die Antriebsleistung für den Verdichter
als auch Nutzleistung erzeugen soll, so sind die Durchmesser des Verdichters und
der Turbine im allgemeinen etwa gleich gross.
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Wenn die Turbinenleistung auf zwei Turbinenläufer verteilt wird, von
denen einer den Verdichter antreibt, so können beide Läufer mit geringerem Durchmesser
ausgeführt werden, was vor allem für den den Verdichter antreibenden Läufer gilt,
der in der Regel mit dem heissen Gas angetrieben wird. Dadurch werden die Zentrifugal
spannungen in beiden Turbinenläufern vermindert, jedoch bei weitem nicht in einem
solchem Umfange, dass dadurch ein praktischer Einsatz von derzeit zur Verfügung
stehenden keramischen Werkstoffen möglich wäre.
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Die Festigkeit eines in Serie herstellbaren keramischen Turbinenläufers
ist so deutlich geringer als die eines Läufers aus üblichem wärmebeständigem Metall,
dass jeder Versuch fehlschlagen muss, einen einstückigen Keramikläufer zu schaffen,
der in der üblichen Weise, d.h. mit derselben Geschwindigkeit wie der Verdichter,
betrieben wird und die erforderliche Leistung erzeugt. Um die Stärke des Werkstoffes
der Geschwindigkeit des Läufers anzupassen, ist es erforderlich, den Durchmessers
des Läufers und damit seine Umfangsgeschwindigkeit wesentlich herabzusetzen. Dadurch
werden die im Werkstoff erzeugten Spannungen vermindert, jedoch auch die vom Läufer
erzeugte Leistung herabgesetzt. Um die für den Antrieb des Verdichters erforderliche
Leistung sicherzustellen, muss somit eine zusätzliche Leistungshilfe für die Turbine
geschaffen werden.
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Da Keramikwerkstoffe somit nicht den hohen Umfangsgschwindigkeiten
ausgesetzt werden können wie sie in metallischen Läufern üblicherweise auftreten,
wird erfindungsgemäss der erste keramische Turbinenläufer, der den Verdichter antreibt,
sozusagen unterdimensioniert und weist einen verringerten
Durcl-esser
auf. I-Iieraus folgt jedoch, dass die Leistung diese Läufers nicht zum Antrieb des
Verdichters ausreicht, so dass der Läufer eine Leistungshilfe erhalten muss, und
zwar entweder durch Leistungsaufnahme von einem weiteren Turbinenläufer auf einer
getrennten Welle oder durch einen weiteren Keramikläufer auf derselben Welle, auf
der auch der Verdichterläufer und der erste Turbinenläufer angeordnet sind.
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Die verminderte Leistung durch eine solche Unterdimensionierung des
den Verdichter antreibenden Turbinenläufers wird zwar weitgehend durch die Möglichkeit
ausgeglichen, die Temperatur drastisch zu erhöhen. Diese erhöhte Temperatur führt
jedoch zu einem grösseren Gasvolumen. Dem kann dadurch Rechnung getragen werden,
dass der Turbinenläufer mit vergrösserten Schaufelöffnungen ausgeführt wird, welche
den Durchtritt des grösseren Gasvolumens ermöglichen. Dies bedeutet grundsätzlich,
dass der kleinere Läufer proportional weniger Schaufeln mit einer höheren Schaufelstreckung
als im Falle eines üblichen Läufers aufweist. Dies ist vom aerodynamischen und spannungstechnischen
Standpunkt aus vorteilhaft und auch annehmbar, da keine Notwendigkeit besteht, diese
Stufe auf Maximalleistung auszulegen. Die Möglichkeit, den Läufer mit vergrösserten
Abständen zwischen den Schaufeln auszubilden und ihn so auszulegen, dass die Gasströmung
den Läufer nur mit geringer Winkeländerung durchsetzt, führt zu einem verminderten
Strömungswiderstand. Eine Möglichkeit zur Verminderung der erforderlichen Richtungsumlenkung
auch in dem dem Läufer vorgeschalteten Stator besteht darin, die Brennkammer gegenüber
einer Längsebene durch die Läuferachse exzentrisch anzuordnen und den Turbinenstator
in einer Spiralkammer anzuordnen, so dass die Gase bereits beim Eintritt in den
Stator einen gewissen gleichgerichteten Drall besitzen. Dies führt zu einer drastischen
Verminderung in der Grösse und der Anzahl der Schaufeln sowohl im Rotor als auch
im Stator, die daher für manche Anwendungsfälle ohne Schaufelüberlappung
ausgeführt
werden können, was die Herstellung vereinfacht und die Kosten und das Gewicht vermindert.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung,
insbesondere in Verbindung mit den zusätzlichen Ansprüchen.
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Es zeigt: Figur 1 ein Schaubild mit einer schematisch vereinfachten
Veranschaulichung der Beziehung zwischen den zulässigen Spannungen und der Temperatur
in verschiedenen Werkstoffen für Turbinenläufer; Figur 2 eine schematische Veranschaulichung
der Durchmesserverhältnisse der Läufer in einer zweiwelligen Turbine üblicher Bauart;
Figur 3 eine schematische Veranschaulichung derselben Verhältnisse in einer einfachen
erfindungsgemässen Turbine; Figur 4 eine Axialansicht des spiraligen oder schnekkenförmigen
Einsatzgehäuses der Turbine; Figur 5 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe
Turbine; Figuren 6, 6a alternative Anordnungen zur Verbindung eines Keramikläufers
mit einer metallischen Welle; Figur 7 schematisch vereinfacht die Verwendung von
keramischen Werkstoffen in verschiedenen Läuferkombinationen;
Figuren
8 und 9 eine Veranschaulichung der Änderungsmöglichkeiten für die Geschwindigkeit
der den Verdichter und den ers-ten Turbinenläufer tragenden Welle und der Trubineneinlasstemperatur
bei Teillast sowie den entsprechenden Einfluss auf die Spannungen im ersten Turbinenläufer
bzw. im zweiten Turbinenläufer; Figur 10 schematisch vereinfacht eine Gasturbinenanlage
mit einem Wärmetauscher; Figur 11 schematisch vereinfacht eine Skizze zur Veranschaulichung
der Rückgewinnung von Abgas, aerodynamischer und Wärmeenergie auf zweifache Weise
in der Anlage und Figuren 12 bis 23 verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemässer
Gasturbinenanlagen mit einem ersten Turbinenläufer aus keramischem Werkstoff, der
in einem solchen Umfange unterdimensioniert ist, dass er bei Normallast den Verdichterläufer
nicht ausreichend antreibt, jedoch durch wenigstens einen weiteren Turbinenläufer
unterstützt wird.
