DE102021200155A1

DE102021200155A1 - Zweiwellige Gasturbine

Info

Publication number: DE102021200155A1
Application number: DE102021200155.6A
Authority: DE
Inventors: Yasunori Kimura
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2020-02-17
Filing date: 2021-01-11
Publication date: 2021-08-19
Also published as: CN113266466A; US20210254546A1; JP2021127755A

Abstract

Eine zweiwellige Gasturbine reduziert den Energieverlust und weist eine kompakte Größe auf. Sie umfasst einen Kompressor, eine Hochdruckturbine mit einer mit einer Drehwelle des Kompressors verbundenen ersten Welle, eine Niederdruckturbine mit einer zweiten Welle, die von der ersten Welle getrennt ist, und koaxial zu der Hochdruckturbine in einem Abstand in einer Richtung einer Achse O1 zwischen der Niederdruckturbine und der Hochdruckturbine bereitgestellt ist, einen Zwischenströmungspfad 13 zwischen einer Endstufen-Rotorlaufschaufel 14 der Hochdruckturbine und einer Erststufen-Rotorlaufschaufel 15 der Niederdruckturbine in der Richtung der Achse 01, wobei der Zwischenströmungspfad 13 der Niederdruckturbine ein Verbrennungsgas aus der Hochdruckturbine zuführt, und eine innerhalb des Zwischenströmungspfads 13 angeordnete Strebe 16, die gleichzeitig als eine Erststufen-Statorlaufschaufel der Niederdruckturbine fungiert, wobei B/A > C/B erfüllt ist. Eine ringförmige Strömungspfadfläche des Zwischenströmungspfads 13 an einem Auslass der Endstufen-Rotorlaufschaufel 14 definiert A, eine ringförmige Strömungspfadfläche des Zwischenströmungspfads 13 an einer Position einer Anströmkante 16a der Strebe 16 definiert B und eine ringförmige Strömungspfadfläche des Zwischenströmungspfads 13 an einer Position einer Abströmkante 16b der Strebe 16 definiert C.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine zweiwellige Gasturbine.
Stand der Technik
Im Stand der Technik ist eine bekannte zweiwellige Gasturbine mit einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine auf separaten Wellen versehen und führt ein Verbrennungsgas, das durch die Hochdruckturbine hindurchgetreten ist, durch einen Zwischenkanal der Niederdruckturbine zu.
Beispielsweise weisen hochleistungsfähige zweiwellige Gasturbinen viele Vorteile auf, wie die Fähigkeit zum beliebigen Einstellen und Auswählen der Drehzahl der Drehwelle, die Fähigkeit zum Implementieren von Antrieb in einem breiten Bereich von Drehzahlen, die Fähigkeit zum Starten eines Anlassers mit niedrigem Startdrehmoment beim Starten des Anlassers, der eine Kompressorantriebsturbine dreht, und sie lassen sich gut warten. Somit werden hochleistungsfähige zweiwellige Gasturbinen als Turbinen in verschiedenen Industriemaschinen, Energieerzeugungsvorrichtungen und dergleichen und insbesondere einer Turbine zum Antreiben einer Industriemaschine verwendet.
Im Vergleich zu einer einwelligen Gasturbine weist eine zweiwellige Gasturbine mehr Gewicht und eine längere axiale Länge auf, da die zweiwellige Gasturbine eine größere Anzahl an Wellen einschließt. Es besteht daher ein Bedarf daran, eine zweiwellige Gasturbine so kompakt wie möglich herzustellen.
In dieser Hinsicht beschreibt Patentdokument 1 eine zweiwellige Gasturbine für ein Flugzeugtriebwerk, die eine reduzierte axiale Länge aufweist, indem eine in einem Zwischenkanal bereitgestellte Strebe so konstruiert wird, dass sie gleichzeitig als Statorlaufschaufel fungiert, das heißt eine integrierte Streben-/Statorlaufschaufelkonstruktion.
