WO2000029721A1 - Strömungsmaschine, insbesondere turbosatz mit einer strömungsmaschine und mit einer elektrischen maschine - Google Patents

Strömungsmaschine, insbesondere turbosatz mit einer strömungsmaschine und mit einer elektrischen maschine Download PDF

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WO2000029721A1
WO2000029721A1 PCT/DE1999/003597 DE9903597W WO0029721A1 WO 2000029721 A1 WO2000029721 A1 WO 2000029721A1 DE 9903597 W DE9903597 W DE 9903597W WO 0029721 A1 WO0029721 A1 WO 0029721A1
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turbo
electrical machine
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PCT/DE1999/003597
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Peter Jeschke
Volker Simon
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1823—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/03—Annular blade-carrying members having blades on the inner periphery of the annulus and extending inwardly radially, i.e. inverted rotors

Definitions

  • Turbomachine in particular turbo set with a turbomachine and with an electrical machine
  • the invention relates to a turbo set comprising a turbomachine and an electrical machine.
  • the turbomachine has a rotatable part carrying a number of rotor blades and a stationary part carrying a number of guide vanes, a flow channel to which a flow medium can be applied being formed between the two parts.
  • Flow machine is understood here to mean a turbomachine, in particular a gas turbine or a steam turbine, a compressor, a compressor or the like.
  • the electrical machine of the turbo set is, for example, an electric motor or a generator.
  • Such a turbomachine turbomachine comprises a single impeller or a number of impellers arranged one behind the other in the axial direction, the rotor blades of which are flowed around by a gaseous or vaporous flow medium during operation.
  • the flow medium exerts a force on the blades, which causes a torque of the impeller or blade wheel and thus the work performance.
  • the blades are usually on a rotatable
  • Shaft of the turbomachine is arranged, the guide vanes of which are arranged on corresponding guide wheels, are arranged on the stationary housing, the turbomachine housing, which surrounds the shaft while forming a flow channel.
  • a further limitation of the efficiency is caused by the so-called radial gap losses.
  • the static pressure difference over the corresponding paddle wheel is disadvantageously driving for the leakage mass flow conducted over the radial gap between the shroud and the edge of the flow housing. This in turn is proportional to the resulting radial gap loss.
  • Radial gap is located in the area of an enlarged pressure difference.
  • DE-PS 962 301 describes a turbomachine, in particular a gas turbine, with an external rotor.
  • the turbomachine has radially inward-pointing ceramic rotor blades and a fixed, bladed stator arranged in the interior of the rotor.
  • the ceramic rotor blades are clamped in by means of metal fastening rings (rotor blade rings) which are located radially along the blade axis and which are enclosed by a radially outwardly directed, rotatable steel jacket.
  • the invention is based on the object of specifying a turbomachine for a turboset with a turbomachine and an electrical machine, the fluidic losses of which are as small as possible, so that the highest possible efficiency can be achieved.
  • the turbo set should at the same time be designed with regard to the most efficient possible transmission of the power between the turbomachine and the electrical machine.
  • a turbo set comprising a turbomachine and an electrical machine, the turbomachine having a rotatable part carrying a number of moving blades and a stationary part carrying a number of guide blades, a flow channel which can be acted upon by a flow medium being formed between the two parts is, wherein the rotatable part coaxially surrounds the stationary part and the rotatable part has a rotor winding of the electrical machine.
  • the invention provides for the first time a turbo set in which both a high efficiency of the turbomachine and an efficient energy transfer from the turbomachine to an electrical machine or vice versa can be achieved.
  • the energy can be absorbed by an electrical generator, for example.
  • the electrical machine for example a motor or a generator, being coupled to the turbomachine by a rotor winding of the electrical machine radially outside the flow channel on the rotatable one Part is arranged.
  • turbo set specified here an integrated system can be realized, whereby the advantages of an external rotor are effectively exploited.
  • an improvement in the overall efficiency of the integrated system comprising the turbomachine and electrical machine is achieved.
  • the electrical machine in particular a motor or a generator, is arranged radially outside the turbomachine.
  • both a rotor winding and a stator winding of the electrical machine can be fully integrated into the system and a very compact construction of the turboset is achieved.
  • the blades are expediently fastened to a housing, the turbomachine housing, which is rotatably mounted on the stationary part.
  • the centrifugal force causes a pressure load in the respective rotor blade during operation of the turbomachine.
  • the compressive stress caused by the compressive force in turn at least partially compensates for the bending tensile stress in the region of the blade root caused by the bending load of the flow medium. This compensation leads to an increase in the controllable bending load, so that an overall increase in the blade heights can be realized.
