DE3339505A1

DE3339505A1 - Gasturbine mit einem vorgeschalteten turbokompressor

Info

Publication number: DE3339505A1
Application number: DE19833339505
Authority: DE
Inventors: Bernd 6352 Ober-Mörlen Jung
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-10-31
Filing date: 1983-10-31
Publication date: 1985-05-09

Description

Gasturbine mit einem vorgeschalteten Turbokompressor
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit einem vorgeschalteten Turbokompressor.
Bei Gasturbinen wird die kinetische Energie eines mit hoher Geschwindigkeit strömenden Gases zur Erzeugung von Nutzarbeit ausgenutzt. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit wird durch Düsen in der Turbine hervorgerufen. Von den Düsen gelangen die Gase zu den Schaufeln des Rotors und setzen das Schaufelrad in Bewegung. Als Arbeitsmittel werden die in einer Brennkammer entstehenden Verbrennungsprodukte verwendet. Der Wirkungsgrad von Gasturbinen ist umso höher, je höher die Temperatur der Verbrennungsprodukte ist.
Damit hängt der Wirkungsgrad von der Wärmebeständigkeit der Schaufelwerkstoffe bei höheren Temperaturen ab. Es sind wärmebeständige Metallegierungen verfügbar, die einen Dauerbetrieb von Turbinen bei über 6500 C ermöglichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine mit einem vorgeschalteten Turbokompressor zu entwickeln, wobei durch eine gute Kühlung der Schaufeln der Turbine eine Erhöhung der Eintrittstemperatur des Arbeitsmittels möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Laufrad einer Stufe des Turbokompressors mit dem Schaufelrad der Turbine eine Einheit bildet, die auf einer Seite Schaufeln, die Luft komprimieren, und auf der anderen Seite vom Arbeitsmittel beaufschlagte Schaufeln enthält. Die Schaufeln auf der Kompressorseite der Einheit werden hierbei von einem großen Luftstrom durchsetzt. Dabei findet auch eine sehr wirksame Kühlung der Schaufeln auf der Turbinenseite statt. Die Temperatur, mit der das Arbeitsmittel in die Turbine eintritt, kann daher erhöht werden, ohne daß die Turbinenschaufeln die gleichen hohen Temperaturen wie das Arbeitsmittel annehmen. Der Wirkungsgrad der Turbine läßt sich hiermit steigern. Durch die Einheit aus Kompressorstufe und Laufrad ergibt sich darüber hinaus eine Verminderung der Abmessungen. Eine mit einer solchen Einheit ausgestattete Turbine kann mit kleineren Baum außen kompakter ausgebildet sein. Dies ermöglicht eine kostengünstigere Herstellung.
Vorzugsweise ist die letzte Stufe des Turbokompressors mit dem Schaufelrad der Turbine vereinigt. Bei dieser Anordnung steht der gesamte Massendurchsatz der Luft zur Kühlung der Schaufeln zur Verfügung. Dabei wird die vom Turbokompressor geförderte Luft bei der Kühlung der Schaufeln zugleich erwärmt. Die Luft tritt daher mit höherer Temperatur in die Brennkammer ein. Es wird also ein Regenerationsprozeß erreicht, durch den eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads der Turbine eintritt. Im übrigen wird mit den oben erläuterten Maßnahmen auch der spezifische Kraftstoffverbrauch der Gasturbine erniedrigt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Gasturbine und der Turbokompressor aus einem einzigen Rad mit Schaufeln. Diese Ausführungsform hat einen sehr einfachen Aufbau. Deshalb läßt sich diese Vorrichtung sehr kostengünstig fertigen. Selbstverständlich können Impeller und Exducer auch separat auf das als Einheit ausgebildete Kompressor- und Turbinenrad gesetzt werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Schaufeln aus porösem, luftdurchlässigem Material hergestellt sind. Mit dieser Anordnung wird eine Transpirationskühlung erzielt.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind in der Einheit Kanäle zum Überleiten von Luft von der Kompressorseite auf die Turbinenseite vorgesehen. Hierdurch strömt Kühlluft vor die Turbinenschaufeln.
Ferner ist besonders hervorzuheben, daß die Schaufeln des Turbinenrads zunächst im Randbereich hohl ausgebildet sind, wobei die Hohlräume von der Kompressorseite zugänglich und damit mit Frischluft beschickbar sind.
Zweckmässigerweise sind in den Schaufeln der Einheit radial verlaufende Ausnehmungen angeordnet.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die Schaufeln der Einheit axial verlaufende Öffnungen auf.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, sondern auch anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels.
Es zeigen: Fig. 1 einen teilweisen Querschnitt durch eine Gasturbine mit vorgeschaltetem Turbokompressor und Fig 2 eine Ansicht von vorne einer aus einem Laufrad eines Turbokompressors und einem Schaufelrad einer Turbine bestehenden Einheit.
Eine Gasturbine 1 enthält ein Schaufelrad 2, das auf einer Welle 3 drehbar gelagert ist. Das Schaufelrad 2 weist Schaufelkanäle 4 auf, denen das Arbeitsmittel über Düsen 5 zugeführt wird. Die Düsen 5, von denen in Fig. 1 eine dargestellt ist, sind mit einer Brennkammer 6 verbunden, in der ein über eine Düse 7 zugeführter Brennstoff mit Luft verbrannt wird. Die Brennstoffzufuhr erfolgt mit einer nicht dargestellten Pumpe.
Ein Turbokompressor 8 enthält ein Laufrad 9, das Außenluft ansaugt, diese komprimiert und sie über nicht näher bezeichnete Öffnungen, zum Beispiel durch hohl ausgebildete Leitschaufeln (Düsen) zwecks Kühlung derselben, in die Brennkammer 6 drückt. Das Laufrad 9, das zum Beispiel die letzte Stufe des Turbokompressors 8 sein kann, bildet mit dem Schaufelrad 2 eine Einheit 10. Vorzugsweise sind das Schaufelrad 2 und das Laufrad 9 aus einem Stück hergestellt. Die Einheit 10 enthält Schaufeln 11, 12, die auf einer Seite Luft komprimieren und auf der anderen Seite vom Arbeitsmittel beaufschlagt sind. Es ist möglich, eine Gasturbine 1 und einen Turbokompressor 8 nur aus einem einzigen Rad mit Schaufeln 11, 12, die sich jeweils auf der Kompressor- bzw. der Turbinenseite befinden, aufzubauen.
Der gesamte Gasdurchsatz durch den Turbokompressor 8 steht für die Kühlung der Einheit 10 zur Verfügung. Deshalb findet eine besonders gute Konvektionskühlung statt. Die Kühlluft wird auf sehr einfache Weise an die zu kühlenden Schaufeln 12 herangeführt. Druckverluste treten dabei nicht auf.
Zweckmäßigerweise ist das Material der Schaufeln 11, 12 porös bzw.
luftdurchlässig. Damit wird eine Transpirationskühlung hervorgerufen.
In den Schaufeln 12 sind radial nach außen verlaufende Ausnehmungen 13 angeordnet, in denen Kühlluft strömt. Weiterhin können in axialer Richtung der Einheit 10 Öffnungen 14 vorgesehen sein, in denen Kühlluft zur Turbinenseite strömt. Es ist auch möglich, Schlitze 15 in der Einheit 10 anzubringen, um eine Filmkühlung der Schaufeln 12 auf der Turbinenseite zu erreichen. Die Öffnungen 14 und Schlitze 15 bilden Kühlluftkanäle. Die in den Figuren dargestellte Einheit 10 dreht sich in der mit 16 bezeichneten Richtung.
Durch die besonders gute Kühlung der Schaufeln 12 können die Arbeitsmittel über die Düsen 5 mit höherer Temperatur zugeführt werden. Je höher diese Temperatur ist, desto größer ist auch der erzielbare Wirkungsgrad. Die Temperaturen der Schaufeln 12 bleiben erheblich unter den Eintrittstemperaturen des Arbeitsmittels, die beträchtlich über 6500 C liegen können. Eine weitere Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads ergibt sich aus der Tatsache, daß der gesamte Gasdurchsatz, der die Kühlung der Einheit 10 besorgt, dabei auch erwärmt wird. Es tritt deshalb ein Regenerationsprozeß auf, durch den die Luft beim Eintritt in die Brennkammer 6 bereits eine erhöhte Temperatur aufweist.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung arbeitet mit niedrigem spezifischem Kraftstoffverbrauch. Die Abmessungen der Vorrichtungen sind gegenüber Gasturbinen mit vergleichbarer Leistung geringer. Aufgrund des einfachen kompakten Aufbaus läßt sich die Vorrichtung wirtschaftlich fertigen. Wegen des geringen spezifischen Kraftstoffverbrauchs und des hohen Gesamtwirkungsgrads ist die Vorrichtung besonders umweltfreundlich. Die bei der Kühlung auftretenden Reibungs- und Strömungsverluste sind nicht von Bedeutung. Daher ist die Reynolds-Zahl sehr günstig, auch durch die konstruktiv bedingten geringeren Wandflächen (kein shroud).
Die Ausnehmungen 13 in den Schaufeln 12 auf der Turbinenseite der Einheit 10 sind gegen die Kompressorseite hin offen. Deshalb kann Kühlluft ungehindert in die Ausnehmungen 13 strömen und über die Öffnungen 14 auf die Turbinenseite gelangen. Die Form der Ausnehmungen 13 geht aus Fig. 1 deutlich hervor, ist aber nicht Bedingung.
In Fig. 1 ist die Einheit 10 im Schnitt längs der Linien I-I gemäß Fig. 2 dargestellt. Die Düse 5 ist gegen die in Fig. 1 dargestellte Lage der Einheit etwas verschoben und nur der Übersichtlichkeit wegen im Schnitt gezeigt.
- L e e r s e i t e -

