DE2743111C2

DE2743111C2 - Fahrzeug-Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE2743111C2
Application number: DE2743111A
Authority: DE
Inventors: Sven-Olof Prof. Lomma Kronogård
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-09-24
Filing date: 1977-09-24
Publication date: 1986-04-17
Also published as: DE2743111A1; JPS5344711A; US4172361A; SE410331B; IT1089890B; SE7610577L; GB1566630A; FR2365692A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeug-Gasturbinenanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei Fahrzeug-Gasturbinenanlagen treten unter verschiedenen Betriebsbedingungen erhebliche Änderungen der Anströmrichtung und der Geschwindigkeit der Gasströmung auf. Zuweilen treten dabei auch Überschallströmungen auf, die erhebliche Belastungen auf die einzelnen Leitschaufeln im Leitring ebenso wie auf das gesamte Schaufelgitter als Einheit ausüben, wobei sich Probleme in der Abstimmung der Bauteile untereinander ergeben, wenn ein Strömungsführungsteil die Abströmung aus einem vorgeschalteten Teil erhält

Eine Fahrzeug-Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art ist aus der GB-PS 12 04 321 bekannt. Bei dieser bekannten Gasturbinenanlage verlaufen die Vorderkanten der Leitschaufeln vom radial inneren Ende zum radial äußeren Ende entlang einer im wesentlichen geraden Linie, die mit der Radialebene einen Winkel zwischen ca. 11° (Fig.50) und ca. 54° (Fig.58) einschließt. Dort ist das radial äußere Ende von der durch das radial innere Ende verlaufenden Radialebene gegen die Strömungsrichtung beabstandet Das bedeutet, daß bei dieser Gasturbinenanlage das radial äußere Ende jeder Leitschaufel in einer Radialebene liegt, die vom Gas zuerst angeströmt wird, d. h. die in Strömur.gsrichtung hinter einer zweiten Radialebene liegt die durch das radial innere Ende der Leitschaufeln verläuft Das radial innere Ende jeder Leitschaufel wird also erst nach dem radial äußeren Ende vom Gas angeströmt.

Bei einer Fahrzeug-Gasturbinenanlage mit einem getrennten NutzturbinenlSafer wandelt dieser beim Start und bei der Beschleunigung des Fahrzeuges oder im Leerlauf bei stehendem Fahrzeug keine Energie aus der Gasströmung in ein Drehmoment um. Das Gas verläßt daher insbesondere bei blockiertem Nutzturbinenläufer und voller Brennstoffzufuhr die Rotorschaufel des Nutzturbinenläufers mit einer Geschwindigkeit, die erheblich höher liegt als die im Normalbetrieb erzielten Geschwindigkeiten, und gleichzeitig mit hohem Drall und demzufolge mit hohen Verlusten.

Deshalb liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Leitschaufeln des nachgeschalteten Leitringes derartig und mit solchen Vccderkanten auszubilden, daß sie den Temperatuibelastungen und Schwingungen widerstehen können und eine Strömungsausrichtung mit hohem Wirkungsgrad bzw. mit geringen Verlusten gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gelöst

Es ist jedoch auch möglich, diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 2 zu lösen.

Die Vorderkante jeder Leitschaufel kann also derart ausgebildet sein, daß sie von dem radial inneren Ende der Leitschaufel in Anströmrichtung der Gase bis zum radial äußeren Ende der Leitschaufel geneigt ist. Die Vorderkante kann jedoch auch U-förmig ausgebildet sein; also in Anströmrichtung der Gase vom radial inneren Ende ebenso wie vom radial äußeren Ende ausgehend geneigt sein.

Unabhängig davon, ob die Vorderkante jeder Leitschaufel vom radial inneren Ende ausgehend geneigt ausgebildet ist, oder ob die Vorderkante jeder Leitschaufel sowohl vom radial inneren als auch vom radial äußeren Ende ausgehend geneigt ausgebildet ist, kann bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Fahrzeug-Gasturbinenanlage jede Leitschaufel einen ersten Abschnitt mit der Vorderkante und einen zweiten Abschnitt aufweisen, wobei eine Einrichtung zum stationären Halten des zweiten Abschnittes und zur Winkclvcrstellung des ersten Abschnittes vorgesehen sein kann.