  • a clear compensation of the (bending) tensile stress may even enable the use of new, for example, ceramic materials in high-temperature applications, which due to their pronounced sensitivity to tensile stresses cannot be used in conventional construction.
  • a superimposition of the compressive stress due to the centrifugal force and the bending compressive stress is in fact much less critical, since compressive stresses up to significantly higher amounts than tensile stresses can be tolerated with almost all materials.
  • the arrangement of the rotor blades on the rotatable part surrounding the guide blades, in particular on the turbomachine housing means that the radial gap is in each case in the region of the lowest pressure drop over the impeller wheel.
  • the guide vanes are arranged on the part surrounded by the rotatable housing, in particular on the turbomachine housing, the leakage mass flow is reduced both via the guide vane rows and via the rotor blade rows. A resulting reduction in radial gap losses leads to an increase in efficiency.
  • the rotatable part is surrounded by an outer housing connected to the stationary part, which is preferably supported on a foundation and carries the stationary part.
  • the inflow and outflow of the flow medium can take place via an inlet provided at the end of the flow channel or via an outlet provided on the outflow side of the flow channel.
  • the stationary part can be designed in the manner of a hollow shaft and have an inlet and an outlet for the flow medium. These then open into the flow channel via a number of radial through openings arranged distributed around the circumference of the standing part.
  • the turbomachine with a stationary shaft and rotatable turbomachine In contrast to the conventional design with an electrical machine, for example a generator or a motor, arranged on the same rotating shaft axially offset from the turbine, a particularly advantageous compact design is possible.
  • the rotatable part ie the rotatable turbomachine housing, carries the rotor winding of the electrical machine, while the stator winding of the electrical machine is arranged radially outside on a stationary outer housing.
  • This integrated compact design is of considerable advantage in particular in the case of a low-power turboset, for example an industrial turbine, and thus comparatively small radial dimensions in which centrifugal forces have no restrictive effects on strength.
  • the electrical machine preferably has a stator winding which is arranged on the stationary outer housing.
  • the electrical machine is an electrical motor or an electrical generator.
  • the turbomachine is further preferably configured as a turbomachine, in particular as a gas turbine, a steam turbine, a compressor or a compressor.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that in a turbomachine whose rotatable part carrying the rotor blades surrounds the stationary part that carries the guide vanes, comparatively large blade heights and thus low edge zone losses in general and small radial gap losses due to the favorable pressure curve in particular can be realized are, so that overall a high efficiency is achieved.
  • This arrangement with a rotatable turbomachine housing is suitable for both a turbine and a compressor, in particular for a gas turbine, in which the turbine and the compressor can also have a common rotatable housing, as well as for a fan or the like. Use in a steam turbine is also possible.
  • FIG. 1 schematically shows in longitudinal section a turboset comprising a turbomachine with a stationary hollow shaft and with a rotatable housing and with a generator arranged radially outside as an electrical machine
  • FIG. 2 shows a turboset according to FIG. 1 with a stable inlet and outlet grille on the flow channel
  • FIG. 3 shows a section III 1 on a larger scale with an arrow representation of the loads on the blade root
  • FIG. 4 shows a further detail IV from FIG. 1 with a
  • the turbomachine 1 comprises a stationary part 2, designed as a hollow shaft, with guide vanes 3 distributed around its circumference and directed radially outward. These are combined in guide wheels 4, which are arranged at a distance from one another along a central axis 5. Similarly, a rotatably mounted part 6 has radially inwardly directed blades 7 in impellers 8 arranged at a distance from one another. This surrounds the resting one Part 2 coaxially as a rotatable housing 6 'and is supported on the stationary part 2 via bearing 9.
  • the impellers 8 are arranged between the guide wheels 4, so that the rotor blades 7 and the guide blades 3 lie in a common flow channel 10.
  • the flow channel 10 is an annular space formed between the stationary part 2 and the rotatable part 6, through which a flow medium M, for example gas in a gas turbine, steam in a steam turbine or air in a compressor, flows through during operation of the turbomachine 1.
  • a flow medium M for example gas in a gas turbine, steam in a steam turbine or air in a compressor
  • the stationary part 2 is designed in the manner of a hollow shaft which has an inlet 11 on the inflow side and an outlet 12 for the flow medium M on the outflow side.
  • the flow medium M is introduced into the flow channel 10 in the direction of the arrows shown and is discharged downstream therefrom via flow openings 13 distributed around the circumference of the stationary part 2.
