DE3042858C2

DE3042858C2 - Gasturbine

Info

Publication number: DE3042858C2
Application number: DE3042858A
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: 1982-09-02
Also published as: US4391566A; GB2065786A; GB2065786B; DE3042858A1; FR2469563B1; FR2469563A1; JPS5672206A

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

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 Verbrennungsjijiise 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 nidialen Abstand voneinander, bezogen auf die gemeinsame Mittelachse auf und bilden in dem entstehenden Zwischenraum eine Diffusor-Kammer mit anial 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 iiußere Wand erstreckt sich axial in eine Abgas-Samnrielkammer, 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 Difffisor-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 Sammelkammer. 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 Urnfangsbereichen der Wirbel erhöhte Gasdrücke aufgrund der Zentrifugalkräfte erzeugL 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.

Zur Unterdrückung der Wirbelbildung ist es beispielsweise aus der GB-PS 14 54 861 bekannt, am Übergang von der Diffusor-Kammer in die Abgas-Sammelkammer Strömungsbleche vorzusehen, durcl. die der Auslaß der Diffasor-Kammer trompetenförmig erweitert und eine Ablösung der Strömung von den Diffusor-Wänden so lange hinausgezögert wird, bis die Strömungsgeschwindigkeit aufgrund des erweiterten Querschnitts merklich abgenommen hat, so daß die Wirbel weniger ausgeprägt sind.

Damit mit Hilfe dieser Anordnung die Wirbelbildung wirksam unterdrückt wird, darf die Erweiterung der Diffusor-Kammer an ihrem Auslaßbereich jedoch nicht zu abrupt erfolgen. Diese Anordnung bedingt daher eine verhältnismäßig große axiale Länge der Diffusor-Kammer und damit der gesamten Gasturbine.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer gattungsgemäßen Gasturbine eine Wirbelbildung am stromabwärtigen Ende des Diffusors zu unterdrücken, ohne daß hierzu eine Vergrößerung der axialen Abmessungen der Turbine in Kauf genommen werden muß.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs.

Eine erfindungsgemäße Gasturbine umfaßt in einer bevorzugten Ausführungsform einen Diffusor mit einer inneren und einer äußeren Wand mit gemeinsamer Mittelachse und radialem Abstand, zwischen denen eine Diffusor-Kammer mit einem ringförmigen Querschnitt und axial gegenüberliegendem Einlaß und Auslaß gebildet wird. Die äußere Wand weist eine im wesentlichen kegelstumpfförmige äußere Umfangsfläche 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 Wand des Diffusors gerichtet ist. Ein Stabilisator mit wenigstens einer Strömungsführung erstreckt sich auf der äußeren Umfangsfläche der äußeren Wand des Diffusors und ist bogenförmig oder kreisförmig um die

gemeinsame Mittelachse der inneren und äußeren Wand des Diffusors gekrümmt

Bevorzugt umfaßt der 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 symmetrisch zu einer Ebene angeordnet, die durch die gemeinsame Mittelachse der inneren und äußeren Wand des Diffusors verläuft und in Richtung des Gas-Auslasses der Sammelkammcr gerichtet ist.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert

F i g. 1 ist ein Längsschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung aus Diffusor und Sammelkamm :r, und

Fig.2 ist ein Querschnitt entlang der Linie IH-IlI in Fig. 1.

In den F i g. 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer errindungsgemäßen Anordnung aus Diffusor und Abgas-Sammelkammer gezeigt, die sich hinter dem Antriebsbereich der Gasturbine in einem feststehenden Gehäuse 10 befindet Der Antriebsbereich umfaßt innere und äußere Wände II, 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 11 vorspringt. Der Wandabschnitt 14 ist mit einer axialen Bohrung 15 versehen, die an einem (5 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 Bohrung 15 und ist in Lagern 1? 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 od. dgl. 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 Ausgangsvelle 16 drshbar. Die Schaufeln 20 auf dem Turbinenläufer 19 befinden sich hinter den Schaufeln 13 auf der inneren und äußeren Wand 11 und 12. Während des Betriebes der Turbine treten die unter hohem Druck stehenden, heißen Verbrennungsgase in den Antriebsbereich ein und treffen auf die feststehender. 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 Turbinenläufers 19 es auftrifft, bewirkt eine rasche Drehung des Turbinenläufers 19 um die Achse der Ausgangswelle 16, so daß die Ausgangswelle 16 gedreht wird.

