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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft Turbinen und insbesondere einen drehzahlbegrenzenden
Mechanismus für Turbinen.
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Turbinen
haben Betriebscharakteristika, die für deren Konfiguration eigen
sind. Beispielsweise haben Axialturbinen, die häufig als Starter für Gasturbinen
oder andere Arten von Maschinen verwendet werden, eine generell
linear abnehmende Charakteristik von Drehmoment zu Drehzahl. Bei
der maximalen Drehzahl einer Axialturbine erfährt die Turbine einen lastfreien
Zustand, bei dem das Drehmoment in der Nähe von Null ist. Solche Turbinen
können
bei der maximalen Betriebsdrehzahl versagen, weil die Turbine hoch
belastet ist. Deshalb ist es wünschenswert,
die Betriebsdrehzahl der Turbine bei dem nicht Nichtbelastungszustand
zu verringern. Es sind die Turbinendrehzahlbegrenzungsvorrichtungen
bekannt. Beispielsweise kann die Rotationsdrehzahl der Turbine überwacht
werden und verringert werden, indem man die Antriebseigenschaften
modifiziert. Es kann jedoch wünschenswert
sein, eine zusätzliche
Drehzahlbegrenzungsvorrichtung zu nutzen oder eine komplett andere
Drehzahlbegrenzungsvorrichtung zu verwenden, als die die momentan
verfügbar
sind.
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US-A-2951678
beschreibt eine Überdrehzahlsteuerung,
die automatisch betreibbar ist, um eine Überdrehzahl einer Turbine unter
exzessiven Energiezufuhrbedingungen zu verhindern. US-A-2 584 555
und GB-A-947690 beschreiben eine Drehzahlkontrolleinrichtung für eine Startturbine.
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Bisher
wurden Vorrichtungen in dem Diffusorbereich des Starters verwendet,
wo das Fluid von der Turbine ausgeworfen wird, um die Effizienz
des Rotors zu erhöhen.
Vorrichtungen, beispielsweise Splitter, die in dem Diffusorbereich
angeordnet sind, wurden verwendet, um die Effizienz und die Drehzahl der
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Turbine
zu erhöhen,
indem man die Strömungseigenschaften
durch den Diffusor verbessert. Vorrichtungen wie diese können die
unerwünschten Belastungen
in der Turbine durch Erhöhen
der Drehzahl erhöhen.
Die aerodynamischen Eigenschaften des Turbinenrotors können geändert werden,
um die Drehzahl der Turbine bei dem lastfreien Zustand zu reduzieren,
beispielsweise indem das Profil der Rotorlaufschaufeln geändert wird.
Eine derartige Änderung
der Rotorlaufschaufeln kann in unerwünschter Weise andere Betriebseigenschaften
der Turbine beeinflussen und somit nicht wünschenswert sein. Deshalb wird
eine geeignete Drehzahlbegrenzungsvorrichtung zum Verringern der
Turbinendrehzahl bei dem lastfreien Zustand benötigt, ohne die aerodynamischen
Eigenschaften des Turbinenrotors zu modifizieren.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Turbinenstarter gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum
Begrenzen von Turbinendrehzahl gemäß Anspruch 5 bereitgestellt.
Die Erfindung ist gegenüber US-A-2951678
und GB-A-947690
durch den kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 5 gekennzeichnet.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
schafft einen Starter, aufweisend ein Gehäuse, welches eine Fluidpassage
mit einem Einlass und einem Auslass definiert. Ein Turbinenrotor
ist in dem Gehäuse
abgestützt
und weist Laufschaufeln auf, die der Passage zwischen dem Einlass
und dem Auslass angeordnet sind. Der Rotor rotiert in der Passage
mit einer Drehzahl, wobei ein Fluid die Laufschaufel in Richtung
zu dem Auslass verlässt.
Ein Spoiler ist in der Passage zwischen dem Rotor und dem Auslass
angeordnet. Der Spoiler lenkt das die Rotorlaufschaufel verlassende
Fluid ab. Die Störung
verringert die Effizienz und verringert die Rotordrehzahl. Der Spoiler
wird verwendet, um die Maximaldrehzahl bei dem lastfreien Zustand
zu verringern. Jedoch können
die Spoiler verwendet werden, um die Drehzahl bei irgendeinem Belastungszustand
zu verringern. Der Winkel, die Anzahl, die Position und andere Eigenschaften
des Spoilers können
für die
spezielle Turbine und eine spezielle Drehzahl, für die eine Verringerung wünschenswert
ist, maßgeschneidert
werden.