  • the hot flow medium M which is under high pressure, is relaxed while performing work and drives the rotatably mounted part 6 in a rotational movement about the central axis 5.
  • the rotatable part 6 carries the rotor winding 14 of an electrical machine, here a generator 15, the stator winding 16 of the generator 15 being arranged on a stationary outer housing 17, offset radially outward.
  • the outer housing 17 is connected to the stationary part 2 and stands on a foundation 18 which carries a compact turbo set comprising the turbomachine 1 and the generator 15.
  • the part 2 carrying the guide vanes 3 is designed in the manner of a stationary shaft, while the rotatable part 6, i.e. the rotatable
  • Turbine housing is constructed analogously to FIG 1.
  • the outer housing 17 is supported on the foundation 18 via a stable Inlet grille 19 and a stable outlet grille 20 from.
  • the rotatably mounted part 6 is supported on the stationary part 2 via inlet and outlet grids 19 ′ and 20 ′ provided along the axis 5 on opposite sides of the flow channel 10.
  • the flow medium M flows into the flow channel 10 via the inlet grilles 19, 19 'and leaves it in the cooled and relaxed state via the outlet grilles 20, 20'.
  • FIG. 3 shows the mechanical load in the form of voltages marked with arrows at the base point 21 of the rotor blade 7 with the aid of a section from FIG. 1 (cf. III in FIG. 1) with a housing part of the rotatable part 6 and a rotor blade 7 attached thereto
  • ⁇ z denotes the maximum tensile stress that can be tolerated by the material.
  • ⁇ f denotes the compressive stress caused by the centrifugal force during the rotation of the rotatable part 6.
  • the maximum permissible bending tensile stress is denoted by ⁇ b due to the bending load, which can be represented simply by a force F acting on the free end of the blade 7 and caused by the flow medium M. As indicated by the arrows, this results from ⁇ z and ⁇ f .
  • FIG. 4 shows a radius / pressure diagram of the static pressure p in front of, between and behind a guide and running curve 3 or with the aid of a section from FIG. 1 (cf. IV in FIG 7 with a shroud 22 along the clear width or the radius R of the flow channel 10.
  • the area A represents the state of the almost swirl-free stator inflow onto the guide vane 3, while the area B represents the state of the swirled stator outflow behind the vane 3 and represented in front of the Laufschaufei 7.
  • the area C represents the state of the flow behind the rotor blade 7.
  • the corresponding pressure profiles p 0 , P ⁇ and p 2 are shown in the radius / pressure diagram below the section.
  • the swirl flow in the area B between the guide vane 3 and the rotor blade 7 leads to a reduction in the static pressure p at the stationary part 2 (reaction reduction at the hub) and to an increase in the static pressure p at the rotatable part 7 (reaction increase on the housing).
  • the radial gap 23 is located between the free end of the respective blade 3, 7, ie the respective shroud 22 and the corresponding edge of the flow channel 10, in the region of the lowest pressure drop ⁇ p s over the blade free end. This leads to a reduction in the leakage mass flow in the blade rows 4, 8 and, due to the resulting low radial gap losses, to an increased efficiency.

Abstract

Zur Erhöhung des Wirkungsgrads eines Turbosatzes, umfassend eine elektrische Maschine (15) sowie eine Strömungsmaschine (1) mit einem eine Anzahl von Laufschaufeln (7) tragenden rotierbaren Teil (6) und mit einem eine Anzahl von Leitschaufeln (3) tragenden ruhenden Teil (2), ist das ruhende Teil (2) vom rotierbaren Teil (6) koaxial umgeben. Es wird eine kompakte integrierte Bauweise dadurch realisiert, daß das rotierbare Teil (6) die Rotorwicklung (14) der elektrischen Maschine aufweist.

Description

Beschreibung
Strömungsmaschine, insbesondere Turbosatz mit einer Strömungsmaschine und mit einer elektrischen Maschine
Die Erfindung betrifft einen Turbosatz umfassend eine Strömungsmaschine und eine elektrische Maschine. Die Strömungsmaschine weist ein eine Anzahl von Laufschaufeln tragendes rotierbares Teil sowie ein eine Anzahl von Leitschaufeln tra- gendes ruhendes Teil auf, wobei zwischen den beiden Teilen ein mit einem Strömungsmedium beaufschlagbarer Strömungskanal gebildet ist. Unter Strömungsmaschine wird hier eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine oder eine Dampfturbine, ein Kompressor, ein Verdichter oder dergleichen, verstanden. Die elektrische Maschine des Turbosatzes ist dabei beispielsweise ein Elektromotor oder ein Generator.
