DE3042858A1

DE3042858A1 - Gasturbine

Info

Publication number: DE3042858A1
Application number: DE19803042858
Authority: DE
Inventors: Tousaku Yokohama Kanagawa Takamura
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1979-11-14
Filing date: 1980-11-13
Publication date: 1981-06-11
Also published as: US4391566A; GB2065786A; FR2469563B1; DE3042858C2; JPS5672206A; FR2469563A1; GB2065786B

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
5

Es ist bekannt, daß eine Gasturbine zwei Arbeitsbereiche, nämlich einen Bereich zur Erzeugung eines unter hohem Druck stehenden und eine hohe Temperatur aufweisenden Verbrennungsgases und einen Antriebsbereich umfaßt, der einen Turbinenläufer aufweist, der durch die unter hohem Druck stehenden Verbrennungsgase gedreht wird, die von dem ersten zu dem zweiten Bereich überführt werden. Zur Ermöglichung einer Gasabgabe in Umfangsrichtung des Antriebsbereiches umfaßt eine Gasturbine im übrigen einen Diffusor mit inneren und äußeren, konzentrischen Wänden, Die inneren und äußeren Wände des Diffusors weisen einen radialen Abstand voneinander, bezogen auf die gemeinsame Mittelachse auf und bilden in dem entstehenden Zwischenraum eine Diffusor-Kammer mit axial einander gegenüberliegendem Einlaß und Auslaß, Die äußere Wand des Diffusors weist im allgemeinen eine kegelstumpfförmige äußere Fläche auf und erweitert sich somit von dem Einlaß zum Auslaß. Die äußere Wand erstreckt sich axial in eine Abgas-Sammelkammer, die einen Auslaß aufweist, der im wesentlichen senkrecht zu der gemeinsamen Achse der inneren und äußeren Wand des Diffusors gerichtet ist. Die Verbrennungsgase, die aus dem Antriebsbereich abgegeben werden, strömen durch die Diffusor-Kammer und werden durch die Sammelkammer an die Umgebung abgegeben.

Bei einer bekannten Anordnung aus Diffusor und Abgas-Sammelkammer dieser Art bildet der Strom der Verbrennungsgase beim Übergang von der Diffusor-Kammer in die Abgas-Sammelkammer große Wirbel in der Sammelkammer. Die auf diese Weise in der Sammelkammer gebildeten Wirbel vergrößern sich bei der Bewegung der Abgase in Richtung des Auslasses der Sam-

130024/0748

TER MEER · MÜLLER · STEINMEiSTER

Nissan

melkammer. Der Atmosphärendruck, der als statischer Druck am Auslaß der Sammelkammer herrscht, tritt daher in die Mittelbereiche oder "Augen" der einzelnen Wirbel ein und gelangt damit tief in die Sammelkammer. Im übrigen werden in den äußeren Umfangsbereichen der Wirbel erhöhte Gasdrücke aufgrund der Zentrifugalkräfte erzeugt. Aufgrund dieser erhöhten Gasdrücke steigt der Druck am Auslaß und folglich auch am Einlaß der Diffusor-Kammer über den Wert des Atmosphärendruckes an. Dies führt zu einem erhöhten Gegendruck in dem Antriebsbereich der Gasturbine, durch den die Leistungsabgabe beeinträchtigt wird.

Die Erfindung ist auf die Überwindung dieser bei bekannten Gasturbinen im Bereich des Diffusors und der Sammelkammer auftretenden Schwierigkeiten gerichtet.

Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs.

Die erfindungsgemäße Lösung gestattet es, die Bildung von Wirbeln in der Abgas-Sammelkammer einer Gasturbine zu unterdrücken .

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt eine Gasturbine einen Diffusor mit einer inneren und einer äußeren Wand mit gemeinsamer Mittelachse und radialem Abstand, zwischen denen eine Diffusor-Kammer mit ringförmigem Querschnitt und axial gegenüberliegendem Einlaß und Auslaß gebildet wird. Die äußere Wand weist eine im wesentlichen kegelstumpfförmige äußere Ümfangsfläche auf und erweitert sich in ihrem Durchmesser von dem Einlaß zu dem Auslaß der Diffusor-Kammer. Ein feststehendes Gehäuse, das im Inneren den Diffusor aufnimmt, bildet eine Abgas-Sammelkammer um die äußere Wand des Diffusors herum und weist einen Auslaß auf, der im wesentlichen senkrecht zu der gemeinsamen Mittelachse der inneren und äußeren

