-
Gegenläufige Verbundturbine Gegenstand der Erfindung ist eine Verbundbrennkraftturbine
mit einer im Gegensinn umlaufenden Hülse, welche Nutzarbeit liefert; insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf Turbinenanlagen für Strahlantriebe, wobei die gegenläufige
Hülse an ihrer Außenseite Schaufeln zur Verstärkung des Schubstrahles trägt.
-
Es gibt Verbundanlagen dieser Art, bei denen Nutzarbeit zwischen benachbarten
Verbundabschnitten entnommen wird, so daß der Druck am Ende eines Verdichterabschnittes
im wesentlichen gleich dem Druck am Anfang des zugehörigen Turbinenabschnittes ist,
wodurch besonders bei großen Durchmessern Dichtungsschwierigkeiten vermieden werden.
-
Bei einer anderen derartigen Anordnung arbeitet die im Gegensinn umlaufende
Turbinenhülse mit unabhängigen Turbinenabschnitten zusammen, die mit den zugehörigen
Kompressorabschnitten gekuppelt sind. Dabei wird Nutzarbeit den' Gasen entnommen
und auf die Hülse zwischen der Mehrzahl von oder allen Verbundabschnitten übertragen,
wobei die Hülse langsamer angetrieben wird als bei der zuerst erwähnten Bauart.
-
Für einen vollkommenen Druckausgleich zwischen den Turbinen- und Verdichterabschnitten
sollte die Geschwindigkeit gleichförmig sein, d. h. sämtliche Verbundabschnitte
sollten die gleiche Umlaufgeschwindigkeit besitzen, wenn der Schaufelwirkungsgrad
überall konstant ist; dadurch entstehen jedoch Schwierigkeiten bei der Konstruktion
des Verdichters, und die Regelmöglichkeiten sind völlig unbefriedigend.
-
Hauptziel der Erfindung ist die Vermeidung dieser Schwierigkeiten.
-
Die Erfindung besteht ganz allgemein in einer derartigen
Konstruktion
der Hülse, daß sie langsamer umläuft, als sie es nur auf Grund der Reaktion des
Verdichters tun würde.
-
Wenn die Hülse nicht gegen fest stehende Schaufeln angetrieben würde,
so wäre ihre Umlaufgeschwindigkeit durch das Drehmoment des Verdichters und den
Gesamtbetrag an verfügbarer Nutzarbeit bestimmt; denn wenn ein bestimmtes Drehmoment
a des Verdichters und ein bestimmter Betrag h an Nutzarbeit zur Verfügung stehen,
so kann die Nutzarbeit nur entnommen werden, wenn a x n x K = h ist, worin
n
die Geschwindigkeit bedeutet und K eine Konstante ist. Es ist daher
Soll die Hülse in Übereinstimmung mit der Erfindung langsamer angetrieben werden,
muß ein zusätzliches Drehmoment geschaffen werden, also
worin ai das zusätzliche Turbinendrehmoment ist. Nach einem weiteren Merkmal der
Erfindung umfaßt eine Verbundbrennkraftturbinenanlage eine Anzahl von unabhängigenVerbundläufern,von
denen jeder Verdichter- und Turbinenschaufeln trägt, von denen die letzteren mit
Schaufeln an einer im Gegensinn umlaufenden Hülse zusammen arbeiten, während die
Verdichterschaufeln mit fest stehenden Verdichterschaufeln zusammen arbeiten; Nutzarbeit
wird mittels der im Gegensinn umlaufenden Hülse zwischen den verschiedenen Läufern
entnommen, und zusätzliche Nutzarbeit wird am Hochdruckende durch Reaktion an fest
stehenden Schaufeln entnommen; die verschiedenen Läufer haben hierbei mit abnehmendem
Volumen höhere Umlaufgeschwindigkeiten, um eine praktisch konstante Beaufschlagung
der gesamten Beschaufelung bei Regelung (durch Drosselung der Brennstoffzufuhr)
und beim Start sicherzustellen.