Eine derartige Strömungsmaschine eines Turbosatzes umfasst ein einzelnes Laufrad oder eine Anzahl von in Axialrichtung hintereinander angeordneten Laufrädern, deren Laufschaufeln im Betrieb von einem gas- oder dampfförmigen Strömungsmedium umströmt werden. Das Strömungsmedium übt dabei auf die Laufschaufeln eine Kraft aus, die ein Drehmoment des Lauf- oder Schaufelrades und somit die Arbeitsleistung bewirkt. Dazu sind die Laufschaufeln üblicherweise an einer rotierbaren
Welle der Strömungsmaschine angeordnet, deren an entsprechenden Leiträdern angeordnete Leitschaufeln am ruhenden, die Welle unter Bildung eines Strömungskanals umgebenden Gehäuse, dem Turbomaschinengehäuse, angeordnet sind.
Während bei einem Turboverdichter oder einem Kompressor dem Strömungsmedium mechanische Energie zugeführt wird, wird bei einer Turbine als Strömungsmaschine dem durchfließenden Strömungsmedium mechanische Energie entzogen. Bei einer herkömm- liehen Turbomaschine mit einer im Betrieb rotierenden Welle und mit ruhendem Turbomaschinengehäuse erzeugt die Fliehkraft in der oder jeder an der Welle befestigten Laufschaufei eine Zugbelastung, die einer durch die Strömungskräfte des Strö- mungsmediums hervorgerufenen Biegebelastung überlagert ist. Damit ergibt sich eine kritische Belastung an denjenigen Stellen am Schaufelfuß und in der Welle, an denen sich die Biegezugspannung und die Zugspannung infolge der Fliehkraft überlagern. Aufgrund dieser kritischen Belastung ist die Schaufelhöhe und damit der Wirkungsgrad der Turbomaschine begrenzt .
Eine weitere Begrenzung des Wirkungsgrades ist durch die sogenannten Radialspaltverluste bedingt. So ist bei beispielsweise mit Deckbändern versehenen Schaufeln die statische Druckdifferenz über das entsprechende Schaufelrad in nachteiliger Weise treibend für den über den Radialspalt zwischen dem Deckband und der Berandung des Strömungsgehäuses geführten Leckmassenstrom. Dieser wiederum ist proportional dem dadurch entstehenden Radialspaltverlust. Bei einer üblichen Turbomaschine mit an der rotierbaren Welle angeordneten Laufschaufeln und mit am ruhenden Turbomaschinengehäuse vorgese- henen Leitschaufeln kommt erschwerend hinzu, dass sich der
Radialspalt jeweils im Bereich einer vergrößerten Druckdifferenz befindet.
In der DE-PS 962 301 ist eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit außenliegendem Läufer beschrieben. Die Strömungsmaschine weist radial nach innen gerichtete keramische Laufschaufeln und einen feststehenden beschaufelten, im Innern des Läufers angeordneten, Stator auf. Die Einspannung der keramischen Laufschaufeln erfolgt mittels radial entlang der Schaufelachse außenliegenden metallischen Befestigungsringen (Laufschaufelringe) , die von einem radial nach außen gerichteten rotierbaren Stahlmantel umschlossen sind. Dadurch ist eine dauerhafte Befestigung für keramische Laufschaufeln erreicht, welche für die auftretenden Beanspruchungen im Be- trieb der Strömungsmaschine geeignet ist und dabei spezifische Materialeigenschaften der mineralischen Stoffe, nämlich eine relativ geringe Zereißfestigkeit aber ausreichend große Druckfestigkeit, berücksichtigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Turbosatz mit einer Strömungsmaschine und einer elektrischen Maschine eine Strömungsmaschine anzugeben, deren strömungsmechanischen Verluste möglichst gering sind, so dass ein möglichst hoher Wirkungsgrad erzielbar ist. Dabei soll der Turbosatz zugleich hinsichtlich einer möglichst effizienten Übertragung der Lei- stung zwischen der Strömungsmaschine und der elektrischen Maschine ausgestaltet sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Turbosatz umfassend eine Strömungsmaschine und eine elektrische Maschine, wobei die Strömungsmaschine ein eine Anzahl von Laufschaufeln tragendes rotierbares Teil sowie ein eine Anzahl von Leitschaufeln tragendes ruhendes Teil aufweist, wobei zwischen den beiden Teilen ein mit einem Strömungsmedium beaufschlagbarer Strömungskanal gebildet ist, wobei das ro- tierbare Teil das ruhende Teil koaxial umgibt und das rotierbare Teil eine Rotorwicklung der elektrischen Maschine aufweist.