130024/0748

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Nissan

Wand des Diffusors gerichtet ist. Ein Stabilisator mit wenigstens einer Strömungsführung erstreckt sich auf der äußeren Umfangsfläche der äußeren Wand des Diffusors und bogenförmig oder kreisförmig um die gemeinsame Mittelachse der inneren und äußeren Wand des Diffusors gekrümmt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Strömungs-Stabilisator zwei Rippen zur Bildung der Strömungsführungen. Die beiden Rippen erstrecken sich bogenförmig über die äußere Umfangsfläche der äußeren Wand des Diffusors und sind vorzugsweise nymmetrisch zu einer Ebene angeordnet, die durch die gemeinsame Mittelachse der inneren und äußeren Wand des Diffusors verläuft und in Richtung des Gas-Auslasses der Sammelkammer gerichtet ist.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird der Strömungs-Stabilisator durch einen ringförmigen Flansch gebildet, der sich av¹" der äußeren Wand des Diffusors befindet und diesen auf dem Umfang an seinem axialen Auslaß-Ende umgibt und dort radial nach außen vorspringt.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert,

Fig. 1A ist ein Längsschnitt durch eine bekannte Anordnung aus Diffusor und Abgas-Sammelkammer einer Gasturbine;

Fig. 1B ist ein Querschnitt entlang der Linie I-I in Figur 1A;

Fig. 2A ist eine Draufsicht auf die bekannte Anordnung gemäß Figur 1A und 1B und veranschaulicht schematisch die Wirbelbildung in der Sammelkammer;

130024/0748

ORIGINAL INSPECTED

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Nissan

Fig. 2B entspricht Fig. 1B, zeigt jedoch die

Wirbelbildung in der Sammelkammer der Fig. 2 A;

Fig. 3A ist ein Längsschnitt durch eine Aus-

führungsform der erfindungsgemäßen Anordnung aus Diffusor und Sammelkammer;

Fig. 3B ist ein Querschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 3A;

Fig. 4A entspricht Fig. 3A, zeigt jedoch eine

andere Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4B ist ein Querschnitt entlang der Linie

IV-IV in Fig. 4A.

In Figur 1A und 1B ist eine bekannte Anordnung aus Diffusor und Abgas-Sammelkammer gezeigt, die sich hinter dem Antriebsbereich der Gasturbine in einem feststehenden Gehäuse 10 befinden. Der Antriebsbereich umfaßt innere und äußere Wände 11,12, die in radialem Abstand zueinander liegen und eine erste Diffusor-Kammer bilden. Die inneren und äußeren Wände 11 und 12 sind miteinander durch feststehende, im Winkel veränderliche, gekrümmte Schaufeln 13 verbunden, die sich am stromabwärtigen Ende der ersten Diffusor-Kammer befinden und eine Vielzahl von Turbinen-Düsen zwischeneinander bilden.

Das Gehäuse 10 umfaßt einen zylindrischen Wandabschnitt 14, der axial in Richtung des rückwärtigen Endes der inneren Wand 14 vorspringt. Der Wandabschnitt 14 ist mit einer axialen Bohrung 15 versehen, die an einem Ende hinter dem rückwärtigen Ende der inneren Wand 11 und am anderen Ende an der Rückseite des Wandabschnitts 14 offen ist. Eine Turbinen-Ausgangswelle 16 erstreckt sich axial durch diese Boh-

130024/0748

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Nissan

rung 15 und ist in Lagern 17 und 18 innerhalb der Bohrung 15 abgestützt. Eines der Lager 17 und 18 befindet sich angrenzend an das rückwärtige Ende der Bohrung 15, während das andere in der Nähe des vorderen Endes der Bohrung liegt. Die Ausgangswelle 16 ragt in Axialrichtung aus der Bohrung 15 in Richtung der inneren Wand 11 hinaus und weist im übrigen eine rückwärtige Verlängerung auf, die beispielsweise zur Aufnahme eines nicht gezeigten Zahnrades eines Reduktionsgetriebes oder dergleichen dient.

Zwischen dem rückwärtigen Ende der inneren Wand -11 und dem vorderen Ende des Wandabschnitts 14 befindet sich ein scheibenförmiger Turbinenläufer 19, der eine Anzahl von gekrümmten Schaufeln 20 auf dem Umfang trägt. Der Turbinenläufer 19 ist fest auf der Ausgangswelle 16 mit Hilfe eines Zentrierbolzens 21 angebracht und daher um die Achse der Ausgangswelle 16 drehbar. Die Schaufeln 20 auf dem Turbinenläufer 19 befinden sich hinter den Schaufeln 13 auf der inneren und äußeren Wand 11 und 12. Während des Betriebs der Turbine treten die unter hohem Druck stehenden, heissen Verbrennungsgase in den Antriebsbereich ein und treffen gegen die feststehenden Schaufeln 13, durch die sie gegen die Schaufeln 20 des Turbinenläufers 19 gelenkt werden. Der dadurch entstehende hohe Druck der Gase, der auf die Flügel 20 des Turbinenläüfers 19 auftrifft, bewirkt eine rasche Drehung des Turbinenläufers 19 um die Achse der Ausgangswelle 16, so daß die Ausgangswelle 16 gedreht wird.