-
Das für den Antrieb der Hülse erforderliche zusätzliche Drehmoment
kann dadurch geschaffen werden, daß man die Gase aus der Brennkammer mit hoher Geschwindigkeit
durch fest stehende Düsen zu dem ersten rotierenden Schaufelkranz oder Schaufelkränzen
der Turbine treten läßt; dieser Kranz oder diese Kränze sitzen an der Hülse und
besitzen zum Teil oder vollständig Gleichdruck-(Impuls-)Beschaufelung. Sind zwei
solcher Schaufelkränze vorhanden, werden natürlich auch zwei fest stehende Düsenkränze
vorgesehen. An diese Gleichdruckschaufeln, die mit den fest stehenden Düsen zusammen
arbeiten, schließt sich einTurbinenschaufelkranz an, der fest mit dem Höchstdruckläufer
des Verdichters verbunden ist; diese Turbinenschaufeln und auch die des nächsten
Turbinenkranzes der Hülse sind vorwiegend Reaktions-(t`berdruck-) Schaufeln. Die
letzten Turbinenschaufelkränze jedoch sowohl in den Verbundabschnitten als auch
an der Hülse besitzen Tragflügelquerschnitte, d. h. sie sind in reichlichen Abständen
voneinander angeordnet.
-
Das Ergebnis einer solchen Anordnung besteht darin, daß die Turbine
mit einem optimalen Wirkungsgrad arbeitet, da Verluste am Hochdruckende zum großen
Teil am Niederdruckende der Turbine, das einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzt,
wiedergewonnen werden.
-
Eine beispielsweise Ausführungsform nach der Er-'findling wird im
nachstehenden unter Bezugnahme auf die schematische Darstellung der Zeichnung beschrieben.
In dieser ist Fig. i eine graphische Darstellung der Arbeitsweise einer Verbundturbine
nach der oben erwähnten Bauart und Fig. ia die einer Turbine nach der Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine Turbine nach der Erfindung in teilweisem Schnitt; Fig. 3 bis 5
sind im wesentlichen Ansichten einer der unabhängigen Turbinen- und Verdichterstufen;
dabei ist Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Hülse unter Fortlassung der außensitzenden
Schaufeln, wobei eine unabhängige Turbinen- und Verdichterstufe herausgezogen gezeichnet
ist; Fig. 4 ist eine Axialdraufsicht hierzu und Fig. 5 Teil eines abgewickelten
Grundrisses der unabhängigen Stufe; Fig. 6 veranschaulicht ein Temperatur-Entropiediagramm
der Turbine bei Entwurfs- oder Vollastleistung und Fig. 6a bei gedrosselter Brennstoffzufuhr
(Reglung), während die Fig. 7 und 7a entsprechende Druckvolumendiagramme veranschaulichen.
-
Wie gesagt bezieht sich die graphische Darstellung der Fig. i auf
eine Turbinenanlage nach der einleitend als bekannt beschriebenen Bauart und die
der Fig. ia auf eine erfindungsgemäße Anlage nach Fig. 2. Die senkrechten Linien
A verkörpern unabhängige Turbinen- und Verdichterabschnitte, die Ordinaten P veranschaulichen
den Druck. Die von den Linien B C eingefaßten Flächen stellen unvermeidlichen Druckunterschied
dar, wobei in beiden Darstellungen die Linie B für den Verdichter und die Linie
C für die Turbine gilt. Man sieht, daß bei einer Anordnung nach der Erfindung die
Größe der zwischen den Linien C und B eingeschlossenen Fläche stark reduziert ist.
-
Bei der in den Fig. 2 bis 5 dargestellten Anlage ist die Turbine ii
in radialer Richtung auß; rhalb des Verdichters 12 angeordnet, in welchem die Strömungsrichtung
nach der Verbrennungskammer 45 verläuft. Der Verdichter besteht aus fest stehenden
Schaufelkränzen 13, 13 und umlaufenden Schaufelkränzen 14a, I b, c -t mit
unabhän-4 14 . Die Schaufelkränze 14 sind fes gigen Turbinenschaufelkränzen
13, 1,5 verbunden und bilden mit diesen zusammen den Verbundläufer. Der erste unabhängige
Turbinenkranz, i5a am Hochdruckende läuft mit einen Läufer i6 uin, der eine Anzahl
Verdichterkränze i4T trägt, die mit fest stehendenVerdichterschaufelkränzen i3a
zusammen arbeiten.