Mit der Erfindung wird erstmals ein Turbosatz angegeben, bei dem sowohl ein hoher Wirkungsgrad der Strömungsmaschine als auch eine effiziente Energieübertragung von der Strömungsmaschine zu einer elektrischen Maschine oder umgekehrt erzielbar ist. Dabei kann die Energie beispielsweise von einem elektrischen Generator aufgenommen werden. Besonders vorteil- haft erweise sich hierbei die mögliche Realisierung des Turbosatzes in einer Platz sparenden Kompaktbauweise, wobei die elektrische Maschine, z.B. ein Motor oder ein Generator, dadurch an die Strömungsmaschine angekoppelt wird, daß eine Rotorwicklung der elektrischen Maschine radial außerhalb des Strömungskanals an dem rotierbaren Teil angeordnet ist. Im Gegensatz hierzu wird bei herkömmlicher Bauweise eine axial hintereinander geschaltete Anordnung von Strömungsmaschine und elektrischer Maschine gewählt, was mit deutlich größeren Axialdimensionen des Turbosatzes einhergeht sowie mit zusätzlichen Trag- oder Koppeleinrichtungen für das System aus elektrischer Maschine und Strömungsmaschine.
Mit dem hier angegebenen Turbosatz wird ein integriertes System realisierbar, wobei die Vorteile eines außenliegenden Läufers wirkungsvoll ausgenutzt werden. Neben einer erheblichen Kosteneinsparung durch den Wegfall von Komponenten im Vergleich zu den bisher üblichen Turbosätzen (Materialeinsparung etc.) wird eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads des integrierten Systems aus Turbomaschine und elektrischer Maschine erreicht.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist dabei die elektrische Maschine, insbesondere ein Motor oder ein Generator, radial außerhalb der Strömungsmaschine angeordnet. Mit dieser Ausgestaltung sind sowohl eine Rotorwicklung als auch eine Statorwicklung der elektrischen Maschine in das System vollständig integrierbar und eine sehr kompakte Bauweise des Turbosatzes wird erreicht.
Zweckmäßigerweise sind bei der Strömungsmaschine die Laufschaufeln an einem am ruhenden Teil drehbar gelagerten Ge- häuse, dem Turbomaschinengehäuse, befestigt. Durch Anordnung der Laufschaufeln am rotierbaren Gehäuse, dem Turbomaschinengehäuse, ruft beim Betrieb der Strömungsmaschine die Fliehkraft eine Druckbelastung in der jeweiligen Laufschaufei hervor. Die durch die Druckkraft hervorgerufene Druckspannung kompensiert wiederum zumindest teilweise die durch die Biegebelastung des Strömungsmediums hervorgerufene Biegezugspannung im Bereich des Schaufelfußes. Diese Kompensation führt zu einer Vergrößerung der beherrschbaren Biegebelastung, so dass insgesamt eine Vergrößerung der Schaufelhöhen realisiert werden kann. Eine deutliche Kompensation der (Biege-) Zugspannung ermöglicht unter Umständen sogar die Verwendung neuartiger, beispielsweise keramischer Werkstoffe bei Hochtemperaturanwendungen, die aufgrund deren ausgeprägter Empfindlichkeit ge- genüber Zugspannungen bei konventioneller Bauweise nicht einsetzbar sind. Eine Überlagerung der Druckspannung infolge der Fliehkraft und der Biegedruckspannung ist nämlich wesentlich weniger kritisch, da bei nahezu allen Werkstoffen Druckspannungen bis zu deutlich höheren Beträgen ertragbar sind als Zugspannungen.
Andererseits führt die Anordnung der Laufschaufeln am die Leitschaufeln umgebenden rotierbaren Teil, insbesondere am Turbomaschinengehäuse, dazu, dass sich der Radialspalt je- weils im Bereich des geringsten Druckabfalls über dem Schaufelrad befindet. Bei der Anordnung der Leitschaufeln am vom rotierbaren Gehäuse, insbesondere am Turbomaschinengehäuse, umgebenen Teil ist der Leckmassenstrom sowohl über die Leitschaufelreihen als auch über die Laufschaufelreihen redu- ziert. Eine dadurch bedingte Verminderung der Radialspaltver- luste führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist das rotierbare Teil von einem mit dem ruhenden Teil verbundenen Außengehäuse umgeben, das sich vorzugsweise auf einem Fundament abstützt und das ruhende Teil trägt. Die Einströmung und die Abströmung des Strömungsmediums kann über einen am Strömungskanal stirnsei- tig vorgesehenen Einlaß bzw. über einen abströmseitig am Strömungskanal vorgesehenen Auslaß erfolgen. Alternativ kann das ruhende Teil nach Art einer Hohlwelle ausgebildet sein und einen Einlaß sowie einen Auslaß für das Strömungsmedium aufweisen. Diese münden dann jeweils über eine Anzahl von am Umfang des stehenden Teils verteilt angeordneten radialen Durchgangsöffnungen in den Strömungskanal ein.