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Folglich
liefert die bevorzugte Ausführungsform
eine geeignete passive Drehzahlbegrenzungsvorrichtung zum Verringern
der Turbinendrehzahl bei einem lastfreien Zustand, ohne die aerodynamischen Eigenschaften
des Turbinenrotors zu modifizieren.
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Kurze Beschreibung
von Zeichnungen
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Weitere
Vorteile der vorliegenden Erfindung kann man durch Bezugnahme auf
die folgende detaillierte Beschreibung verstehen, wenn man sie in
Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet, für die gilt:
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1 ist
eine Teilschnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Axialturbinenstarters;
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2 ist
eine vergrößerte Ansicht
des Diffusorbereichs des in 1 gezeigten
Axialturbinenstarters;
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3 ist
eine Teilschnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Radialturbinenstarters;
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4 ist
eine Darstellung von Drehmoment über
Drehzahl für
eine spezielle Turbinen mit und ohne die Spoiler der bevorzugten
Ausführungsform; und
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5 ist
eine schematische Ansicht der Rotorlaufschaufeln und des Spoilers
der bevorzugten Ausführungsform.
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Bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung
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Ein
Gasturbinenmaschinenturbinenstarter 10 ist in 1 gezeigt.
Der Starter 10 wird häufig
verwendet, um Gasturbinen oder andere Arten von Maschinen zu starten.
Der Starter 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das eine
Turbine 16 abstützt.
Die Turbine 16 weist eine Welle 14 mit Laufschaufeln 18 auf,
die radial von der Welle 14 weg ragen. Das Startergehäuse 12,
welches mehrere anei nander befestigte Teile aufweisen kann, definiert
einen Aufnahmebereich 21 zum Kanalisieren von Luft in Richtung
zu dem Rotor 16.
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Ein
Starter mit einer Axialturbine ist in den 1 und 2 gezeigt.
Das Gehäuse 12 definiert ferner
eine Passage 22 mit einem Einlass 24 und einem
Auslass 26. Die Rotorlaufschaufeln 18 sind zwischen
dem Einlass 24 und dem Auslass 26 angeordnet.
Die Passage 22 weist auch einen Diffusorbereich 28 auf,
der sich generell von dem Bereich in der Nähe der Laufschaufeln 18 zu
dem Auslass 26 erstreckt. Bei Betrieb strömt Fluid 32 von
dem Aufnahmebereich 21 durch den Einlass 24 der
Passage 22. Ein Druckunterschied über den Rotor 26 treibt
den Rotor 16 und die Welle 14 rotationsmäßig an.
Fluid 32 verlässt
die Rotorlaufschaufeln 18 und würde ungestört durch den Diffusorbereich 28 und
aus dem Auslass 26 bei Axialturbinen des Stands der Technik
strömen.
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Ein
Teil eines Starters 10 mit eine Radialturbine 16 ist
in der 3 gezeigt. Ähnlich
zu der in 2 gezeigten Axialturbine hat
der Starter 10 ein Gehäuse 12,
welches eine Passage 22 mit einem Einlass 24 und
einem Auslass 26 definiert. Bei Radialturbinen ist der
Einlass 24 radial um den Starter 10 angeordnet,
während
der Auslass 26 zentral angeordnet ist. Die Rotorlaufschaufeln 18 sind
zwischen dem Einlass 24 und dem Auslass 26 angeordnet.
Bei Betrieb strömt
Fluid 32 von dem Aufnahmebereich 21 durch den
Einlass 24 der Passage 22. Die Strömung durch
den Rotor 16 treibt den Rotor 16 und die Welle 14 rotationsmäßig an.
Fluid 32 verlässt
die Rotorlaufschaufeln 18 und würde bei Axialturbinen des Stands der
Technik ungestört
durch den Auslass 26 strömen.
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Eine
Darstellung der Charakteristik von Drehmoment über Drehzahl für eine Turbinenkonfiguration
des Stands der Technik ist durch die durchgezogenen Linien der 4 gezeigt.
Die Relation von Drehmoment zu Drehzahl ist generell linear und verläuft von
einem Niedrigdrehzahlzustand mit maximalem Drehmoment, der bei Punkt
A gezeigt ist, zu einem maximalen Drehzahlzustand ohne Belastung, der
durch den Punkt C gezeigt ist.
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Unter
andauernder Bezugnahme auf die 4 ist es
wünschenswert,
die maximale Drehzahl bei dem lastfreien Zustand zu verringern,
um die mögli cherweise
schädigenden
Belastungen auf die Turbine zu verringern. Zu diesem Zweck ist eine Mehrzahl
von Spoilern 34 radial in der Passage 22 zwischen
den Rotorlaufschaufeln 18 und dem Auslass 26 angeordnet.