-
In der Verbrennungskammer 45 @@"rden die Brenngase von rohrförmigen
Teilen 18 zii einem fest stehenden Schaufelkranz i9 geführt, der Dfisen bildet,
durch die die Gase mit hoher Geschwindigkeit zu dem ersten Schaufelkranz 2o der
Turbine gelangen, der auf einer Hülse 21 sitzt (Fig. 3) und zum Teil oder vollständig
eine Gleichdruck-(Impuls-)Beschatifelung aufweist. Die Hülse 21 trägt außerdem an
ihrer Außenseite Schaufeln 22, die mit fest stehenden Schaufeln 23 zusammen arbeiten
und mit dir#: @n -rneinsam die Vorrichtung
zur Erhöhung der Schubwirkung
des Düsenstrahles bilden. Der fest auf dem Läufer 16 sitzende Schaufelkranz i5a
der Turbine läuft mit hoher Geschwindigkeit um und treibt den Höchstdruckteil des
Verdichters; die Schaufeln dieses Kranzes und des nächsten Kranzes 24 an der Hülse
sind vorwiegend Reaktions-(Überdruck-)Schaufeln. Die unabhängigen Schaufelkränze
15 und die damit zusammen arbeitenden Kränze 25 an der Hülse haben endlich sämtlich
Tragflügelprofile.
-
Wenn angenommen wird, daß die Hülse 21 im Uhrzeigersinn umläuft, so
laufen in der gleichen Richtung infolgedessen auch die Turbinenschaufeln 20, 24
und 25 um, da sie sämtlich mit der Hülse fest verbunden sind. Die dazwischen liegenden
Turbinenschaufeln i5a und 15 laufen dagegen in entgegengesetztem Sinn um.
-
Die Verdichterbeschaufelungen 14x, 14a, 14b und IV, die fest mit den
Turbinenbeschaufelungen i5a und 15 verbunden sind, laufen mit diesen in entgegengesetztem
Uhrzeigersinn um. DieVerdichterbeschaufelung 14d jedoch, die mit der Turbinenbeschaufelung
24 fest verbunden ist, läuft im Uhrzeigersinn um; in gleicher Richtung läuft außerdem
nur noch der erste Verdichterschaufelkranz 14f um. Die übrigen nicht genannten Verdichterschaufeln
stehen fest.
-
Wie die Fig. 3, 4 und 5 erkennen lassen, ist der Abstand der Schaufeln
15 voneinander groß genug, um den Zusammenbau innerhalb der Hülse von dem weiteren
Ende derselben aus zu ermöglichen; die Schaufeln passen durch die Zwischenräume
der mit der Hülse verbundenen Schaufeln 25 hindurch.
-
Fig. 5 veranschaulicht bei i4y, wie einige der Verdichterschaufeln
zur Aufnahme der Zentrifugalkräfte verstärkt sind.
-
Zweckmäßig besteht die Hülse 21 in der Hauptsache aus Aluminium. Die
Schaufeln 25 sind an gebogene Blechteile 27 (Fig. 4) angenietet, die im kalten Zustand
zwischen ihren Kanten einen Zwischenraum 28 voneinander besitzen, die Teile 27 sind
bei 29 unter Zwischenlegung eines wärmeisolierenden Stoffes 31 auf Aluminiumrippen
3o aufgenietet. Die Hülse kann auch aus Stahl in einem Stück hergestellt und mit
den Turbinenschaufeln 25 unlösbar verbunden werden; das wird durch die neue Art
des Zusammenbaues auf Grund der weiten Abstände der Turbinenschaufeln möglich. Dadurch
wird es auch möglich, die Hülse ein- oder auszubauen, ohne die Auswuchtung zu stören,
was infolge des verhältnismäßig großen Gewichtes der Hülse von besonderer Wichtigkeit
ist.