Liste der Entgegenhaltungen
Patentliteratur
Patentdokument 1:

Patentdokument 1: US 2019/0136702 A

Kurzdarstellung der Erfindung
Technisches Problem
Jedoch kann in Fällen wie der zweiwelligen Gasturbine von Patentdokument 1, in denen die in dem Zwischenkanal bereitgestellte Strebe so konstruiert ist, dass sie gleichzeitig als Statorlaufschaufel fungiert, die axiale Länge der zweiwelligen Gasturbine reduziert werden. Es besteht jedoch ein Problem darin, dass aufgrund hoher Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb des Axialpositionsbereichs, in dem die Strebe bereitgestellt ist, ein großer Energieverlust auftritt.
Angesichts des Vorstehenden ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zweiwellige Gasturbine bereitzustellen, die kompakt ist und in der Lage ist, den Energieverlust von Verbrennungsgas zu reduzieren.
Lösung des Problems
Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine zweiwellige Gasturbine einschließlich eines Kompressors, einer Hochdruckturbine, die eine erste Welle einschließt, die mit einer Drehwelle des Kompressors verbunden ist, einer Niederdruckturbine, die eine zweite Welle einschließt, die von der ersten Welle getrennt ist, und koaxial zu der Hochdruckturbine mit einem Abstand in einer Achsenrichtung zwischen der Niederdruckturbine und der Hochdruckturbine bereitgestellt ist, eines Zwischenströmungspfads, der zwischen einer Endstufen-Rotorlaufschaufel der Hochdruckturbine und einer Erststufen-Rotorlaufschaufel der Niederdruckturbine in der Achsenrichtung bereitgestellt ist, wobei der Zwischenströmungspfad konfiguriert ist, um der Niederdruckturbine ein Verbrennungsgas aus der Hochdruckturbine zuzuführen, und einer Strebe, die innerhalb des Zwischenströmungspfads angeordnet ist, wobei die Strebe gleichzeitig als eine Erststufen-Statorlaufschaufel der Niederdruckturbine fungiert, wobei B/A > C/B erfüllt ist, wobei eine ringförmige Strömungspfadfläche des Zwischenströmungspfads an einem Auslass der Endstufen-Rotorlaufschaufel als A bestimmt ist, eine ringförmige Strömungspfadfläche des Zwischenströmungspfads an einer Anströmkantenposition der Strebe als B bestimmt ist und eine ringförmige Strömungspfadfläche des Zwischenströmungspfads an einer Abströmkantenposition der Strebe als C bestimmt ist.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der zweiwelligen Gasturbine eines Gesichtspunkts der vorliegenden Erfindung kann, da die in dem Zwischenströmungspfad bereitgestellte Strebe gleichzeitig als die Erststufen-Statorlaufschaufel der Niederdruckturbine fungiert, die Größe (axiale Länge) reduziert werden und die Turbine kann kompakt hergestellt werden.
Außerdem ist bei der zweiwelligen Gasturbine gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ein Flächenvergrößerungsverhältnis B/A des Zwischenströmungspfads stromaufwärts von der Strebe größer festgelegt als ein Flächenvergrößerungsverhältnis C/B des Zwischenströmungspfads innerhalb des Bereichs der Strebe in der Achsenrichtung. Somit kann die Strömung des Verbrennungsgases nach dem Hindurchtreten durch den Auslass der Endstufen-Rotorlaufschaufel der Hochdruckturbine und vor dem Eintritt in die Strebe verlangsamt werden. Somit kann Verlust innerhalb der Strebe reduziert werden.
Auf diese Weise ist es gemäß der zweiwelligen Gasturbine eines Gesichtspunkts der vorliegenden Erfindung möglich, eine zweiwellige Gasturbine zu realisieren, die kompakt ist und in der Lage ist, den Energieverlust des Verbrennungsgases zu reduzieren.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das eine zweiwellige Gasturbine einer ersten Ausführungsform und einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
2 ist ein Diagramm, das einen Zwischenströmungspfadteil-Abschnitt (Zwischenströmungspfad) der zweiwelligen Gasturbine der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform veranschaulicht und Abschnitt S von 1 veranschaulicht.