Eine Lagerhaiterung 22 gemäß Figur 1A ist fest an der vorderen Oberfläche des Wandabschnitts 14 angebracht und dient zum Festhalten des Lagers 18 mit Hilfe eines ringförmigen Distanzstückes. Mit 23 ist eine mechanische Gleitdichtung bezeichnet, die sich zwischen der Lagerhaiterung 22 und dem vorderen Endbereich der Ausgangswelle 16 befindet. 35

Zur Ermöglichung einer Abgabe der Verbrennungsgase aus dem

130024/0748

TER MEER · MÖLLER · STEINMEISTER Nissan

Antriebsbereich in Umfangsrichtung umfaßt die Gasturbine weiterhin einen Abgas-Diffusor, der gebildet wird durch eine innere Wand 24 und eine äußere Wand 25. Die innere Wand 24 ist im dargestellten Beispiel als ein Teil einer wärmeisolierenden Schicht 26 ausgebildet, die die äußere ümfangsflache des zylindrischen Wandabschnitts 14 des Gehäuses 10 umgibt und die inneren Wandflächen des Gehäuses 10, die eine Abgas-Sammelkammer 27 bilden, abdeckt.

Die innere Wand 24 des Diffusors weist eine äußere Umfangsflache auf, die sich nach rückwärts vom vorderen Ende des zylindrischen Wandabschnitts 14 des Gehäuses 10 erweitert. Andererseits weist die äußere Wand des Diffusors 25 die Form eines Kegelstumpfes auf, der sich nach rückwärts von den Schaufeln 20 des Turbinenläufers 19 aus erweitert und mit dem im Durchmesser geringeren vorderen Ende fest an dem Gehäuse 10 angebracht ist. Die innere und äußere Wand 24, 25 des Diffusors weisen somit eine gemeinsame Mittelachse auf, die mit der Mittelachse der Ausgangswelle 16 zusammenfällt. Die Wände sind im übrigen in radialem Abstand zueinander angeordnet, so daß sie eine Diffusor-Kammer 28 mit ringförmigem Querschnitt einschließen. Die Diffusor-Kammer weist einen axial gegenüberliegenden Einlaß und Auslaß auf. Der vordere Einlaß liegt unmittelbar an der Rückseite der Schaufeln 20 des Turbinenläufers 19, und der rückwärtige Auslaß befindet sich am rückwärtigen Ende der äußeren Wand 25.

Die äußere Wand 25 erstreckt sich in die Abgas-Sammelkammer 27, die die äußere Wand 25 teilweise umgibt, so daß die Diffusor-Kammer 28 nach rückwärts in Richtμng der Sammelkammer 27 durch den Auslaß offen ist. Die Sammelkammer 27 weist einen Abgas-Auslaß 29 auf, der zur Umgebung offen ist und im wesentlichen senkrecht zu der gemeinsamen Mittelachse der inneren und äußeren Wand 24 und 25 gerichtet ist, wie aus Figur 1A und 1B hervorgeht.

130024/0748

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Nissan

- 10 -

Bei einer derartigen Anordnung aus Diffusor und Sammelkammer bildet der Strom der Verbrennungsgase, die aus der Diffusor-Kammer 28 in die Sammelkammer 27 beim Betrieb der Gasturbine austreten, eine Anzahl von großen Wirbeln in der Sammelkammer 27, die mit F in Figur 2A und 2B bezeichnet sind. Die Wirbel F in der Sammelkammer 27 wachsen bei der Bewegung in Richtung des Auslasses 29 der Sammelkammer 27. Der Atmosphärendruck, der als statischer Druck an dem Auslaß 29 der Sammelkammer 27 herrscht, tritt daher in die Mittelbereiche der einzelnen Wirbel F ein und erstreckt sich damit weit in das Innt der SammelVammer 27 hinein.