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In Figur 1 ist schematisch die zulässige Spannung Ch eines üblichen
Metalles für Turbinenläufer unter wechselnden Temperaturbedingungen t aufgetragen
im Vergleich zu einer entsprechenden praktisch zulässigen Spannung in einem keramischen
Werkstoff für Turbinenläufer.
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Die Kurve A zeigt, dass der metallische Werkstoff, üblicherweise irgendein
hitzebeständiger Stahl, bei mässigen Temperaturen eine hohe Festigkeit aufweist,
die jedoch schnell abfällt, wenn die Temperatur einen bestimmten oberen Grenzwert
erreicht.
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Die Kurve B veranschaulicht, dass der keramische Werkstoff typisLherwreise
eine erheblich geringere Festigkeit als das I1etall, beispielsweise nur die halbe
Festigkeit, aufweist, was auf das fehlende Dehnungsvermögen, die grundsätzlich grössere
Sprödigkeit und die statistische Festigkeit (Weilbull-Zahl) zurückzuführen ist.
Diese verminderte Festigkeit jedoch bleibt bei dem Keramikwerkstoff bis in einem
Temperaturbereich erhalten, der bei (ungekühltem) Metallwerkstoff überhaupt nicht
mehr möglich ist.
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EEr den Wirkungsgrad des thermodynamischen Kreisprozesses ist es ausserordentlich
vorteilhaft, die Eingangstemperatur der lurbine so hoch als möglich zu wählen, was
eine Verwendung keramischer Werkstoffe insbesondere in den heissesten Teilen der
Gasströme naheliegt, wozu die Verbrennungskammer, der Einlasskanal und das inlsspiralgehäuse
mit dem Stator und dein oder den ersten Läufer(n) zählen.
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Lin umlaufendes Teil ist nicht nur durch die Temperatur und die Teaperaturgradienten
bei Belastungswechseln hohen Relativbeanspruciiungen und Deforniationen ausgesetzt,
sondern in erheblichem Umfange auch durch die Zentrifugalkräfte auf dem Liuferkörpar
und seinen Schaufeln. In dieser Hinsicht ergeben sich durch die Sprödigkeit, das
fehlende Dehnungsvermögen und die vergleichsweise geringe Festigkeit keramischer
Werkstoffe grosse Schwierigkeiten.
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Wie beieits einleitend erwähnt, ist die aus einem Läufer erzielbare
oder von ihm aufnehmbare Leistung im wesentlichen proportional dem Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit
(u2) des im Gasstrom arbeitenden Läuferteiles bzw. der. Summe der Quadrate der im
Gasstrom arbeitenden Läuferteile.
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In Figur 2 ist schematisch stark vereinfacht eine übliche Anordnung
einer zweiwelligen Gasturbinenanlage mit einem
Verdichterläufer
10, einem direkt auf der Welle 13 des Verdichterläufers 10 aufgekeilten Turbinenläufer
11 zum Antrieb des Verdichters und einem weiteren Turbinenläufer 12 dargegestellt,
der an einer getrennten Welle 14 Nutzleistung liefert.
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Gasturbinen dieser Bauart werden bislang so ausgelegt, dass der den
Verdichter antreibende Turbinenläufer 11 bei normalen Umlaufgeschwindigkeiten und
nominaler Vollast selbst die Leistung zum Antrieb des Verdichters entwickelt Dies
erfrdert gemäss den obigen Uberlegungen einen Verdichterantriebsläufer mit vergleichsweise
grossem Durchmesser D, was zu hohen Spannungen führt. Bei mehreren Turbinenstufen
zum Antrieb des Verdichters ist die Summe der Umfangsgeschwindigkeitsquadrate, die
sogenannte Parsons-Zahl, ein Mass für das Leistungsvermögen eines Turbinenläufers.
Eine bekannte Möglichkeit zur Verminderung von Zentrifugal spannungen ist eine Anwendung
mehrerer Stufen für ein vorgegebenes Druckverhältnis und eine vorgegebene Turbineneingangstemperatur
(TET).
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Die geringe Festigkeit keramischer Werkstoffe hat zur Notwendigkeit
sehr komplizierter Läuferkonstruktionen und Schaufe llage rungen geführt, wobei
auch komplexe Verbundwerkstoffe oder sogenannte " "duo-density" Läufer eingesetzt
wurden, die für eine Serienfertigung zu teuer sind.
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Die vorliegende Erfindung geht von der Einsicht aus, dass es in der
Gegenwart und in der näheren Zukunft nicht möglich sein wird, mit vertretbarem Aufwand
und daher vertretbarer Preissstellung Werkstoffe zu schaffen, die sogar in einer
zweiwelligen üblichen Gasturbine gemäss Figur 2 und natUrlich erst recht in einer
einwelligen Gasturbine die erforderliche Leistung zum Antrieb des Verdichters aus
einer einstufigen Turbine mit einem geringen Spannungen ausgesetzten Keramikläufer
ergeben, der auf einfache, zur Serienfertigung
geeignete Weise
hergestellt ist. Erfindungsgemäss ist daher der Turbinenläufer zum Antrieb des Verdichters
sozusagen unterdimensioniert, also mit einem geringeren Durchmesser als ein üblicher
einstufiger Antriebsläufer für den Verdichter ausgebildet und ist dafür eine Einrichtung
vorgesehen, welche mechanisch den Verdichterantrieb von irgendeinem anderen Turbinenläufer
der Anlage her unterstützt, der stromab des ersten Läufers angeordnet ist.
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In Figur 3 ist eine einfache Anordnung der erfindungsgemässen Bauart
dargestellt. Der Verdichterläufer 15 wird durch einen Turbinenläufer 16 angetrieben,
dar im Durchmesser unterdimensioniert ist und somit die erforderliche Antriebsleistung
für den Verdichter nicht erzeugt, jedoch dafür bei erheblich verminderten Zentrifugalspannungen
und anderen Spannungen, beispielsweise infolge von Temperaturgradienten, bei wechselnden
Arbeitsbedingungen (verminderte Trägheitsmasse und Ubertemperatur bei der Beschleunigung),
arbeitet. Ein Nutzturbinenläufer 17 liefert nicht nur Nutzleistung an einer Abtriebswelle
18, sondern liefert über einen ersten Getriebezug 19, einen Freilauf 20, ein stufenloses
Ubersetzungsgetriebe 21 und einen zweiten Getriebe zug 22 auch die erforderliche
Zusatzleistung zum Antrieb des Verdichters mit voller Leistung.