Wie bereits weiter oben angesprochen, ist bei der Strömungsmaschine mit ruhender Welle und rotierbarem Turbomaschinenge- häuse im Gegensatz zur konventionellen Bauweise mit einer auf derselben rotierenden Welle axial zur Turbine versetzt angeordneten elektrischen Maschine, beispielsweise ein Generator oder ein Motor, eine besonders vorteilhafte kompakte Bauweise möglich. Dazu trägt das rotierbare Teil, d.h. das rotierbare Turbomaschinengehäuse, die Rotorwicklung der elektrischen Maschine, während die Statorwicklung der elektrischen Maschine radial außerhalb an einem ruhenden Außengehäuse angeordnet ist. Dadurch wird im Vergleich zur herkömmlichen Bauweise eine erhebliche Reduzierung der axialen Baulänge erreicht. Insbesondere bei einem Turbosatz geringer Leistung, beispielsweise einer Industrieturbine, und damit vergleichsweise geringen radialen Abmessungen, bei denen Fliehkräfte keine einschränkenden Festigkeitsauswirkungen hervorrufen, ist diese integrierte Kompaktbauweise von erheblichem Vorteil.
Vorzugsweise weist die elektrische Maschine eine Statorwicklung auf, welche am ruhenden Außengehäuse angeordnet ist.
In bevorzugten Ausgestaltungen ist die elektrische Maschine ein elektrischer Motor oder ein elektrischer Generator.
Weiter bevorzugt ist in dem Turbosatz die Strömungsmaschine als eine Turbomaschine, insbesondere als eine Gasturbine, eine Dampfturbine, ein Kompressor oder ein Verdichter, ausgestaltet.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass bei einer Strömungsmaschine, deren die Lauf- schaufeln tragendes rotierbares Teil das die Leitschaufeln tragende ruhende Teil umgibt, vergleichsweise große Schaufelhöhen und damit geringer Randzonenverluste im allgemeinen sowie geringe Radialspaltverluste durch den günstigen Druckverlauf im speziellen realisierbar sind, so dass insgesamt ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird. Diese Anordnung mit rotierbarem Turbomaschinengehäuse eignet sich sowohl für eine Turbine und einen Verdichter, insbesondere für eine Gasturbine, bei der die Turbine und der Verdichter auch ein gemeinsames rotierbares Gehäuse aufweisen können, als auch für einen Ventilator oder dergleichen. Auch die Anwendung in einer Dampfturbine ist möglich.
Darüber hinaus ist eine kompakte integrierte Bauweise für einen Turbosatz mit einer Turbomaschine und mit einer elektrischen Maschine bereitgestellt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 im Längsschnitt schematisch einen Turbosatz umfassend eine Strömungsmaschine mit ruhender Hohlwelle und mit rotierbarem Gehäuse sowie mit einem radial außerhalb angeordneten Generator als elektrische Maschine, FIG 2 einen Turbosatz gemäß FIG 1 mit stabilem Einlaß- und Auslaßgitter am Strömungskanal, FIG 3 einen Ausschnitt III aus FIG 1 in größerem Maßstab mit einer Pfeildarstellung der Belastungen am Schaufelfuß, und FIG 4 einen weiteren Ausschnitt IV aus FIG 1 mit einem
Radius/Druck-Diagramm entlang einer Lauf- und Leit- schaufei.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Strömungsmaschine 1 gemäß FIG 1 umfasst ein als Hohlwelle ausgeführtes ruhendes Teil 2 mit an dessen Umfang verteilt angeordneten und radial nach außen gerichteten Leitschaufeln 3. Diese sind in Leiträder 4 zusammengefasst, die entlang einer zentralen Achse 5 zueinander beabstandet angeord- net sind. Analog weist ein drehbar gelagertes Teil 6 radial nach innen gerichtete Laufschaufeln 7 in beabstandet zueinander angeordneten Laufrädern 8 auf. Dieses umgibt das ruhende Teil 2 koaxial als rotierbares Gehäuse 6' und stützt sich am ruhenden Teil 2 über Lager 9 ab.