-
33 (Fig. 2) ist eine Antriebswelle für Hilfsmaschinen, die durch die
hohle Brennstoffzufuhrdüse 34 hindurchgeführt ist. Auf dieser Welle sitzt ein Zahnrad
35, welches von dem Läufer 16 über eine Getriebeverbindung 36, 37 angetrieben wird.
-
Wie oben ausgeführt, erfordert ein vollständiger Druckausgleich gleiche
Umlaufgeschwindigkeiten sämtlicher Verbundteile; das ist indessen nicht vereinbar
mit einer Leistungsregelung, d. h. mit einem Arbeiten bei gedrosselter Brennstoffzufuhr,
und ebensowenig mit einer konstanten Machzahl am Kompressor, weil die Umlaufgeschwindigkeit
mit der Temperatur konstant bleibt, die Machzahl aber zunimmt. Ferner sind bei abnehmendem
Volumen höhere Umlaufgeschwindigkeiten und geringere Abmessungen erforderlich, um
optimale Abmessungen der Räder einhalten zu können. Der optimale Verdichter zeigt
konstante Machzahlen zur Verringerung der Anzahl der Stufen. Der Ersatz einer großen
Anzahl in Gegensinn umlaufender Scheiben durch eine einzige Hülse verleiht der mechanischen
Anordnung eine aerodynamische Starrheit, die nachgiebig gestaltet werden muß, um
die Beaufschlagung der Schaufeln bei einer Regelung konstant zu halten. Dies geschieht
erfindungsgemäß auf thermodynamische Weise, indem man einen gewissen Betrag an Nutzarbeit
am Hochdruckende der gegensinnig umlaufenden Hülse gegen fest stehende Turbinenschaufeln
entnimmt, so daß der Hochdruckverdichterteil mit einem Turbinendruck angetrieben
wird, der um einen bestimmten Betrag niedriger liegt als der entsprechende Verdichterdruck.
Dann wird bei einer Regelung durch Drosselung der Brennstoffzufuhr die für den Antrieb
des Hochdruckverdichterteiles zur Verfügung stehende Arbeit geringer, weil das Diagramm
(vgl. Fig. 6a und 7a) aussehen muß, als wenn die Abstände der Linien konstanten
Druckes nach dem Niederdruckbereich enger würden. Dadurch wird eine unzulässige
Geschwindigkeitsübersteigerung des Hochdruckteiles bei Teillast vermieden, und die
Beaufschlagung sämtlicher Schaufeln (sowohl der Turbine als auch des Verdichters)
kann praktisch über den ganzen Regelungsbereich konstant gehalten werden.
-
Zusätzliche praktische Vorteile sind: i. konstante Machzahl im Verdichter,
2. hohe Temperatur der Turbine bei langsam und unter niedrigen Beanspruchungen laufenden
Hülsenteil von kleinem Durchmesser. In den Fig. 6 und 6a veranschaulicht
A B den Temperaturanstieg im Verdichter unter Voraussetzung adiabatischer
Verdichtung, CD den Temperaturabfall in der Turbine unter der Annahme einer
adiabatischen Ausdehnung, während BC eine Gleichdrucklinie ist, die die Wärmezufuhr
durch die Verbrennung veranschaulicht. A T 1 bis A T11 auf der Linie
A B veranschaulichen gleiche Temperaturzunahmen (d. h. gleiche Wärmedifferentiale)
in den ersten 6 Verdichterabschnitten; A T' veranschaulicht den Temperaturanstieg
im letzten Höchstdruckteil bei einer Abnahme von sieben Abschnitten im ganzen.