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Zwischen den beiden Turbinenläufern 16 und 17 sind einstellbare Leitschaufeln
23 vorgesehen, mit denen die Leistungsaufteilung zwischen den beiden Turbinenläufern
eingestellt werden kann.
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Um auch im Falle einer Blockierung der Abtriebswelle 18 durch Drehmomentüberlast
eine Drehung des Nutzturbinenläufers 17 und damit eine Leistungszuführung zum Verdichter
und sonstigen Hilfsaggregaten zu ermöglichen, können ein Abtriebsdifferential (wie
etwa dasjenige gemäss Figur 12), ein Drehmomentwandler oder irgendeine entsprechende
geeignete Einrichtung eingesetzt werden.
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Wegen der geringen Trägheit des unterdimensionierten Turbinenläufers
und durch das Wechselgetriebe sowie den Trägheitseinfluss des Nutzturbinenläufers
ist es möglich, eine schnelle Beschleunigung des Gaserzeugerteiles zu erzielen,
ohne dass Übertemperaturen wie in einer üblichen Gasturbinenanlage auftreten. Der
Unterdimensionierte Turbinenläufer für den Verdichterantrieb arbeitet somit mit
geringen Umfangsgeschwindigkeiten und unterliegt nicht denselben Temperaturgradienten
wie in üblichen Turbinen, was sowohl die mechanischen als auch die thermischen Beanspruchungen
des Läufers insbesondere an den Laufschaufeln und am Radkranz herabsetzt. Dadurch
können vorhandene Keramikwerkstoffe eingesetzt werden und der Läufer mit den Laufschaufeln
einstückig ausgeführt werden, beispielsweise durch Sinterung oder Warmpressung.
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Somit kann die Temperatur der Verbrennungsgase aus der Verbrennungskammer
angehoben werden, ohne vom einfachen Aufbau der Turbine abgehen zu müssen.
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Dadurch, dass die erste Reihe der Leitschaufeln des Eialassstators
an eine Einlassspiralkammer anschliesst, welche einen Vordrall am Statoreinlass
erzeugt, ist nur eine geringe aerodynamische Last, also nur eine geringe Ablenkung
des Gasstromes am Stator oder Düsenring erforderlich. Dadurch kann die erste Reihe
von Leitschaufeln, die ebenfalls aus Keramikwerkstoff bestehen, mit einer verminderten
Schaufelzahl ausgeführt werden. Dies wiederum führt dazu, dass die Leitschaufeln
ohne Uberdeckung in axialer Durchblickrichtung angeordnet werden können, so dass
eine vereinfachte Herstellung beispielsweise durch Spritzguss und Sinterung oder
durch Warmpressung der Bauteile durchgeführt werden kann.
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Dies gilt mit Rücksicht auf die verminderte Belastung und die damit
verminderte Anzahl der Laufschaufeln auch für den ersten Läufer.
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Eine derartige Einlassanordnung ist in Figur 4 veranschaulicht.
Dabei
ist eine Brennkainmer 25 mit einem Brenner 26 vorgesehen, die von einer Luftvorlagekammer
27 umgeben ist, welche Luft aus dem Verdichter enthält. Die Brennkammer 25 ist mit
einem Schnecken- oder Spiralgehäuse 28 verbunden, welches Statorleitschaufeln 29
mit einem Vordrall speist.
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Die Brennkammer, das Spiralgehäuse und die Leitschaufeln des Einlassstators
oder Düsenringes bestehen sämtlich aus Keramikwerkstoff.
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Die erhöhte Temperatur der Gase führt für eine gegebene Turbinengrösse
zu einem vergrösserten spezifischen Gasvolumen, welches die durch Leitschaufeln
unterteilten Ringkanäle durchsetzen muss, welche in der in Figur 3 bei d veranschaulichten
Weise einen geringeren mittleren Durchmesser aufweisen.
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Die höhere Temperatur ermöglicht es natürlich, mehr Energie aus den
Gasen zu gewinnen, wenn sie den ersten Läufer durchsetzen, wobei jedoch andererseits
die im ersten Läufer umgesetzte Gesamtenergie erfindungsgemäss absichtlich niedriger
gehalten ist als im Falle einer Anordnung gemäss Figur 2.
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In der bereits erläuterten Weise bedeutet dies, dass eine geringere
Ablenkung der Gasströmung erforderlich ist und somit eine verminderte Anzahl von
Leitschaufeln eingesetzt werden kann, was zu einem vergrösserten Leitschaufelabstand,
also einer geringeren Überdeckung, führt. Dadurch wird eine weiter vergrösserte
relative Durchflussfläche erzielt, so dass eine relative Verminderung der Kanalhöhe
und damit der Schaufellänge möglich ist, was zu einer Verminderung der aerodynamischen
Belastungen und der Schwingungsbelastungen an den Schaufeln durch das Gas führt.
Die verminderte relative höhe und das verminderte Gewicht der Schaufeln führen auch
zu einer Absenkung der Belastung der Laufschaufeln, des Radkranzes und des Läuferkörpers
durch Zentrifugalkräfte.
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In Figur 5 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
Ein Verdichterläufer 30 istauf einer Hohlwelle 31 angeordnet, die auch einen Läufer
32 mit einstükkigen Laufschaufeln aus Keramikwerkstoff trägt. Der Läufer ist auf
der Welle 31 abnehmbar und nachgiebig durch eine innere Gewindestange 33 und eine
nicht näher dargestellte Spannmutter gelagert. Ein zweiter und ein dritter Läufer
34 und 35, von denen wenigstens der letzte aus Metallwerkstoff hergestellt ist,
sind stromab des ersten Läufers 32 angeordnet und beide mit einem Planetengetriebe
36 verbunden.
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Die Abtriebswelle 37 des äusseren Ringrades des Planetengetriebes
36 gibt bei 38 ein Drehmoment ab, während eine zweite, mit dem Sonnenrad des Planetengetriebes
verbundene Welle 39 dem Verdichter über ein Wechselgetriebe 40 zusätzliche Antriebsleistung
zuführt.