Die Laufräder 8 sind zwischen den Leiträdern 4 angeordnet, so dass die Laufschaufeln 7 und die Leitschaufeln 3 in einem gemeinsamen Strömungskanal 10 liegen. Der Strömungskanal 10 ist ein zwischen dem ruhenden Teil 2 und dem rotierbaren Teil 6 gebildeter Ringraum, durch den beim Betrieb der Strömungsmaschine 1 ein Strömungsmedium M, beispielsweise Gas bei einer Gasturbine, Dampf bei einer Dampfturbine oder Luft bei einem Verdichter, hindurchströmt.
Dazu ist beim Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1 das ruhende Teil 2 nach Art einer Hohlwelle ausgebildet, die einströmsei- tig einen Einlaß 11 und abströmseitig einen Auslaß 12 für das Strömungsmedium M aufweist. Über am Umfang des ruhenden Teils 2 verteilt angeordnete Durchlaßöffnungen 13 wird das Strömungsmedium M in Richtung der dargestellten Pfeile in den Strömungskanal 10 hineingeführt und stromabwärts aus diesem wieder abgeführt. Dabei wird das unter hohem Druck stehende heiße Strömungsmedium M arbeitsleistend entspannt und treibt dabei das drehbar gelagerte Teil 6 in eine Rotationsbewegung um die zentrale Achse 5 an.
Das rotierbare Teil 6 trägt die Rotorwicklung 14 einer elektrischen Maschine, hier eines Generators 15, wobei die Statorwicklung 16 des Generators 15 radial nach außen versetzt an einem ruhenden Außengehäuse 17 angeordnet ist. Das Außengehäuse 17 ist mit dem ruhenden Teil 2 verbunden und steht auf einem Fundament 18, das einen kompakten Turbosatz umfassend die Strömungsmaschine 1 und den Generator 15 trägt.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß FIG 2 ist das die Leitschaufeln 3 tragende Teil 2 nach Art einer ruhenden Welle ausge- führt, während das rotierbare Teil 6, d.h. das rotierbare
Turbinengehäuse, analog zur FIG 1 aufgebaut ist. Das Außengehäuse 17 stützt sich auf dem Fundament 18 über ein stabiles Einlaßgitter 19 und ein stabiles Auslaßgitter 20 ab. Ebenso stützt sich das drehbar gelagerte Teil 6 über entlang der Achse 5 einander an gegenüberliegenden Seiten des Strömungskanal 10 vorgesehene Einlaß- und Auslaßgitter 19' bzw. 20' am ruhenden Teil 2 ab. Das Strömungsmedium M strömt beim Betrieb der Strömungsmaschine 1 über die Einlaßgitter 19,19' in den Strömungskanal 10 ein und verlässt diesen in abgekühltem und entspanntem Zustand über die Auslaßgitter 20,20'.
FIG 3 zeigt anhand eines Ausschnitts aus FIG 1 (vergl. III in FIG 1) mit einem Gehäuseteil des rotierbaren Teils 6 und einer daran befestigten Laufschaufel 7 die mechanische Belastung in Form von mit Pfeilen gekennzeichneten Spannungen am Fußpunkt 21 der Laufschaufei 7. Dabei ist mit τz die maximal vom Werkstoff ertragbare und damit zugelassene Zugspannung bezeichnet. Mit τf ist die durch die Fliehkraft bei der Rotation des rotierbaren Teils 6 hervorgerufene Druckspannung bezeichnet. Mit τb ist die durch die Biegebelastung, die sich vereinfacht durch eine am Freiende der Schaufel 7 angreifende und durch das Strömungsmedium M hervorgerufene Kraft F repräsentieren läßt, maximal zulässige Biegezugspannung bezeichnet. Wie durch die Pfeile angedeutet, ergibt sich diese aus τz und τf.