3 ist ein Diagramm, das die Unterschiede in den Strömungspfadflächenverhältnissen des Zwischenströmungspfads einer zweiwelligen Gasturbine eines Vergleichsbeispiels und der zweiwelligen Gasturbine der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
4 ist ein Diagramm, das die Positionen von Strömungspfadflächen A, B und C des Zwischenströmungspfads der zweiwelligen Gasturbine des Vergleichsbeispiels und der zweiwelligen Gasturbine der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
5 ist ein Diagramm, das die Strömung eines Verbrennungsgases veranschaulicht, das aus einer Hochdruckturbine der zweiwelligen Gasturbine der zweiten Ausführungsform in den Zwischenströmungspfad strömt.
6 ist ein Diagramm, das einen Vergleichslaufschaufelquerschnitt einer Endstufen-Statorlaufschaufel der Hochdruckturbine der zweiwelligen Gasturbine der zweiten Ausführungsform und einen
Laufschaufelquerschnitt, der sich von einer mittleren Position radial einwärts befindet, veranschaulicht.

7 ist eine Vorderansicht, welche die Endstufen-Statorlaufschaufeln der Hochdruckturbine der zweiwelligen Gasturbine der zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
8 ist ein Diagramm, das ein modifiziertes Beispiel des installierten Zustands der Endstufen-Statorlaufschaufel der Hochdruckturbine der zweiwelligen Gasturbine der zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Halszustands der Endstufen-Statorlaufschaufeln der Hochdruckturbine der zweiwelligen Gasturbine der zweiten Ausführungsform veranschaulicht.

Beschreibung von Ausführungsformen
Erste Ausführungsform
Eine zweiwellige Gasturbine gemäß der ersten Ausführungsform wird nachstehend unter Bezugnahme auf 1 bis 4 beschrieben. Hier bezieht sich die zweiwellige Gasturbine der vorliegenden Ausführungsform auf eine zweiwellige Gasturbine, die zur Verwendung als hochleistungsfähige Gasturbine für verschiedene Industriemaschinen, Energieerzeugungsvorrichtungen und dergleichen geeignet ist. Außerdem kann die zweiwellige Gasturbine der vorliegenden Erfindung als Gasturbine für andere Anwendungen wie ein Flugzeug (ein Flugzeugtriebwerk) verwendet werden.
Wie in 1 veranschaulicht, ist eine zweiwellige Gasturbine 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit einem kompressorantriebsseitigen Turbinenabschnitt (Gasgeneratorabschnitt) 2 und einem ausgangsseitigen Turbinenabschnitt (Nutzturbinenabschnitt) 3 versehen. Die zweiwellige Gasturbine 1 ist konfiguriert, um eine Lastvorrichtung 10, wie eine Industriemaschine und einen Generatormotor, durch den ausgangsseitigen Turbinenabschnitt 3 anzutreiben. Außerdem ist die zweiwellige Gasturbine 1 mit einer Steuervorrichtung, einem Turbinengehäuse, das den kompressorantriebsseitigen Turbinenabschnitt 2 und den ausgangsseitigen Turbinenabschnitt 3 enthält, und dergleichen versehen, die nicht veranschaulicht sind.
Der kompressorantriebsseitige Turbinenabschnitt 2 schließt ein: einen Kompressor 4, der aus der Atmosphäre angesaugte Luft R1 verdichtet und Druckluft R2 erzeugt, eine Brennkammer 5, die eine Mischung aus der aus dem Kompressor 4 zugeführten Druckluft R2 und Brennstoff verbrennt und ein Verbrennungsgas R3 erzeugt, und eine koaxial mit dem Kompressor 4 verbundene Hochdruckturbine 6 mit einer ersten Welle (Gasgeneratorwelle) 7, die gleichzeitig als Rotor der Hochdruckturbine 6 fungiert.
In dem kompressorantriebsseitigen Turbinenabschnitt 2 wird die Hochdruckturbine 6 durch das aus der Brennkammer 5 zugeführte Hochtemperatur- und Hochdruck-Verbrennungsgas R3 gedreht, und die Drehleistung der Hochdruckturbine 6 wird durch die erste Welle 7 auf den Kompressor 4 übertragen, um den Kompressor 4 anzutreiben. Es ist zu beachten, dass die erste Welle 7 gleichzeitig als Rotor der Hochdruckturbine 6 fungiert.