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Luft aus dem Verdichter 30 strömt in die Vorlage kammer 41 ein, welche
die Brennkammer 42 umgibt. Ein Teil dieser Luft strömt nach unten und tritt in Öffnungen
43 der Hohlwelle 31 ein, von wo aus diese Luft dem Läufer 32 zur Kühlung des Läufers,
der Welle und der elastischen Halteglieder für den Läufer zugeführt wird.
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Die Brennkammer ist mit einem Brenner 44 ausgestattet. Nicht näher
dargestellte Brennstoffpumpen und Dosierorgane sind zur Sicherung einer solchen
Brennstoffzuführung vorgesehen, welche zu einer erheblich höheren Gastemperatur
führt, als sie in üblichen Turbinen mit einem ersten metallischen Läufer erzeugt
wird.
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In Figur 6 ist die elastisch nachgiebige Lagerung eines Keramikläufers
an einer Metallwelle näher veranschaulicht; bei einer solchen Lagerung müssen die
unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten für Metall
und Keramik berücksichtigt werden.
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Der Läufer 32 der Gasturbine gemäss Figur 5 ist einstückig aus Keramikwerkstoff
mit Laufschaufeln und einem Nabenkörper 4o ausgebildet, der in ein Ende der Hohlwelle
31 passt.
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Die Zugstange 33 erstreckt sich durch die Hohlwelle und ist an ihrem
anderen Ende mit einer Spannmutter versehen, so dass der Läufer gegen die Welle
31 verspannt werden kann.
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Das dem Läufer benachbarte Ende der Zugstange 33 ist als offenendige
Hülse ausgebildet und weist axial gerippte Seitenwände 47 auf, die in einer Anzahl
von axial ausgerichteten gebogenen Fingern enden, welche einen Ringwulst am Fuss
des Nabenkörpers 56 umgreifen.
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Die Verbindung zwischen dem offenendigen hulsenförmigen Klemmglied
und der eigentlichen Zugstange 33 wird durch ein axial federndes Element 33a gebildet.
Eine solche axial elastische Verbindung ist zweckmässig, wenn das Wellenende sich
bis zum Körper des Läufers 32 erstreckt, um so eine exakte Lagesicherung des Läuferkörpers
zu gewährleisten.
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Die Riffelung 47 in den Seitenwänden des hülsenförmigen Klemmgliedes
muss nicht in Axialrichtung geradlinig ausgebildet sein, sondern kann auch in Umfangsrichtung
verlaufen oder schraubenförmig entlang dem Nabenkörper geführt sein.
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Um eine relative Drehbewegung zwischen dem Klemmglied und dem Schaft
des Nabenkörpers zu vermeiden und so die Drehmomentübertragung zu erleichtern, ist
der Nabenkörper mit Nuten zur Aufnahme wenigstens eines Teiles der Rippen oder Riffelerhebungen
versehen
Wie bereits im Zusammenhang mit Figur 5 erläutert ist,
wird Luft aus dem Verdichter dem Innenraum der Hohlwelle 31 zugeführt. Das hülsenförmige
Ende der Zugstange 33 ist an seinem inneren Ende mit Öffnungen 49a versehen und
weist zwischen den Fingern und seinem äusseren Ende Schlitze 49b auf, so dass Luft
axial durch die Halterung hindurchströmt und so die Halterung und auch die Läuferwelle,
die mit Axialschlitzen 31a versehen ist, kühlt.
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Somit ist der Läufer 32 unabhängig von Temperaturunterschieden sowohl
axial als auch radial sicher an der Hohlwelle 31 gelagert In Figur 6a ist eine alternative
Befestigungsanordnung zwischen dem Läufer und dem Klemmglied veranschaulicht. Der
schaftförmige Nabenkörper 46b hat dabei einen polygonalen Querschnitt. Dieser polygonale
Querschnitt ist im Beispielsfalle mit Deieckbereichen ausgebildet, selbstverständlich
kann jedoch auch ein Mehreck beliebiger Art verwendet werden.
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Das Klemmglied 47b und die Öffnung am Ende der Hohlwelle 31b sind
in entsprechendem Querschnitt, jedoch mit einem gewissen Ubermass, ausgeführt.
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Ein kennzeichnendes Merkmal eines derartigen Vieleckquerschnittes
liegt darin, dass die Durchmesser, also die Querabmessungen durch den Mittelpunkt,
konstant sind. Die entsprechenden Masse für die Innenfläche der Hohlwelle und die
Aussenfläche des Nabenkörpers sind mit dy und di gekennzeichnet.
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Die Oberflächen können einfach geschliffen sein; der polygonale uuerschnitt
gewährleistet eine sichere Drehmomentübertragung.
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Das Klemmglied ist bei diesem Beispiel mit Querrippen versehen, die
Schlitze für eine axiale Luftströmung besitzen. Die
Querrippen
oder Riffelungen sichern eine federnde Nachgiebigkeit in axialer Richtung, gleichen
jedoch auch Wärmedehnungen in radialer Richtung aus.
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Das Klemmglied kann statt mit querrippen auch mit axialen oder im
wesentlichen axialen Rippen und einem axialen Federglied 33a versehen sein, wie
dies in Figur 6 veranschaulicht ist.
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In Figur 7 ist die Arbeitsweise verschiedener Turbinenanlagen bezüglich
der bei handelsüblichen Keramikwerkstoffen zulässigen Spannungen veranschaulicht.
Die Spannungshöhe ist als horizontales Band dargestellt, während die Spannungen
im ersten Läufer als vertikalen Säulen veranschaulicht sind.
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Bei A ist eine übliche zweiwellige rl'urbinenanlage dargestellt, bei
der der zum Verdichterantrieb herangezogene Turbinenläufer die Verdichterleistung
alleine aufbringen soll, wobei offensichtlich ist, dass die Spannungen im Turbinenläufer
vor allem wegen der hohen Umfangsgeschwindigkeit die zulässigen Spannungen in Keramikwerkstoffen
bei weitem überschreiten.
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Eine einwellige und einstufige Anlage ist nicht diskutabel und daher
auch nicht dargestellt.