A T i bis A T' auf der Linie CD veranschaulichen die entsprechenden
Temperaturgefälle für die Turbine. Die bei x entnommene Nutzarbeit repräsentiert
die Energieabgabe gegen die fest stehenden Schaufeln ig, d. h. die in den ersten
Schaufeln 2o der Hülse geleistete Arbeit. Die gestrichelten Linien sind Gleichdrucklinien,
die jedoch dicht bei der Linie CD einen kurzen Abfall zeigen, um die durch die Erfindung
veranlaßte Abwandlung zu veranschaulichen. In gleicher Weise veranschaulichen die
gestrichelten Linien in den Fig. 7 und 7a die durch die Erfindung bedingte Änderung
im P/V-Diagramm.
-
In den Fig. 6 und 6a sei die Linie Bg-C" betrachtet. Die entsprechende
Linie B4-C4 in Fig. 2 der als bekannt vorausgesetzten Anordnung ist ausschließlich
eine Gleichdrucklinie. Im vorliegenden Fall jedoch ist die Hülsengeschwindigkeit
niedriger. Deswegen ist auch der Betrag an Nutzarbeit, der tatsächlich zwischen
den ersten beiden Verbundscheiben 14a und 14b (Fig. 2) entnommen wird, geringer
als der, der dein
thermodynamischen Wirkungsgrad dieses Abschnittes
der Maschine entspricht. Dies hat den Abfall der Kurve BI-C6 vor der Linie
CD zur Folge. Aus dem gleichen Grunde zeigt auch die Linie B5-C,1 einen abfallenden
Teil, der größer als der der Linie B6-C6 ist; die zugehörigen Verbundteile sind
mit i56 und 14c bezeichnet usf. Mit anderen Worten: der Turbinenteil eines Verbundabschnittes
arbeitet bei einem niedrigeren Druck als der entsprechende Verdichterteil. Infolgedessen
wird bei einer Herunterregelung, d. h. bei einer Verringerung der Brennstoffzufuhr,
die verfügbare Nutzarbeit des Turbinenteiles schneller abnehmen, als wenn die abfallenden
Kurventeile nicht vorhanden sein würden; dadurch wird eine unzulässige Geschwindigkeitsübersteigerung
des Höchstdruckteiles des Verdichters vermieden.
-
Weiter wird eine Übertragung von Leistung auf Turbinenteile bewirkt,
die mit Niederdruckteilen des Verdichters verbunden sind, welche andernfalls zu
langsam angetrieben werden und eine negative Beaufschlagung haben würden, was einen
niedrigen Wirkungsgrad ergeben würde. Bei der Herunterreglung ist der Geschwindigkeitsabfall
in den Abschnitten mit niedrigstem Druck größer als in den Höchstdruckabschnitten,
wie ein Vergleich der Fig. 6 und 6a lehrt. Der Arbeitsverlust, der durch die abfallenden
Kurventeile veranschaulicht ist, wird aufgewogen durch die Energieentnahme X.
-
Wenn die Sonderarbeit X (Fig.6 und6a) dem Niederdruckende und nicht
dem Hochdruckende entnommen würde, würde man an Stelle der abfallenden Kurventeile
anst eigende Kurvent eile bekommen,die Regelungs-' wirkungen würden dadurch genau
umgekehrt, d. h. unmöglich werden.
-
Es sei noch darauf hingewiesen, daß das Wiederansteigen des abfallenden
Kurventeiles auf der Linie A-D dem Umstand zuzuschreiben ist, daß die Austrittsgase
der Maschine gegen Diffusorschaufeln 4o arbeiten (Fig. 2).
-
Es mag endlich noch hinzugefügt werden, daß der Ausdruck Machzahl
hier in seiner üblichen Bedeutung gebraucht ist, d. h. um bei einer bestimmten Temperatur
das Verhältnis der Luftgeschwindigkeit (gegenüber einer Schaufel) zur Schallgeschwindigkeit
zu bezeichnen. Natürlich können bei einer bestimmten Temperatur die Vorder-(Eintritts-)
und Hinter-(Austritts-) Kanten einer Schaufel verschiedene Machzahlen besitzen.