Claims

Patentansprüche Gasturbine mit einem vorgeschalteten Turbokompressor, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Laufrad (9) einer Stufe des Turbokompressors (8) mit dem Schaufelrad (2) der Turbine (1) eine Einheit (10) bildet, die auf einer Seite Schaufeln (11), die Luft komprimieren, und auf der anderen Seite vom Arbeitsmittel beaufschlagte Schaufeln (12) enthält.
2. Gasturbine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die letzte Stufe des Turbokompressors (8) mit dem Schaufelrad (2) der Turbine (1) vereinigt ist.
3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Gasturbine (1) und der Turbokompressor (8) aus einem einzigen Rad mit Schaufeln (11, 12) bestehen.
4. Gasturbine nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schaufeln (11, 12) aus porösem, luftdurchlässigem Material hergestellt sind.
5. Gasturbine nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in der Einheit (10) Kanäle (14, 15) zum Überleiten von Luft von der Kompressorseite auf die Turbinenseite vorgesehen sind.
6. Gasturbine nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in den Schaufeln (12) der Einheit (10) radial verlaufende Ausnehmungen (13) angeordnet sind.
7. Gasturbine nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in den Schaufeln (12) der Turbinenseite der Einheit (10) Ausnehmungen (13) vorhanden sind, die gegen die Kompressorseite hin offen sind.
8. Gasturbine nach zumindest Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Frischluft von dem Laufrad (9) des Turbokompressors (8) über hohl ausgebildete Leitschaufeln in eine Brennkammer (6) drückbar ist.