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Bei A1 ist eine erfindungsgemässe Abwandlung der Anlage A dargestellt,
so wie sie im Zusammenhang mit Figur 3 im wesentlichen beschrieben ist, also mit
einem unterdimensionierten Turbinenläufer für den Verdichterantrieb und zusätzlicher
Antriebsunterstützung. Hierdurch werden die Spannungen gerade noch in den zulässigen
Bereich gedrückt.
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Bei B ist eine erfindungsgemässe Prinziplösung veranschaulicht, bei
der der Läufer einer ersten Stufe verminderten Durchmesser aufweist und für den
Antrieb des Verdichters durch eine zweite Turbinenstufe unterstützt wird, die auf
derselben
Welle sitzt. Die Nutzturbine besitzt eine getrennte Welle. Auch mit einer solchen
Anordnung werden die Spannungen der ersten beiden Turbinenläufer in den für Keramikwerkstoffe
zulässigen bereich gedrückt, wie anhand der Indizierung der angegebenen Spannungen
ersichtlich ist, welche die Spannungsangaben den jeweiligen Anordnungen zuordnen.
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Bei C ist eine weitere erfindungsgemässe Abwandlung veranschaulicht,
bei der drei Läufer auf eigenen Wellen arbeiten.
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Der erste Turbinenläufer hat einen gegenüber dem Beispiel B noch weiter
verringerten Durchmesser. Zusätzliche Leistung für den Verdichterantrieb liefert
der dritte Läufer über ein Getriebe. Dadurch können die Spannungen im ersten Turbinenläufer
deutlich unter die zulässige Spannungsgrenze gebracht werden. Die Spannungshöhe
berücksichtigt dabei sowohl mechanische Spannungen als auch thermische Spannungen
während des lSormalbetriebes und insbesondere auch während Lastwechseln.
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Bei denjenigen erfindungsgemässen Ausführungsformen, bei denen ein
Wechselgetriebe zur Beschleunigung der Verdichterwelle durch das Trägheitsmoment
der anderen Turbinenläufer vorgesehen ist, kann eine schnelle Beschleunigung ohne
zusätzlichen Brennstoffbedarf erzielt werden, der oberhalb dem Brennstoffbedarf
für Vollast liegt; eine solche zusätzliche Brennstoffeinspeisung ist bei üblichen
Gasturbinen die Regel.
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Diese zusätzliche Brennstoffzuführung führt zu zeitweiligen Ubertemperaturen,
die sehr schädlich für die Standzeit des Läufers sind.
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Die Möglichkeit zur Vermeidung derartiger Ubertemperaturen hat zur
Folge, dass billige Werkstoffe verwendet werden können, oder aber dass bei hochwertigen
Werkstoffen der Gewichts- und Raumbedarf entsprechend reduziert werden kann.
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Die verminderten thermischen Schockbelastungen führen auch zu einer
wesentlichen Verminderung der Schadstoffemission mit dan Abgasen, insbesondere von
Stickoxiden.
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Der Gaserzeugerteil einer Gasturbinenanlage arbeitet in der Regel
mit vermindertem Wirkungsgrad, sobald die Anlage unterhalb ihrer lsenndrehzahl läuft,
also mit vermindertem Druck und varminderter Temperatur arbeitet. Da durch die Erfindung
thermische Schockbeanspruchungen vermindert werden können, kann die dadurch erzeugte
Reserve an Standfestigkeit gegenüber thermischen Dauerbelastungen zeitweilig dazu
benutzt werden, den Gaserzeugerteil, also den Verdichter und die erste Turbinenstufe,
bei höheren Temperaturen und/oder erhöhter Drehzahl laufen zu lassen, als diese
bei einer üblichen Turbine bei Nenndrehzahl zulässig sind, wenn die Nutzturbine
in einem geringeren Drehzahlbereich läuft und somit weniger Spannungsbeanspruchung
erzeugt. Dies bedeutet, dass ein höheres Druckverhältnis ud ein erhöhter Gasdurchsatz
am Gaserzeugerteil mit der Folge einer höheren Leistung erfolgen kann.
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Dadurch wiederum steht ohne Verwendung eines besonderen Getriebes
oder einer Einrichtung zur temporären Leistungssteigerung ein höheres Nenndrehmoment
beim Start und bei geringen Geschwindigkeiten zur Verfügung, was ausserordentlich
wertvoll ist.
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Da die Turbinenanlage normalerweise im unteren Drehzahlbereich arbeitet
und die höhere Temperatur und/oder die höhere Drehzahl nur während einer begrenzten
Zeitspanne vorliegen, hat diese Erhöhung keinen zu starken Einfluss auf den unterdimensionierten
Turbinenläufer, und zwar besonders dann nicht, wenn nur einer der genannten Parameter
geändert wird.
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Der Iiutzturbinenläufer wird durch den zeitweiligen Temperaturanstieg
nicht fühlbar nachteilig beeinflusst, da die dadurch hervorgerufene erhöhte thermische
Belastung nur dann
auftritt, wenn der Läufer im niedrigen Drehzahlbereich
arbeitet und daher nur verminderten inechanischen Belastungen ausgesetzt Ist, die
dem Quadrat der dann verinderten Umfangsgeschwindigkeit proportional sind In Figur
8 veranschaulicht ein einfaches Diagramm den Verlauf der Temperatur t in 0C und
der Drehzahl des Gaserzeugerteiles (nGP), die auf der Ordinate aufgetragen sind,
über der Drehzahl der Nutzturbine (nut) auf der Abszisse.
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Die kurve I in Figur 8 veranschaulicht dabei mögliche Änderungen der
Turbineneinlasstemperatur in einem Betriebsbereich unterhalb der vollen Drehzahl
der Nutzturbine, die bei 100 % angegeben ist. In entsprechender Weise veranschaulicht
die Kurve II mögliche Änderungen der Drehzahl des Verdichteres und der Verdichterantriebsturbine
bis zur vollen Drehzahl der I*utzturbine. Die Punkte 50 und 51 veranschaulichen
die Turbineneinlasstemperatur bzw. die Drehzahl des Gaserzeugerteiles bei Nenndrehzahl,
also bei voller Drehzahl (100 %) der Nutzturbine.