Vorzugsweise sind die Spoiler 34 an der Passage 22 befestigt.
Es wird auf die 5 Bezug genommen. Die Rotorlaufschaufeln 18 haben ein
Profil 30, welche die Strömung des Fluids 32 von den
Rotorlaufschaufeln 18 beeinflusst, welches über die
Betriebsdrehzahlen der Turbine variiert. Insbesondere können die
Turbinen so ausgelegt sein, dass bei deren Punkten maximaler Leistung
das die Rotorlaufschaufeln 18 verlassende Gas diese annähernd ohne
oder mit vernachlässigbarer
Verwirbelung verlässt.
Das heißt,
bei dem Punkt maximaler Effizienz erzeugt das die Rotorlaufschaufeln 18 verlassende Fluid 32 ein
minimales Maß an
Turbulenz. Das Fluid 32 verlässt häufig die Rotorlaufschaufeln 18 mit
einer erhöhten
Verwirbelung oder als turbulente Strömung, bei Drehzahlen unterhalb
und überhalb
des Punkts maximaler Effizienz.
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Die
Spoiler 34 lenken das die Laufschaufeln 18 verlassene
Fluid 32 ab und verringern die Drehzahl der Turbine auf
eine gewünschte
Rotordrehzahl, wo die Belastungen auf die Turbine weniger von Bedeutung
sind. Die Kurve von Drehmoment über
Drehzahl für
eine Turbine mit den Spoilern 34 der bevorzugten Ausführungsform
ist durch die unterbrochene Linie in der 4 gezeigt.
Die durch den Punkt B repräsentierte
Spitzeneffizienz bleibt generell die gleiche wie bei einer Turbine
ohne die Spoiler der bevorzugten Ausführungsform. Auf diese Weise
kann die Spitzeneffizienz beibehalten sein. Jedoch verlässt das
Fluid 32 die Rotorlaufschaufeln 18 oberhalb und unterhalb
des Effizienzpunktes B mit einer erhöhten Verwirbelung und kollidiert
mit den Spoilern 34 und erzeugt einen Rückdruck in dem Diffusorbereich 28 und
verlangsamt die Drehzahl der Turbine. In der Folge ist die maximale
Drehzahl bei einem belastungslosen Zustand verringert, wie durch
den Punkt D gezeigt. Auf diesen anderen Weg trifft die austretende Strömung auf
den Spoiler bei dem Zustand, bei dem eine Drehzahlverringerung erforderlich
ist, und die Strömung 32 läuft parallel
zur Oberfläche
des Spoilers bei Zuständen,
bei denen keine Verringerung erforderlich ist. Jedoch sollte man
verstehen, dass die Spoiler so positioniert sein können, dass
sie eine normale Austrittsverwirbelung aufnehmen, das heißt, wie
vorangehend erwähnt,
dass es bei dem Punkt der Spitzeneffizienz etwas Verwirbelung geben
kann. Diese minimale Verwirbelung läuft generell parallel zu dem
Spoiler bei dem Punkt der Spitzeneffizienz. Folglich ist es der
Turbine nicht erlaubt, hohe Drehzahlen zu erreichen, bei denen die
Turbine hoch belastet sein kann und möglicherweise versagen kann.
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Man
sollte verstehen, dass die Spoiler 34 der bevorzugten Ausführungsform
nicht durch das Verringern der Drehzahl bei lediglich dem unbelasteten Zustand
begrenzt sein müssen.
Die Spoiler 34 können
ausgelegt sein, dass sie die spezielle Geschwindigkeit jeder Drehzahl
verringern, falls das erwünschenswert
ist. Außerdem
können
die Anzahl, der Winkel und andere Charakteristika der Spoiler 34 modifiziert
sein, um zu einer speziellen Turbine und zu speziellen Turbinenbetriebsbedingungen
zu passen.
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Die
Erfindung wurde in illustrativer Weise beschrieben und man sollte
verstehen, dass die verwendete Terminologie lediglich als Art der
Beschreibung und nicht in einer begrenzenden Weise beabsichtigt
ist. Offensichtlich sind viele Modifikationen und Variationen der
vorliegenden Erfindung im Licht der vorangegangenen Lehren möglich. Man
sollte deshalb verstehen, dass innerhalb des Umfangs der angeführten Ansprüche die
Erfindung anders als speziell beschrieben in die Praxis umgesetzt
werden kann.