Mit der erfindungsgeinäßen Fahrzeug-Gasturbinenanlage werden die Vorteile erzielt, daß Temperaturbelastungen und Schwingungen keine Probleme darstellen, und daß eine Ausrichtung der Gasströmung mit geringen Verlusten gewährleistet wird. Dadurch ergibt sich ein vergleichsweise hoher Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Fahrzeug-Gasturbinenanfage. Außerdem werden Probleme Im Bereich des auslaßseitigen Leitringes der Fahrzeug-Gasturbinenanlage, bei der die Nutzturbine gelegentlich blockiert ist, während an ihrem Stator unterschiedliche Gasdurchsetze auftreten, vermieden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 schematisch vereinfacht eine Gasturbinenanlage mit einem Gaserzeugerteil und einer separaten Gasturbine,

F i g. 2 in einer schaubildlichen Darstellung die Änderungen der Geschwindigkeit und der Richtung der Gas-Strömung hinter einer Rotorschaufel des Nutzturbinenrotors,

F i g. 3 und F i g. 4 zwei Seitenansichten erfindungsgemäßer Leitschaufeln,

Fig.5 einen Schnitt entlang der Schnittlinie V-V in Fig. 4,

F i g. 6 einen Querschnitt durch einen abschnittweise dargestellten Leitring mit gegen Axialebenen geneigten Leitschaufeln, und

F i g. 7 einen Querschnitt durch abschnittweise dargestellte Leitringe mit gegen Axialebenen verschieden gebogenen Leitschaufeln.

In Fi g. 1 ist schematisch stark vereinfacht eine Fahrzeug-Gasturbinenanlage veranschaulicht, die einen Verdichter 10, einen ersten Turbinenrotor 11 zum Antrieb des Verdichters 10 und einen zweiten Turbinenrotor 12 aufweist, der mit der Antriebswelle 13 verbunden ist. Der Gaserzeugerteil weist weiterhin eine Brennkammer 16 und eine Brennstoff-Zufuhrvorrichtung mit einem Regler oder einer Drossel 17 auf.

Die Antriebswelle ist an ein insgesamt mit 18 bezeichnetes Getriebe angeschlossen, welches das Drehmoment der Welle 13 auf die Antriebsräder des Fahrzeugs überträgt. Die Gasströmung durch die Turbine wird /war mittels des Reglers 17 eingestellt, jedoch treten auch Fäiie auf, in denen das Fahrzeug ohne entsprechende Regulierung am Regler 17 abgebremst und zum Stillstand gebracht wird, mit der Folge, daß der mit den Rädern verbundene Nutzturbinenrotor 12 ebenfalls zum Stillstand gebracht wird. Es liegt auf der Hand, daß die Gasturbinenanlage auch mehr Rotoren aufweisen kann, als dargestellt sind, wobei diese Rotoren dann in üblicher Weise durch geeignete Getriebe miteinander verbunden sind, welche eine Leistungsverteilung auf die Rotoren ermöglichen. Solche leistungsübertragenden Getriebe sind bekannt und ermöglichen, daß der Gaserzeugerteil unabhängig von der Nutzturbine läuft, also auch bei Stillstand der Nutzturbine weiterlaufen kann.

Einstellbare Leitschaufeln 14 üblicher Bauart sind zwischen dem Rotor 11 der Verdichtungsturbine und dem Rotor 12 der Nutzturbine eingeschaltet. Hinter dem Nutzturbinenrotor 12 ist ein Leitring 15 vorgesehen, dessen Leitschaufeln im Zusammenhang mit F i g. 4 noch näher erläutert werden. Wenn der Nutzturbinenrolor 12 die letzte Turbinenstufe darstellt, ist es wichtig, die hohe Geschwindigkeit der Abgase bei niedriger Fahrzeuggeschwindig'n^it oder bei Fahrzeugstillstand /u beachten und zu versuchen, diese Geschwindigkeitsenergie auf optimaler Weise in Druckenergie umzuwandeln, was bei bekannten Bauarten nidit möglich ibt. Die Erfindung hingegen schafft neue Möglichkeiten zur Erhöhung der Auslaßgeschwindigkeit und des Anlaßdrehmoments selbst bei blockiertem Nutzturbinenrotors.

In Fig.2 sind die Unterschiede der relativen Geschwindigkeit und der Richtung der Gase hinter einer Laufschaufel 20 des Nutzturbinenrotors 12 veranschaulicht. Der Pfeil 21 veranschaulicht dabei die Zustände bei voller Betriebsgeschwindigkeit, wobei die Strömung im wesentlichen axial gerichtet ist und die Geschwindigkeit unterhalb der Schallgeschwindigkeit liegt (M <\). Wenn der Nutzturbinenrotor 12 blockiert ist, wird die Richtung 22 der Abströmung durch die stehende Laufschaufel 20 bestimmt, wobei die Geschwindigkeit gegenüber üblicher Betriebsgeschwindigkeit deutlich erhöht ist und häufig im Überschallbereich liegt (M >1). Zwischen diesen beiden Grenzen besteht eine Vielzahl von Strömungszuständen in Abhängigkeit von der Verzögerung des Nutzturbinenroto¹: und der gleichzeitigen Gasströmung vom Gaserzeuger'eil aus. Diese hohen Abströmgeschwindigkeiten setzen die Leitschaufeln hohen Belastungen aus, und zwar sowohl thermischen als auch mechanischen infolge auftreffender Schockwellen.