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In Figur 9 ist der Einfluss einer erhöhten Temperatur und/oder einer
erhöhten Drehzahl auf die umlaufenden Teile der Anlage veranschaulicht. Die relative
Spannung a rel als Verhältnis zwischen der tatsächlichen Momentanspannung und der
zulässigen Dauerspannung ist auf der Ordinate aufgetragen, während die Nutzturbinendrehzahl
(npT) auf der Abszisse aufgetragen ist. Die relative Spannung C rel liegt mit Rücksicht
auf die Auslegung im allgemeinen unterhalb der maximalen Beschleunigungsspannungen
einer üblichen Turbine, die durch die strichpunktierte Linie 55a veranschaulicht
sind.
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Die Spannungen im Nutzturbinenläufer ändern sich im allgemeinen gemäss
der Kurve 52 bis zu einem Höchstwert 53 beim Erreichen der vollen Nenndrehzahl (100
%). Die Spannungen im
Antriebsläufer für den Verdichter erreichen
bei dieser Nenndrehzahl lediglich einen wesentlich geringeren Wert, der bei 54 veranschaulicht
ist.
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Wenn die Turbineneinlasstemperatur und/oder die Drehzahl der Verdichter-Turbinen-Sinheit
erhöht wird, wie dies durch die auf die Ordinate zulaufenden Erhöhungen der Kurven
I und II auch in Figur 8 veranschaulicht ist, werden die Spannungen während kurzer
Zeitspannen die zur Ordinate hin ansteigende obere Kurve 55 gemäss Figur 9 erreichen.
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Die zeitweilig erhöhten Spannungen im Antriebsläufer für den Verdichter
können zugelassen werden, da die sonst üblichen thermischen Schockbeanspruchungen,
wie sie durch die Linie 55a veranschaulicht sind, vermieden werden können. Wie sich
weiterhin zeigt, überschreiten die Spannungen im Nutzturbinenläufer nicht den Maximalwert,
der bei voller Nenndrehzahl erzielt wird, die bei einem üblichen Kraftwagenantrieb
nur während eines sehr kurzen Anteiles der Gesamtbetriebszeit erzielt wird.
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Die oben erläuterte Beschleunigungshilfe bei niedrigeren und mittleren
Drehzahlen kann im Bedarfsfalle auch zur Erzielung eines sogenannten kick-down-Effektes
benutzt und dabei nur gelegentlich eingesetzt werden, wenn ein besonderer Leistungsbedarf
vorliegt und das Gaspedal bereits auf Vollast steht, ähnlich wie dies beim kick-down
bei automatischen Fahrzeuggetrieben der Fall ist.
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Als Antriebsmaschine ist eine solche Gasturbinenanlage vorzugsweise
mit einem Keramikwärmetauscher versehen, in dem der Wärmeinhalt der die letzte Turbinenstufe
verlassenden Gase in der an sich bekannten Weise zur Vorwärmung der der Verbrennungskammer
zugeführten Frischluft verwendet wird.
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In Figur 10 ist schematisch vereinfacht der Grundaufbau einer dreistufigen
Gasturbine mit einem drehbaren Regenerativluftvorwärrner veranschaulicht.
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Der Verdichter ist mit 60 bezeichnet, während die drei Turbinenläufer
mit 61, 62 und 63 bezeichnet sind. Der Läufer 62 stellt die liutzturbine dar, der
Läufer 61 ist direkt mit dem Verdichterläufer verbunden und der Läufer 63 erzeugt
zusätzliche Leistung für den Gaserzeugerteil, die über ein Getriebe 64 zugeführt
wird. Der Läufer 63 liefert überdies Leistung für Hilfsaggregate und/oder auch über
nicht näher dargestellte Getriebe Leistung für die Abtriebswelle.
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Die Brennkammer ist mit 65 bezeichnet, der Wärmetauscher mit 66. Verstellbare
Leitschaufeln 67 sind zwischen den Läufern 62 und 63 vorgesehen, um eine gewünschte
Aufteilung der zur Verfügung stehenden Gasenergie zwischen den beiden Läufern zu
erzielen. Lin ähnliches Ergebnis kann erzielt werden, wenn verstellbare Leitschaufeln
zwischen dem ersten und dem zweiten Turbinenläufer angeordnet sind, wobei der zweite
zur Unterstützung des Verdichterantriebes herangezogen wird, während der dritte
Läufer dann als Nutzturbine arbeitet.
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Die Anordnung gemäss Figur 10 eignet sich besonderes für Fahrzeugantriebe,
bei denen der Nutzläufer 62 über ein Getriebe derart mit den Fahrzeugrädern verbunden
ist, dass der Läufer zum Stillstand kommt, wenn das Fahrzeug steht.
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Durch Anordnung der Hilfsturbine 63 stromab des Nutzläufers 62 ist
es durch Einstellung der Leitschaufeln 67 möglich, die Shergie der den Läufer 62
verlassenden Gase zu nutzen.
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Dadurch wird ein doppeltes Regenerativsystem erzielt, bei dem die
Turbinenstufe 63 die aerodynamische Abgasenergie hinter der Nutzturbine nutzt, während
der Wärmeinhalt der Abgase im Wärmtauscher zur Luftvorwärmung nutzbar gemacht wird.
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Diese Snergierückgewinnungen sind in Figur 11 schematisch veranschaulicht,
wobei 70 den Energieinhalt des zugeführten Brennstoffes, 71 die daraus gewonnene
Leistung und 72 die unvermeidlichen Verluste bezeichnet. Eine bestimmte Menge der
Abgasenergie wird nach dem Läufer 63 in der bei 73 veranschaulichten Weise im Läufer
63 nutzbar gemacht, während bei 74 die Wärmerückgewinnung im Wärmetauscher 66 veranschaulicht
ist.
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In Figur 12 ist eine abgewandelte Ausführungsform einer erfindungsgemässen
Gasturbinenanlage veranschaulicht. Der Verdichter 80 wird durch einen unterdimensionierten
Turbinenläufer 81 aus Keramikwerkstoff angetrieben, der auf der Welle des Verdichterläufers
sitzt. Das Gas strömt von der Brennkammer 82 durch den ersten Läufer und sodann
durch eine Nutzturbine mit zwei Läufern 83 und 84, die auf derselben Welle angeordnet
sind. Die Abtriebswelle ist mit einem Planentengetriebe 85 verbunden, von dem bei
86 die Leistung abgenommen wird, während über ein Wechselgetriebe 87 eine Antriebsverbindung
zur Welle des Verdichteres und des ersten Turbinenläufers hergestellt ist.