Der Kompressor 4 ist mit einer Eintrittsleitschaufel (Inlet Guide Vane (IGV)) in einer Lufteinlassöffnung versehen. Die IGV wird durch eine IGV-Antriebsvorrichtung angetrieben, und die Lufteinlassmenge des Kompressors kann durch Einstellen des Öffnungsgrads der IGV eingestellt werden.
Ein Hauptbestandteil des ausgangsseitigen Turbinenabschnitts 3 ist eine Niederdruckturbine 8.
Die Niederdruckturbine 8 und die Lastvorrichtung 10 sind mit einer zweiten Welle (Nutzturbinenwelle) 9 verbunden, die gleichzeitig als Rotor der Niederdruckturbine 8 fungiert.
In der Niederdruckturbine 8 der vorliegenden Ausführungsform wird das Verbrennungsgas R4, das die Hochdruckturbine 6 angetrieben und sich im Druck verringert hat, aus der Hochdruckturbine 6 zugeführt, um die Drehung der Niederdruckturbine 8 anzutreiben. Die von der Niederdruckturbine 8 erhaltene Drehleistung wird auf die Lastvorrichtung 10 übertragen und treibt die Lastvorrichtung 10 an. Ein Verbrennungsgas R5, das die Niederdruckturbine 8 angetrieben hat, wird als Abgas freigesetzt.
Wie in 1, 2, 3 und 4 veranschaulicht, ist die zweiwellige Gasturbine 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit einem Zwischenströmungspfadteil-Abschnitt (Zwischenströmungspfadteil) 12, der einen Zwischenkanal 11 (einen Zwischenströmungspfad 13) zum Zuführen des Verbrennungsgases R4 aus der Hochdruckturbine 6 zu der Niederdruckturbine 8 einschließt, zwischen dem kompressorantriebsseitigen Turbinenabschnitt 2 und dem ausgangsseitigen Turbinenabschnitt 3, d. h. zwischen der Hochdruckturbine 6 und der Niederdruckturbine 8 in einer Richtung einer Achse 01, versehen.
Der Zwischenkanal 11 weist eine kreisförmige Doppelrohrstruktur auf, die mit einem Innenrohr 11a und einem Außenrohr 11b versehen ist, die auf der Achse O1 und der Achse der ersten Welle und der zweiten Welle angeordnet sind. Der Zwischenkanal 11 ist der Zwischenströmungspfad 13, welches der Freiraum zwischen dem Innenrohr 11a und dem Außenrohr 11b ist, durch den das Verbrennungsgas R4 strömt.
Der Zwischenströmungspfad 13 (der Zwischenkanal 11) ist zwischen einer Endstufen-Rotorlaufschaufel 14 der Hochdruckturbine 6 und einer Erststufen-Rotorlaufschaufel 15 der Niederdruckturbine 8 in der Richtung der Achse O1 bereitgestellt und führt der Niederdruckturbine 8 das Verbrennungsgas R4 aus der Hochdruckturbine 6 zu.
Außerdem ist bei der zweiwelligen Gasturbine 1 der vorliegenden Ausführungsform eine Strebe 16, die in dem Zwischenströmungspfad 13 angeordnet ist, konfiguriert, um gleichzeitig als Erststufen-Statorlaufschaufel der Niederdruckturbine 8 zu fungieren. Es ist zu beachten, dass eine Mehrzahl von Streben 16, die gleichzeitig als Erststufen-Statorlaufschaufeln der Niederdruckturbine 8 fungieren, radial um die Achse O1 innerhalb des Zwischenströmungspfads 13 angeordnet sind.
Außerdem kann, da die Strebe 16 eine integrierte Strebe/Statorlaufschaufel ist, die gleichzeitig als die Erststufen-Statorlaufschaufel der Niederdruckturbine 8 fungiert, die zweiwellige Gasturbine 1 der vorliegenden Ausführungsform eine verringerte axiale Länge (die Länge des Zwischenströmungspfadteil-Abschnitts 12 und dergleichen) und eine kompakte Größe erreichen. Es ist zu beachten, dass die Strebe 16, die eine integrierte Strebe/Statorlaufschaufel ist, die gleichzeitig als Statorlaufschaufel fungiert, bedeutet, dass die Strebe 16 eine laufschaufelartige Form einer Statorlaufschaufel aufweist.