Wie mit der Pfeildarstellung veranschaulicht, gilt:
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und |Xb|=|Tz|+ |Xf| • D. h., die maximal zulässige Biegezugspannung τb ist betragsmäßig um den Betrag der entgegengesetzt gerichteten Fliehkraft-Druckspannung τf größer als die maximal vom Werkstoff ertragbare Zugspannung τz. Die Fliehkraftbelastung kompensiert damit zumindest teilweise die Biegebelastung. Dadurch sind betragsmäßig deutlich höhere Biegezugspannungen und damit bei gleicher Kraft F deutlich größere Schaufelhöhen h realisierbar als bei konventioneller Bauweise, bei der die maximale Biegezugspannung betragsmäßig um die Flieh- kraftspannung kleiner als die vom Werkstoff maximal ertragbare Zugspannung sein muß. FIG 4 zeigt anhand eines Ausschnitts aus FIG 1 (vergl. IV in FIG 1) mit der dort beispielhaft dargestellten Turbine als Strömungsmaschine 1 ein Radius/Druck-Diagramm des statischen Druck p vor, zwischen und hinter einer Leit- und Laufschau- fei 3 bzw. 7 mit einem Deckband 22 entlang der lichten Weite oder dem Radius R des Strömungskanals 10. Der Bereich A repräsentiert den Zustand der nahezu drallfreien Statorzuströ- mung auf die Leitschaufel 3, während der Bereich B den Zustand der drallbehafteten Statorabströmung hinter der Leit- schaufei 3 und vor der Laufschaufei 7 repräsentiert. Der Bereich C repräsentiert den Zustand der Strömung hinter der Laufschaufei 7. Die entsprechenden Druckverläufe p0,Pι bzw. p2 sind in dem Radius/Druck-Diagramm unterhalb des Ausschnitts dargestellt .
Im Betrieb der Strömungsmaschine 1 führt die Drallströmung im Bereich B zwischen der Leitschaufel 3 und der Laufschaufel 7 zu einer Absenkung des statischen Drucks p am ruhenden Teil 2 (Reaktionsabsenkung an der Nabe) und zu einer Erhöhung des statischen Drucks p am rotierbaren Teil 7 (Reaktionsanstieg am Gehäuse) . Dadurch befindet sich der Radialspalt 23 zwischen dem Freiende der jeweiligen Schaufel 3,7, d. h. dem jeweiligen Deckband 22 und der entsprechenden Berandung des Strömungskanals 10 im Bereich des geringsten Druckabfalls Δps über das Schaufelfreiende. Dies führt zu einer Reduzierung des Leckmassenstroms in den Schaufelreihen 4,8 und aufgrund der dadurch bedingten geringen Radialspaltverluste zu einem erhöhten Wirkungsgrad.

Claims

Patentansprüche
1. Turbosatz umfassend eine Strömungsmaschine (1) und eine elektrische Maschine (15), wobei die Strömungsmaschine (1) ein eine Anzahl von Laufschaufeln (7) tragendes rotierbares Teil (6) sowie ein eine Anzahl von Leitschaufein (3) tragendes ruhendes Teil (2) aufweist, wobei zwischen den beiden Teilen (2, 6) ein mit einem Strömungsmedium (M) beaufschlagbarer Strömungskanal (10) gebildet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das rotierbare Teil (6) das ruhende Teil (2) koaxial umgibt und das rotierbare Teil (6) eine Rotorwicklung (14) der elektrischen Maschine aufweist.
2. Turbosatz 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 Laufschaufeln (7) an einem am ruhenden Teil (2) drehbar gelagerten Gehäuse (6') befestigt sind.
3. Turbosatz nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das ruhende Teil (2) nach Art einer Hohlwelle einen Einlaß (11) und einen Auslaß (12) für das Strömungsmedium (M) aufweist, die jeweils über eine Anzahl von am Umfang des ruhenden Teils (2) ver- teilt angeordneten Durchgangsöffnungen (13) mit dem Strömungskanal (10) in Verbindung stehen.
4. Turbosatz nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Strö- mungskanal (10) einen Einlaß (11) und einen Auslaß (12) für das Strömungsmedium (M) aufweist, wobei der Einlaß (11) und/oder der Auslaß (12) mit einem Stützgitter (19,20) versehen ist.
5. Turbosatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein mit dem ruhenden Teil (2) verbundenes Außengehäuse (17) vorgesehen ist, welches das rotierbare Teil (6) umgibt.
6. Turbosatz nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Außengehäuse (17) sich auf einem Fundament (18) abstützt.
7. Turbosatz nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die elek- trische Maschine (15) eine Statorwicklung (16) aufweist, welche am ruhenden Außengehäuse (17) angeordnet ist.
8. Turbosatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die elek- trische Maschine (15) als elektrischer Motor oder als elektrischer Generator ausgestaltet ist.
9. Turbosatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Strö- mungsmaschine (1) als eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine, eine Dampfturbine, ein Kompressor oder ein Verdichter, ausgestaltet ist.
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