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In Figur 13 ist eine Abwandlung der Anlage gemäss Figur 12 veranschaulicht,
wobei dieselben Bazugszeichen verwendet sind.
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In diesem Falle sind jedoch zwei unterdimensionierte Keramikläufer
81a und 81b vorgesehen, welche den Hauptantrieb für den Verdichter darstellen, wodurch
eine noch höhere Gastemperatur im thermodynamischen Kreislauf nutzbar gemacht werden
kann. In der Zeichnung ist nur ein Nutzturbinenläufer 83 veranschaulicht, jedoch
kann stattdessen auch die zweistufige utzturbine gemäss Figur 12 mit den Läufern
83 und 84 benutzt werden.
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Die beiden Turbinenwellen sind konzentrisch angeordnet, was eine gedrängte
Bauweise ermöglicht. Der zweistufige Keramikläufer
kann durch
Sinterung als Baueinheit mit zwei starken und fevterr Läuferkörpern hergestellt
werden. In einem solchen Falle ist ein erforderlicher, zischen den beiden Keramkl-äu"fern
anzuordnender Statorring in Segmente aufgeteilt, um dessen Montage zu ermöglichen.
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Bei sämtlichen bisher erläuterten Ausführungsbeispielen arbeiten die
ersten Läufer als Axialturbinen oder als gemischte Axial-Radial-Turbinen mit Umlenkung
radial nach aussen.
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Insbesondere im Zusammenhang mit der Fertigung der- Bauteile aus Keramikwerkstoffen
sind jedoch bestimmte Vorteile dann erzielbar, wenn der erste Turbinenläufer eine
Strömungsumlenkung radial nach innen bewirkt. Die Schaufeln können entweder axial-radial
gerade oder geringfügig verjüngt ausgebildet sein. Darüberhinaus können die Schaufeln
dicker ausgeführt und mit grösserem Abstand angeordnet werden als bei axialer Durchströmung,
welches einen Teil der Herstellung vereinfacht.
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In Figur 14 ist eine erste Ausführungsform einer solchen Gasturbinenanlage
mit einem ersten Turbinenläufer 90 veranschaulicht, der aus Keramikwerkstoff besteht
und radial einwärts durchströmt wird. Dieser Läufer ist auf einer Hohlwelle gelagert,
die auch den Verdichter 91 trägt. Ein Nutzturbinenläufer 92 ist auf einer Welle
gelagert, die die Hohlwelle des Verdichters und der ersten Turbinenstufe durchsetzt.
Beide Wellen sind an ein Planetengetriebe 93 mit einer Abtriebswelle 94 angeschlossen.
Ein Wechselgetriebe 95 stellt sicher, dass der Verdichter stets mit der erforderlichen
zusätzlichen Leistung gespeist wird.
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Figur 15 veranschaulicht eine Weiterentwicklung der Anlage gemss Figur
14. Dabei ist eine axiale Vorverdichterstufe 96 stromauf der Radialverdichterstufe
91 und ein axiales Auslassrad 97 stromab des radialen Turbinenläufers vorgesehen.
Das
Auslassrad 97 ist bevorzugt, jedoch nicht notwendigerweise aus Keramikwerkstoff
hergestellt und kann in bestimmten Anwendungsfällen und bei Auslegung auf bestimmte
Leistungen entfallen. Aus herstellungstechnischen Gründen sind der Läufer und das
Axialrad bevorzugt getrennt hergestellt und gemeinsam auf einer gemeinsamen Welle
gelagert.
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Die Nutzturbine weist zwei Läufer 92a und 92b auf.
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Bei der Ausführungsform gemäss Figur 16 wird der einstufige Radlalverdichter
100 unmittelbar von einem Turbinenläufer 101 mit radialer Durchströmung aus Keramikwerkstoff
angetrieben. Auch die Nutzturbine 102 wird radial durchströmt, wobei jedoch das
Gas im ersten Turbinenläufer radial einwärts und in der zweiten Stufe radial auswärts
strömt. Die zwei Läuferwellen sind über ein Planetengetriebe 103 miteinander verbunden
während ein Wechselgetriebe die erforderliche Zusatzleistung für den Verdichterantrieb
der Welle des Verdichters und der ersten Turbinenstufe zuführt.
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Der zweite Läufer kann aus einem wärmebeständigen Metallwerkstoff
hergestellt sein und weist mit Rücksicht auf seinen grossen Durchmesser ein hohes
Leistungsvermögen auf. Die grosse ilassenträgheit dieses zweiten Läufers lässt ihn
als Schwungrad wirken, welches bei Antriebsanlagen in Fahrzeugen zur Beschleunigung
des Verdichters nach einem Halt dient.
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Mit einem Planetengetriebe und einer geeigneten Kupplungsanordnung
ist es möglich, die Abtriebswelle zu blockieren, zu entlasten oder im Leerlauf weiterlaufen
zu lassen, während der Gaserzeuger im Leerlauf läuft. Die Ubertragung der kinetischen
Drehenergie vom zweiten Läufer auf den Verdichterläufer fährt den Gaserzeugerteil
der Anlage schnell auf volle Leistung hoch. Gleichzeitig steht über das Reaktionsdrehmoment
des Planetengetriebes sofort das volle Drehmoment den Fahrzeugrädern zur Verfügung,
so dass eine schnellere Beschleunigung möglich ist als bei Kolbenmotoren,
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Figur 17 ist eine Abwandlung der Anordnung gemäss Figur 12 veranschaulicht. Der
einstufige Radialverdichter 110 wird durch einen axial durchströmten Turbinenläufer
111 aus Keramikwerkstoff mit geringer Schwungmasse angetrieben, der auf die hohle
Verdichterwelle aufgesetzt ist. Eine Nutzturbine mit zwei Läufern 112 und 113 ist
auf eine die Verdichterwelle durchsetzende Welle gesetzt. Beide Wellen wirken auf
ein Getriebe 114, welches von einer weiter oben beschriebenen Bauart ist und eine
Einrichtung zur Ableitung eines Teiles der Leistung der Nutzturbinen zum Verdichter
und zur Ubertragung eines Schwungimpulses von der Nutzturbine zum Verdichterläufer
aufweist und eine Ubertragung des Reaktionsdrehmomentes auf die Abtriebswelle gestattet.