Durch Verringern der Länge des Zwischenströmungspfadteil-Abschnitts 12 auf diese Weise ist der Zwischenströmungspfad 13 der vorliegenden Ausführungsform in Bezug auf die Achse O1 geneigt und erweitert sich mit seiner Erstreckung von der Seite der Hochdruckturbine 6 zu der Seite der Niederdruckturbine 8 hin radial auswärts, wie in 2, 3 und 4 veranschaulicht. Außerdem ist der Zwischenströmungspfad 13 der vorliegenden Ausführungsform mit einem glatten Stufenabschnitt 13a versehen, um zu ermöglichen, dass sich der Zwischenströmungspfad 13 radial auswärts erweitert. Dieser Stufenabschnitt 13a ermöglicht es, die Turbine kompakter herzustellen.
In der vorliegenden Ausführungsform erfüllt der Zwischenströmungspfad 13 eine Bedingung, dass ein maximaler Neigungswinkel θ1 in Bezug auf die Achse O1 einer Nabenstirnwand (des Innenrohrs 11a des Zwischenkanals 11), welche die radial innere Begrenzung des Zwischenströmungspfads 13 bildet, 30° oder mehr beträgt. Außerdem erfüllt der Zwischenströmungspfad 13 eine Bedingung, dass ein maximaler Neigungswinkel θ2 in Bezug auf die Achse O1 einer Spitzenstirnwand (des Außenrohrs 11b des Zwischenkanals 11), welche die radial äußere Begrenzung des Zwischenströmungspfads 13 bildet, 40° oder mehr beträgt.
Bei der zweiwelligen Gasturbine 1 der vorliegenden Ausführungsform, wie in 1 und 2 veranschaulicht, wird die erste Welle 7 durch ein Lager (stationäres Glied) 17 an sowohl einer Seite eines ersten Endabschnitts 7a, die sich weiter zur Vorderseite in der Richtung der Achse O1 erstreckt als der Kompressor 4, als auch einem Zwischenabschnitt zwischen dem Kompressor 4 und der Hochdruckturbine 6 gelagert. Die zweite Welle 9 wird durch ein Lager 18 an einem Zwischenabschnitt zwischen der Niederdruckturbine 8 und der Lastvorrichtung 10 gelagert.
Auf diese Weise sind in dem Zwischenströmungspfadteil-Abschnitt 12 keine Lager 17 oder 18 bereitgestellt. Somit kann im Vergleich zu einem Beispiel, bei dem das Lager 17 oder 18 in dem Zwischenströmungspfadteil-Abschnitt 12 bereitgestellt ist, die Länge des Zwischenströmungspfadteil-Abschnitts 12 weiter verringert werden. Dadurch kann die zweiwellige Gasturbine 1 der vorliegenden Ausführungsform noch kompakter hergestellt werden, wobei sich der Zwischenströmungspfad 13 in der Radialrichtung stark auswärts erweitert.
Wie in 2 veranschaulicht, ist der Zwischenströmungspfadteil-Abschnitt 12 mit einem Druckschott 20 eines stationären Glieds, das die Hochdruckturbine 6 und die Niederdruckturbine 8 trennt, zwischen der Hochdruckturbine 6 und der Niederdruckturbine 8 in der Richtung der Achse O1 und radial einwärts von dem Zwischenströmungspfad 13 (dem Innenrohr 11a des Zwischenkanals 11) versehen. Das Druckschott 20 wird von der Strebe 16 gehalten, erstreckt sich von dem Innenrohr 11a des Zwischenkanals 11 radial einwärts und ist so bereitgestellt, dass es die Hochdruckturbine 6 und die Niederdruckturbine 8 trennt.
Hier besteht, wie vorstehend beschrieben, in dem Fall, in dem die Strebe 16 gleichzeitig als Statorlaufschaufel fungiert, der Zwischenströmungspfadteil-Abschnitt 12 verkürzt ist und sich der Zwischenströmungspfad 13 radial auswärts stark erweitert, ein Risiko, dass ein großer Verlust beim Passieren der Strebe 16 auftritt.