Im übrigen werden im größeren ümfangsbereich der Wirbel F aufgrund der Zentrifugalkräfte erhöhte Drücke erzeugt. Diese erhöhten Gasdrücke in den äußeren Bereichen der Wirbel F führen ~u einer Erhöhung des Gasdruckes am Auslaßende und damit auch am Ei. ßende der Diffusor-Kammer 28. Der Gasdruck am Einlaß der Diffusor-Kammer 28 ist somit höher als der Atmosphärendruck, so daß ein erhöhter Gegendruck im Antriebsbereich der Turbine entsteht. Dies führt zu einer Verringerung der Leistungsabgabe der Turbine, Die Erfindung befaßt sich mit einer Überwindung der bei den Ausführungen gemäß Figur 1A und 1B auftretenden, zuvor geschilderten Schwierigkeiten.

Figur 3A, 3B, 4A und 4B zeigen Aus^ührungsformen einer erfindungsgemäßen Anordnung aus Diffusor und Abgas-Sammelkammer. Es soll davon ausgegangen werden, daß diese erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele in ihrer Gesamtkonstruktion den herkömmlichen Anordnungen gemäß Figur 1A und 1B ähnlich sind. Es werden daher weitgehend gleiche Bezugsziffern verwendet, sofern gleiche oder entsprechende Teile vorgesehen sind.

Bei den Ausführungsformen gemäß Figur 3A bis Figur 4B sind

130024/0748

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER

Nissan

- 11 -

zusätzlich Strömungs-Stabilisatoren vorgesehen, die aus wenigstens einer Strömungsführung bestehen, die sich über die äußere Umfangsflache der äußeren Wand 25 des Diffusors erstreckt und bogenförmig oder kreisförmig um die gemeinsame Mittelachse der inneren und äußeren Wand 24 und 25 gekrümmt ist.

Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3A und 3B ist ein Strömungs-Stabilisator vorgesehen, der zwei Rippen 30 und 30' umfaßt, die sich bogenförmig über die äußere Umfangsflache der äußeren Wand 25 des Diffusors erstrecken. Die Rippen 30 und 30' sind im wesentlichen symmetrisch in bezug auf eine in Figur 3B mit P bezeichnete Ebene angeordnet, die durch die gemeinsame Mittelachse (C in Figur 3A) der Wände 24 und 25 des Diffusors verläuft und in Richtung auf den Abgas-Auslaß 29 der Sammelkammer 27 gerichtet ist. Die beiden Rippen 30 und 30' weisen vorzugsweise äußere umfangsflachen auf, die einen Krümmungsradius besitzen, der nach und nach in Richtung des Auslasses 29 der Sammelkammer 27 abnimmt, wie aus Figur 3B hervorgeht, und die Rippen erstrecken sich in einer Ebene, die unter einem vorgegebenen Winkel, der in Figur 3A mit θ bezeichnet ist, in bezug auf die gemeinsame Mittelachse C der Wände 24 und 25 geneigt ist. Experimente haben gezeigt, daß der Winkel θ im Bereich von etwa 90 bis etwa 55° liegen sollte.

Bei Anbringung der Rippen 30 und 30' auf der äußeren Umfangsfläche der äußeren Wand 25 des Diffusors werden die Verbrennungsgase, die in die Abgas-Sammelkammer 27 aus der Diffusor-Kammer 28 eintreten, durch die Rippen in Richtung des Auslasses 29 der Sammelkammer 27 geführt, so daß eine Bildung von Wirbeln F gemäß Figur 2A und 2B verhindert wird. Folglich tritt der statische Atmosphärendruck am Auslaß 29 der Sammelkammer 27 nicht in das Innere der Sammelkammer 27 ein. Da keine Druckdifferenz besteht, die andernfalls zwischen dem Mittelbereich und dem Umfangsbereich der Wir-

130024/0748

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Nissan

- 12 -

bei gebildet würde, kann der statische Druck am Gas-Auslaß der Diffusor-Kammer 28 auf einem unter Atmosphärendruck liegenden Wert gehalten werden, so daß der Gegendruck im Antriebsbereich der Turbine erheblich verringert wird. Die Reduktion des Gegendruckes im Antriebsbereich führt zu einer Erhöhung der Druckausbeute durch die Turbine.

Bei der Ausfuhrungsform gemäß Figur 4A und 4B besteht der Strömungsstabilisator in einem ringförmigen Flansch 31 auf dem Umfang des axial-rückwärtigen Endes der Wand 25 des Diffusors. Der Flansch 31 springt radial vom rückwärtigen Ende der Wand 25 oder der Diffusor-Kammer 28 im wesentlichen unter rechtem Winkel in bezug auf die gemeinsame Mittelachse C in Figur 4A nach außen vor. Es liegt auf der Hand, daß der Strömungs-Stabilisator in der Form dieses ringförmigen Flansches 31 auf der äußeren Diffusor-Wand 25 im wesentlichen in gleicher Weise wie die Rippen 30 und 30' gemäß Figur 3A und 3B wirkt. Zusätzlich zu diesem Effekt bewirkt der ringförmige Flansch 31 gemäß Figur 4A und 4'B eine Kostenreduzierung der Gasturbine, da der Flansch als zusammenhängendes Teil der Diffusor-Wand 25 ausgebildet sein kann.