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Die Anlage gemäss Figur 18 weist drei axial durchströmte Turbinenliiufer
115, 116 and 117 auf, die auf konzentrischen Wellen gelagert sind. Der einstufige
Radialverdichter 118 ist auf der äussersten Welle gelagert, welche auch den Turbinenläufer
117 trägt. Der Turbinenläufer 115 unmittelbar stromab der Brennkammer 119 besteht
aus Keramikwerkstoff und ist auf der iruzersten der Wellen montiert, die vorzugsweise
in Luftlagern einer geeigneten Art gehalten ist.
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Der mittlere Läufer 116 arbeitet als Nutzturbine und ist an ein geeignetes
Getriebe 120 mit einer Abtriebswelle 121 angeschlossen. Die Wellen der Läufer 115
und 116 sind über eine geeignete einstückige Zwillingsritzelanordnung 122 miteinander
verbunden, so dass beide Läufer zum Antrieb des Verdichters herangezogen sind, da
sie mit derselben Welle drehverbunden sind. Eine weitere, nicht näher dargestellte
Einrichtung kann zur Übertragung von Leistung in beiden Richtungen zwischen diesen
beiden Wellensystemen und dem Getriebe 120 vorgesehen sein, wobei in diesem Falle
die einstückige Zwillingsritzelanordnung 122 durch ein zweistückiges Getriebe, geeignete
Zwischenräder und ein Wechselgetriebe ersetzt wird.
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Ein drehender Wärmetauscher 123 nimmt die Gase aus der letzten Turbinenstufe
117 auf und wärmt die vom Verdichter 118 zur Brennkaiinmer 119 geleitete Luft vor.
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Bei Anordnung gemäss Figur 19 sind zwei axial durchströmte Turbinenläufer
125 und 126 auf derselben Welle wie ein Verdichter 127 gelagert und werden mit Gasen
aus der Brennkammer 128 gespeist.
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Die Nutzturbine 129 wird radial auswärts durchströmt und ist auf einer
die Verdichterwelle umgebenden Hohlwelle gelagert.
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Beide ellen sind, wie bereits in mehreren der weiter oben erläuterten
Ausführungsbeispiele, mit einem gemeinsamen Planetengetriebe mit einem Wechselgetriebe
130 verbunden, um Leistung zum Verdichter abzuzweigen.
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In Figur 20 ist eine Anlage dargestellt, bei der ein einstufiger Radialverdichter
131 seinen Hauptantrieb durch einen unterdimensionierten Keramikläufer 132 erhält.
Die Anlage weist zwei weitere Turbinenläufer 133 und 134 auf, die durch ein Planetengetriebe
135 mit einem zugeordneten Wechselgetriebe 136 und einem Leistungsabnahmegetriebe
137 für den Verdichter untereinander verbunden sind. Die Brennkammer ist mit 138
bezeichnet und ein drehender Wärmetauscher mit 139.
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Bei der Ausführungsform gemäss Figur 21 sind dieselben Bauteile wie
im Falle der Ausführungsform gemäss Figur 20 vorhanden und mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet. Der Unterschied zu der Ausführungsform gemäss Figur 20 liegt lediglich
in der Anordnung der Bauteile, wobei die Brennkammer 138 an einem Ende der Anlage
und der Verdichter 131 am gegenüberliegenden Ende angeordnet sind.
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In Figur 22 ist eine Gasturbinenanlage mit einem zweistufigen Verdichter
mit Verdichterläufern 140 und 141 und einem
ersten iUrbinenläufer
142 aus Keramikwerkstoff mit radial einwärts gerichteter burcnströmung veranschaulicht,
der den zweiten Verdichterläufer 141 mittels einer Hohlwelle antreibt.
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Weiterhin sind zwei axial durchströmte Turbinenläufer 143 und 144
auf einer gemeinsamen Welle gelagert, welche die oben genannte Hohlwelle durchsetzt
und die Welle des ersten Verdichterläufers 140 antreibt.
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Ein Getriebe 145 mit zwei Kegelradpaarungen und einem Wechselgetriebeteil
146 dient zur Leistungsübertragung von der Welle der ersten Verdichterstufe zur
Welle der zweiten Verdichterstufe.
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Die beiden axial durchströmten rfurbinenläufer 143 und 144 oder wenigstens
der stromauf angeordnete dieser beiden Läufer kaiin aus Keramikwerkstoff hergestellt
sein. Die Nutzturbine ist einstufig mit einem Läufer 147 ausgeführt und mit verstellbaren
Leitschaufeln 14 versehen. Die Anlage weist weiterhin eine Brennkammer 149 und einen
Wärmetauscher 150 auf.
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Die Anlage gemäss Figur 23 ist ebenfalls mit einem zweistufigen Verdichter
mit Verdichterläufern 155 und 156 ausgeführt, jedoch ist hier der zweite Verdichterläufer
156 ebenso wie der zu dessen Antrieb dienende Turbinenläufer 157 auf einer Welle
158 gelagert, die seitlich gegenüber der Welle 159 versetzt ist, die den ersten
Verdichterläufer 155 mit seinem zugeordneten Turbinenläufer 160 verbindet.
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Die Nutzturbine 161 ist auf einer Welle 162 gelagert, die mit der
Welle 159 der ersten Verdichterstufe fluchtet. Eine erste Brennkammer 163 stromauf
des Turbinenläufers 157 ist zusätzlich zu einer zweiten Brennkammer 164 stromab
des Läufers 157 vorgesehen. Die Nutzturbine 161 wird daher mit vergleichsweise heissen
Gasen gespeist und ist ebenso wie der
Läufer 157 aus Keramikwerkstoff
iiergestellt.
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Die Axialstufe 160 weist den letzten Läufer im Strömungsweg auf; stromab
dieses Läufers ist ein Wärmetauscher 165 angeordnet. Sin Getriebezug 166 ruit einem
Wachselgetriebe 167 ermöglicht eine Leistungsübertragung von der Welle 159 auf die
Welle 158. An der Itutzturbine 161 sind verstellbare Leitschaufeln 169 vorgesehen.
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Die Keramikläufer 157 und 161 sind aus den weiter oben bereits erläuterten
Gründen als radial durchströmte Einheiten ausgebildet. Dadurch wird eine sehr kompakte
Anordnung ermögliciit, wobei beide Läufer in ein kompaktes gemeinsames aus Keramik
hergestelltes oder mit Keramik ausgekleidetes Gehäuse eingesetzt werden können.
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L e e r s e i t e