Gemäß Fig. 1 ist eine Lagerhalterung 22 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 Lagerhalterung 22 und dem vorderen Endbereich der Ausgangswelle 16 befindet.

Zur Ermöglichung einer Abgabe der Verbrennungsgase aus dem Antriebsbereich in Umfangsrichtung umfaßt die Gasturbine weiterhin einen Abgas-Diffusor, der durch eine innere Wand 24 und eine äußere Wand 25 gebildet wird. Die innere Wand 24 ist im dargestellten Beispiel als ein Teil einer wärmeisolierenden Schicht 26 ausgebildet, die die äußere Umfangsfläche 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 Umfangsfläche auf, die sich nach rückwärts vom vorderen Ende des zylindrischen Wandabschnitts 14 des Gehäuses 10 erweitert. Andererseits weist die äußere Wand des Diffusors 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 Ausgangswelie 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 Einlaß liegt unmittelbar an der Rückseite der Schaufeln 20 des Turbinenläiifers 19, und der 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 Richtung der Sammelkammer 27 durch den Ausiaß offen «st. 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 den F i g. 1 und 2 hervorgeht.

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

Im dargestellten Beispiel umfaßt der Strömungs-Stabilisator zwei Rippen 30 und 30', die sich bogenförmig über die äußere Umfangsfläche der äußeren Wand 25 des Diffusors erstrecken. Die Rippen 30, 30' sind im wesentlichen symmetrisch in bezug auf eine in Fig.2 mit P bezeichnete Ebene angeordnet, die durch die gemeinsame Mittelachse (Cw. F i g. 1) der Wände 24,25 des Diffusors verläuft und in Richtung auf den Abgas-Auslaß 29 der Sammelkammer 27 gerichtet ist. Die beiden Rippen 30, 30' weisen vorzugsweise äußere Umfangsflächen auf, die einen Krümmungsradius besitzen, der nach und nach in Richtung des Auslasses 29 de- Sammelkammer 27 abnimmt, wie aus Fig. 2 hervorgeht, und die Rippen erstrecken sich in einer Ebene, die unter einem vorgegebenen Winkel, der in F i g. 1 mit θ bezeichnet ist, in bezug auf die gemeinsame

Mittelachse Cder Wände 24, 25 geneigt ist. Experimente haben gezeigt, daß der Winkel θ im Bereich von etwa 90-55° liegen sollte.

Die Verbrennungsgase, die aus der Diffusor-Kammer 28 in die Abgas-Sammelkammer 27 eintreten, werden auf der äußeren Umfangsfläche der äußeren Wand 25 des Diffusors durch die Rippen 30 und 30' in Richtung des Auslasses 29 der Sammelkammer 27 geführt, so daß eine Bildung von Wirbeln 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 Wirbel gebildet würde, kann der statische Druck am Gas-Ausiaß 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.

Durch die erfindungsgemäßen Stabilisatoren kann die Bildung von Wirbeln in der Abgas-Sammelkammer der Turbine reduziert werden, so daß die Di uckausnutzung durch die Turbine verbessert wird. Da die Druckausbeu-

Hi te 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 beeinträch-

tigt wird. Damit werden Größe und Gewicht der Gasturbine insgesamt verringert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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 Umfangsfläche aufweist und sich in ihrem Durchmesser von dem Einlaß zu dem Auslaß der Diffusorkammer 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 senkrecht zu der gemeinsamen Mittelachse gerichteten Auslaß aufweist, gekennzeichnet durch zwei Rippen (30, 30'), die sich bogenförmig über die äußere Umfangsfläche der äußeren Wand (25) erstrecken.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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.

3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (30, 30') äußere Umfangsflächen mit einem Krümmungsradius aufweisen, der in Richtung des Auslasses (29) der Sammelkammer (27) nach und nach verringert ist.

4. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rippen (30, 30') in einer Ebene erstrecken, die unter einem vorgegebenen Winkel in bezug auf die Mittelachse CQgeneigt ist.

5. Gasturbinen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (Θ) im Bereich von etwa 90 bis etwa 55° liegt.

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