Erfindungsgemäß kann daher die Bildung von Wirbeln in der Abgas-Sammelkammer einer Turbine reduziert werden, so daß die Druckausnutzung durch die Turbine verbessert wird, indem Stabilisatoren einfacher Art vorgesehen werden. Da die Druckausbeute durch die Turbine durch die einfache Verwendung wenigstens einer Strömungsführung am äußeren Umfang der äußeren Diffusor-Wand steigt, können die axialen Abmessungen des Diffusors verringert werden, ohne daß die Leistungsabgabe der Turbine beeinträchtigt wird. Damit werden Größe und Gewicht der Gasturbine insgesamt verringert.

130024/0748

Claims

PATE NTAN WALTE

TER MEER-MULLER-STEINMEISTER

Beim Europäischen Patentamt zugelassene Vertreter — Professional Representatives before the European Patent Office Mandatalres agrees pres !'Office europeen des brevets

Dipl.-Chem. Dr. N, ter Meer Dipl.-Ing. H. Steinmeister

TÄSee ί ^{MÜIler siekerwa!l} ⁷>

D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1

1-0345-007

St/ri ^!\:\ MjV V^

NISSAN MOTOR COMPANY, LTD.

No. 2, Takara-cho, Kanagawa-ku,

Yokohama-shi, Kanagawa-ken, Japan

GASTURBINE

PRIORITÄT: 14. November 1979, Japan, No, 146444/1979

PATENTANSPRÜCHE

Gasturbine mit einem Diffusor, der eine innere und eine äußere, in radialem Abstand liegende und eine gemeinsame Mittelachse aufweisende Wand umfaßt, welche Wände eine Diffusor-Kammer mit ringförmigem Querschnitt sowie einem Einlaß und einem Auslaß an den gegenüberliegenden axialen Enden bilden, wobei die äußere Wand eine im wesentlichen kegelstumpfförmige äußere ümfangsfläche aufweist und sich in ihrem Durchmesser von dem Einlaß zu dem Auslaß der Diffusor-Kammer erweitert, und mit einem feststehenden Gehäuse, das den Diffusor aufnimmt und eine Abgas-Sammelkammer bildet, die die äußere Wand des Diffusors umgibt und einen im wesentlichen

130024/0748

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Nissan

ringförmigen Flansch (31) umfaßt, der auf der äußeren Wand (25) des Diffusors in deren Ümfangsrichtung am axialen Ende der Diffusor-Kammer (28) vorgesehen ist und radial nach außen vorspringt. 5

8. Gasturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (31) im wesentlichen unter rechtem Winkel in bezug auf die Mittelachse (C) von der äußeren Wand (25) nach außen vorspringt. 10

130024/0748

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER Nissan

senkrecht zu der gemeinsamen Mittelachse gerichteten Auslaß aufweist, gekennzeichnet durch einen Strömungs-Stabilisator, der wenigstens eine Strömungsführung (30,30',31) umfaßt, die sich über die äußere Umfangsfläche der äußeren Wand (25) erstreckt und um die gemeinsame Mittelachse (C) gekrümmt ist,
2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungs-Stabilisator zwei Rip- pen (30,3O¹) als Strömungs-Führung umfaßt, die sich bogenförmig über die äußere ümfangsflache der äußeren Wand (25) erstrecken.
3. Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η -

zeichnet, daß die Rippen (30,30') im wesentlichen symmetrisch zu einer Ebene durch die Mittelachse (C) angeordnet sind, die sich in Richtung des Auslasses (29) der Sammelkammer (27) erstreckt.
4. Gasturbine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (30,30') äußere Umfangsflachen mit einem Krünunungsradius aufweisen, der in Richtung des Auslasses (29) der Sammelkammer (27) nach und nach verringert ist.
5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rippen (30,30") in einer Ebene erstrecken, die unter einem vorgegebenen Winkel in bezug auf die Mittelachse (C) geneigt ist.
6. Gasturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (Θ) im Bereich von etwa 90 bis etwa 55° liegt.
7. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungs-Stabilisator einen

130024/0748