Die Laufschaufel eines Rotors oder die Laufschaufel eines Leitringes ist häufig vom Schaufelfuß bis zur Schaufelspitze verwunden, was bedeutet, daß eine solche Schaufel in einer schematischen Zeichnung eine geringfügig verlängerte Vorderkante aufweist. Dies kann auch eine Folge einer Verjüngung der Schaufel in dem Bestreben der Verminderung des Querschnitts einer Laufschaufel zur Schaufelspitze hin sein, wo die Zentrifugalkräfte am stärksten wirken. Eine solche Neigung der Vorderkante der Schaufel liegt in der Regel in der Größenordnung von etwa 2° bis 6° and hat keinen merklichen Einfluß auf die Eigenschaften der Schaufel in ihrer Einwirkung auf die Gasanströmung.

Wie aus F i g. 3 ohne weiteres ersichtlich ist, kann eine erfindungsgemäße Leitschaufel 30 so ausgebildet wer-C;n, daß die Vorderkante 31 in einem Winkel α in Strömungsrichtung der Gase vom radial inneren Ende zum radial äußeren Ende geneigt ist. Die geneigte Vorderkante läuft im wesentlichen gradlinig über fast die gesamte Schaufelhöhe. Der Neigungswinkel α kann im Bereich zwischen 20° und 60° gewählt werden, also erheblich größer als dies bei üblichen Leitschaufeln anzutreffen ist.

Gemäß Fig.4, die eine Schaufel im Leitring 15 gemaß Fig. 1 veranschaulicnt, weisen die einzelnen Leitschaufeln einen Vorderabschnitt 40 (winkeleinstellbar gehalten) und einen Abströmabschnitt 41 auf. Die Vorderkante 42 jeder Leitschaufel ist hier so ausgebildet, daß sie von einem radial inneren Ende und von einem radial äußeren E.ide in Richtung der Gasströmung geneigt ist. Hierdurch können hohe Neigungswinkel angewandt werden, ohne die Festigkeit der Leitschaufel herabzusetzen. Dadurch ergibt sich eine starke Reduktion der Strömungsverluste selbst bei großen Änderungen des Anströmwinkels.

In F i g. 3 ist gestrichelt eine Abwandlung veranschaulicht, bei der zwei stationäre Schaufelteile 30 und 3Ca vorhanden sind. Es liegt auf der Hand, daß auch hier der Vorderabschnitt ebenso wie der Vorderabschnitt 40 der Leitschaufel gemäß F i g. 4 einstellbar gehalten werden kann.

Der Abschnitt 40 kann gemäß Fig.4 in Strömungsrichtung verlängert werden, so daß ein stationärer Ab-

strömabschnitt ganz unterdrückt werden kann.

Wenn ein dritter Turbinenläufer hinter irgendeinem der vorstehend erläuterten Leitringe angeordnet ist. so können auch die Abströmabschnitte 30a oder 41 winkeleinstellbar gehalten werden, während stationäre Vorderabschnitte mit U-förmigen Vorderkanten vorgesehen sein können, die weniger empfindlich auf Strömungen im Überschallbereich reagieren.

In Fig. 5 ist ein Schnitt entlang der Linie V-V in F i g. 4 veranschaulicht. Die Vorderkante 42 des Vorderabschnitts 40 ist vom radial inneren Ende der Leitschaufel und vom radial äußeren Ende ausgehend geneigt, wodurch eine stärkere Neigung mit einem Winkel λ¹ Anwendung finden kann, und zwar eine stärkere Neigung als bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3, bei der die Vorderkante in einem Winkel λ über dem gesamten Bereich vom radial inneren Ende der Schaufel zum radial äußeren Ende geneigt ist.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. ό sind die Leitschaufeln 60 in Strömungsrichtung der Gase gegenüber die Läuferachse enthaltenen Axialebenen geneigt, was bedeutet, daß die Gasströmungen nach außen gedrängt wird. Diese Anordnung ist besonders zweckmäßig, wenn die Gasströmung im Leitring oder hinter dem Leitring in einer nach außen gebogenen Bahn strömen soll, da der Leitring die Strömung in der gebogenen Bahn nach außen ablenkt.