Unter Berücksichtigung dessen ist bei der zweiwelligen Gasturbine 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wie in 3 und 4 (2) veranschaulicht, der Zwischenströmungspfad 13 konfiguriert, um B/A > C/B zu erfüllen, wobei die ringförmige Strömungspfadfläche des Zwischenströmungspfads 13 an dem Auslass der Endstufen-Rotorlaufschaufel 14 der Hochdruckturbine 6 als A bestimmt ist, die ringförmige Strömungspfadfläche des Zwischenströmungspfads 13 an einer Position einer Anströmkante 16a der Strebe 16 als B bestimmt ist und die ringförmige Strömungspfadfläche des Zwischenströmungspfads 13 an einer Position einer Abströmkante 16b der Strebe 16 als C bestimmt ist.
Hier stehen die vorstehend beschriebenen Strömungspfadflächen A, B und C für die Strömungspfadfläche des vertikalen Querschnitts in einer Richtung senkrecht zu der Achse 01. Außerdem ist in dem Fall, in dem die Position der Abströmkante der Endstufen-Rotorlaufschaufel 14 in der Richtung der Achse O1 in Abhängigkeit von der Laufschaufelhöhenposition unterschiedlich ist (mit anderen Worten die Abströmkante der Endstufen-Rotorlaufschaufel 14 nicht parallel zur Radialrichtung ist), der „Auslass der Endstufen-Rotorlaufschaufel“, der eine zum Bestimmen der ringförmigen Strömungspfadfläche A verwendete Referenz ist, ein in der Richtung der Achse O1 am weitesten stromabwärts liegender Punkt der Abströmkante der Endstufen-Rotorlaufschaufel 14, und die ringförmige Strömungspfadfläche A ist bestimmt. Da die ringförmige Strömungspfadfläche A die Fläche des „ringförmigen“ Strömungspfads ist, ist die ringförmige Strömungspfadfläche A die Strömungspfadfläche an einer Position in der Richtung der Achse O1 des Zwischenströmungspfads 13, an der die Endstufen-Rotorlaufschaufel 14 nicht vorhanden ist. In ähnlicher Weise ist in dem Fall, in dem die Position der Anströmkante 16a der Strebe 16, die gleichzeitig als Statorlaufschaufel fungiert, in der Richtung der Achse O1 in Abhängigkeit von der Laufschaufelhöhenposition unterschiedlich ist (mit anderen Worten die Anströmkante 16a der Strebe 16 nicht parallel zur Radialrichtung ist), die „Anströmkantenposition der Strebe“, die eine zum Bestimmen der ringförmigen Strömungspfadfläche B verwendete Referenz ist, ein in der Richtung der Achse O1 am weitesten stromaufwärts liegender Punkt der Anströmkante 16a der Strebe 16, und die ringförmige Strömungspfadfläche B ist bestimmt. Da die ringförmige Strömungspfadfläche B die Fläche des „ringförmigen“ Strömungspfads ist, ist die ringförmige Strömungspfadfläche B die Strömungspfadfläche an einer Position in der Richtung der Achse O1 des Zwischenströmungspfads 13, an der die Strebe 16 nicht vorhanden ist, unmittelbar stromaufwärts von der Anströmkante 16a der Strebe 16. Außerdem ist in dem Fall, in dem die Position der Hinterkante 16b der Strebe 16, die gleichzeitig als Statorlaufschaufel fungiert, in der Richtung der Achse O1 in Abhängigkeit von der Laufschaufelhöhenposition unterschiedlich ist (mit anderen Worten die Hinterkante 16b der Strebe 16 nicht parallel zur Radialrichtung ist), die „Abströmkantenposition der Strebe“, die eine zum Bestimmen der ringförmigen Strömungspfadfläche C verwendete Referenz ist, ein in der Richtung der Achse O1 am weitesten stromabwärts liegender Punkt der Hinterkante 16b der Strebe 16, und die ringförmige Strömungspfadfläche C ist bestimmt. Da die ringförmige Strömungspfadfläche C die Fläche des „ringförmigen“ Strömungspfads ist, ist die ringförmige Strömungspfadfläche C die Strömungspfadfläche an einer Position in der Richtung der Achse O1 des Zwischenströmungspfads 13, an der die Strebe 16 nicht vorhanden ist.