Dadurch, daß die einzelnen Leitschaufeln in einem in einer Radialebene verlaufenden Querschnitt gegen Axialebenen, die durch die Welle des Nutzturbinenrotors verlaufen, geneigt sind, ist es möglich, die Gasströmung weiter positiv zu beeinflussen und die Empfindlichkeit bei Überschallströmung mit hohen Machzahlen und bei Winkeländerungen der Anströmung am Einlaß des Leitringes herabzusetzen.

Bei den drei nebeneinander in F i g. 7 veranschaulichten Ausfuhrungsformen sind die einzelnen Leiischaufein 70. 70a bzw. 706 bezüglich einer Axialebene, welche die Leitschaufel und die Läuferachse enthält, gebogen. Dadurch weist die Gasströmung eine geringere Tendenz zum Abreißen auf, so daß die Empfindlichkeit gegenüber hohen Machzahlen und Anströmwinkelveränderungen vermindert und das Abienkungsvermögen dadurch erhöht wird, daß ein verstärkter Queraustausch von Grenzschichten insbesondere für eine wenig gestreckte Ausbildung im Sinne des Verhältnisses Höhe zu Breite der Leitschaufeln erfolgt.

Für stationäre Leitringe gemäß F i g. 6 und 7 in einer Turbine, deren Leitschaufeln eine geneigte Vorderkante aufweisen, wird eine hohe Flexibilität und ein hohes Widerstandsvermögen gegen Wärmespannungen erzielt. Desgleichen ergibt sich die Möglichkeit der Verwendung einer wirksamen Luftkühlung des Leitringes mit seinen Schaufeln vom inneren und/oder vom äußeren Lagerring aus. Die Leitschaufeln können ganz oder teilweise aus Keramikmaterial hergestellt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Fahrzeug-Gasturbinenanlage mit einem Kompressor, einem Turbinenrotor, der auf der den Kompressor antreibenden Welle angeordnet ist, einer Brennkammer, von der Gas zum Turbinenrotor geliefert wird, einem Nutzturbinenrotor, der auf einer Welle angeordnet ist, die von der den Kompressor tragenden Welle getrennt, aber zu dieser koaxial angeordnet ist, so daß das Gas vom Turbinenrotor des Kompressors axial zum Nutzturbinenrotor strömen kann, und mit einem Stator, der einen Leitring mit Leitschaufeln und eine Einrichtung zur Anordnung der Leitschaufeln im wesentlichen radial in einer Gasströmung hinter dem Nutzturbinenrotor aufweist, wobei jede Leitschaufel mit einer Vorderkante versehen ist, von der mindestens ein Hauptteil gegenüber einer zur Welle des Nutzturbinenrotors senkrechten Radialebene geneigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderkante(31) jeder Leitschaufel (30) vom radial inneren Ende zum radial äußeren Ende entlang einer im wesentlichen geraden Linie verläuft, die mit der Radialebene einen Winkel (d) zwischen 20° und 60° einschließt, wobei das radial äußere Ende vpn der durch das radial innere Ende verlaufenden Radialebene in Strömungsrichtung beabstandet ist.

2. Turbinenaniage nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderkante (42) dt. Leitschaufeln (40) sowohl vom radial inneren Ende als auch vom radial äußeren Ende zur Erzielung eines im wesentlichen U-förmigen Profils gegen eine durch mindester·* ein Ende verlaufende Radialebene geneigt ist, wobei der Neigungswinkel (a^!) in der Nachbarschaft des radial inneren Endes und in der Nachbarschaft des radial äußeren Endes zwischen 20° und 60° beträgt und der Mittelbereich der Vorderkante (42) der Leitj;haufeln (40) in Strömungsrichung von der Radialebene beabstandet ist.

3. Turbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Leitschaufeln (60) in einem in einer Radialebene verlaufenden Querschnitt gegen Axialebenen, die durch die Weile des Nutzturbinenrotors verlaufen, geneigt sind.

4. Turbinenaniage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Leitschaufeln (70) in einem in einer Radialebene verlaufenden Querschnitt gegen die durch die Welle des Nutzturbinenrotors verlaufenden Axialebenen gebogen sind.

5. Turbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Leitschaufel einen ersten Abschnitt (30: 40) mit der Vorderkante (31; 42) und einen zweiten Abschnitt (30a; 41) aufweist, und daß eine Einrichtung zum stationären Halten des zweiten Abschnittes (30a; 41) und zur Winkelverstellung des ersten Abschnittes (30; 40) vorgesehen ist.