In dem Zwischenströmungspfad 13 der zweiwelligen Gasturbine 1 der vorliegenden Ausführungsform beträgt ein Flächenverhältnis C/A zwischen der ringförmigen Strömungspfadfläche A des Zwischenströmungspfads 13 und der ringförmigen Strömungspfadfläche C des Zwischenströmungspfads 13 1,8 oder mehr (C/A ≥ 1,8).
Beispielsweise ist, wie in 3 und 4 veranschaulicht, im Vergleich zu der Struktur des Zwischenströmungspfads der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 bei dem Zwischenströmungspfad 13 der zweiwelligen Gasturbine 1 der vorliegenden Ausführungsform das Flächenverhältnis B/A groß, das Flächenverhältnis C/B klein und das Flächenverhältnis C/A ähnlich demjenigen im Stand der Technik.
Mit anderen Worten ist in dem Beispiel des Falls 1 und des Falls 2 in 3 die ringförmige Fläche bis zu der Strebe 16, die gleichzeitig als Statorlaufschaufel fungiert, vergrößert, und das Vergrößerungsverhältnis der ringförmigen Fläche bei der Strebe 16 ist reduziert. Außerdem wird unter der Einschränkung, dass C/A etwa konstant gehalten wird, ein größerer Betrag an Flächenvergrößerung auf der stromaufwärtigen Seite der Strebe 16 gewährleistet.
Außerdem kann bei der zweiwelligen Gasturbine 1 der vorliegenden Ausführungsform zuerst, da die in dem Zwischenströmungspfad 13 bereitgestellte Strebe 16 gleichzeitig als die Erststufen-Statorlaufschaufel der Niederdruckturbine 8 fungiert, die axiale Länge reduziert werden und die Turbine kann kompakt hergestellt werden.
Außerdem ist das Flächenvergrößerungsverhältnis B/A des Zwischenströmungspfads 13 stromaufwärts von der Strebe 16 größer festgelegt als das Flächenvergrößerungsverhältnis C/B des Zwischenströmungspfads 13 innerhalb des Bereichs der Strebe 16 in der Richtung der Achse 01. Somit kann die Strömung des Verbrennungsgases R4 nach dem Hindurchtreten durch den Auslass der Endstufen-Rotorlaufschaufel 14 der Hochdruckturbine 6 und vor dem Eintritt in die Strebe 16 verlangsamt werden.
Mit anderen Worten ist das auf die ringförmige Fläche bezogene Vergrößerungsverhältnis des Zwischenströmungspfads 13 stromaufwärts von der Strebe 16 größer festgelegt als dasjenige im Stand der Technik, und das auf die ringförmige Fläche bezogene Vergrößerungsverhältnis des Zwischenströmungspfads 13, das in dem Axialpositionsbereich, in dem die Strebe 16 bereitgestellt wird, vergrößert werden muss, ist kleiner festgelegt als im Stand der Technik. Somit kann die Strömung des Verbrennungsgases R4 vor dem Eintritt in die Strebe 16 ausreichend verlangsamt werden, und ein Energieverlust, wenn das Verbrennungsgas R4 durch in der Umfangsrichtung angrenzende Streben 16 strömt, kann minimiert oder verhindert werden.
Somit ist es gemäß der zweiwelligen Gasturbine 1 der vorliegenden Ausführungsform möglich, die zweiwellige Gasturbine 1 zu realisieren, die kompakt ist und in der Lage ist, den Energieverlust des Verbrennungsgases zu reduzieren.
Außerdem kann bei der zweiwelligen Gasturbine 1 der vorliegenden Ausführungsform durch Erfüllen von C/A ≥ 1,8 ein großes C/A gewährleistet werden und die axiale Länge des Zwischenströmungspfads 13, mit anderen Worten die axiale Länge des Zwischenströmungspfadteil-Abschnitts 12, kann verringert werden. Auf diese Weise kann Verlust in der Strebe 16 reduziert werden und die Größe kann klein gehalten werden. Somit kann die zweiwellige Gasturbine 1, die noch hocheffizienter und kompakter ist, erreicht werden.
Bei der zweiwelligen Gasturbine 1 der vorliegenden Ausführungsform ist der Zwischenströmungspfad 13 in Bezug auf die Achse O1 geneigt und erweitert sich mit seiner Erstreckung von der Seite der Hochdruckturbine 6 zu der Seite der Niederdruckturbine 8 hin radial auswärts.
Auf diese Weise kann ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden und die axiale Länge kann reduziert werden. Somit kann die zweiwellige Gasturbine 1 im Vergleich zu derjenigen im Stand der Technik, die tendenziell eine große Größe aufweist, kompakt hergestellt werden.
Außerdem beträgt bei der zweiwelligen Gasturbine 1 der vorliegenden Ausführungsform der maximale Neigungswinkel θ1 in Bezug auf die Achse O1 der Nabenstirnwand (des Innenrohrs 11a), welche die radial innere Begrenzung des Zwischenströmungspfads 13 bildet, 30° oder mehr. Dadurch kann ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden und die axiale Länge kann in geeigneter Weise reduziert werden. Somit kann die zweiwellige Gasturbine 1 kompakt hergestellt werden.
Außerdem beträgt bei der zweiwelligen Gasturbine 1 der vorliegenden Ausführungsform der maximale Neigungswinkel θ2 in Bezug auf die Achse O1 der Spitzenstirnwand (des Außenrohrs 11b), welche die radial äußere Begrenzung des Zwischenströmungspfads 13 bildet, 40° oder mehr. Dadurch kann ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden und die axiale Länge kann in geeigneter Weise reduziert werden. Somit kann die zweiwellige Gasturbine 1 kompakt hergestellt werden.
Außerdem ist bei der zweiwelligen Gasturbine 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Druckschott 20, das die Hochdruckturbine 6 und die Niederdruckturbine 8 trennt, zwischen der Hochdruckturbine 6 und der Niederdruckturbine 8 in der Richtung der Achse O1 und radial einwärts von dem Zwischenströmungspfad 13 bereitgestellt, und das Druckschott 20 wird durch die Strebe 16, die gleichzeitig als Statorlaufschaufel fungiert, gestützt (gehalten). Somit kann ein hoher Wirkungsgrad weiter erreicht werden und die axiale Länge kann weiter reduziert werden, wodurch die zweiwellige Gasturbine 1 kompakter hergestellt werden kann.
Außerdem wird die erste Welle 7 durch das Lager 17 an einer Seite eines ersten Endabschnitts 7a, die sich weiter zur Vorderseite in der Richtung der Achse O1 erstreckt als der Kompressor 4, und an einem Zwischenabschnitt zwischen dem Kompressor 4 und der Hochdruckturbine 6 gelagert. Somit kann die erste Welle 7 gelagert werden, ohne das Lager 17 in dem Zwischenströmungspfadteil-Abschnitt 12 zwischen der Hochdruckturbine 6 und der Niederdruckturbine 8 bereitzustellen. Auf diese Weise kann die axiale Länge des Zwischenströmungspfadteil-Abschnitts 12 reduziert werden. Somit kann ein hoher Wirkungsgrad weiter erreicht werden und die zweiwellige Gasturbine 1 kann kompakt hergestellt werden.
Die zweiwellige Gasturbine gemäß der ersten Ausführungsform wurde beschrieben, jedoch ist die zweiwellige Gasturbine der vorliegenden Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebene erste Ausführungsform beschränkt, und Modifikationen können in geeigneter Weise innerhalb eines Schutzumfangs vorgenommen werden, der nicht vom Geist der vorliegenden Erfindung abweicht.
Zum Beispiel ist in der vorstehend beschriebenen Konfiguration das Lager 17, das die erste Welle 7 lagert, nicht in dem Zwischenströmungspfadteil-Abschnitt 12 bereitgestellt. Jedoch kann eine Konfiguration verwendet werden, in der das Lager 17, das die erste Welle 7 lagert, in dem Zwischenströmungspfadteil-Abschnitt 12 bereitgestellt ist und das Lager 17 dieses stationären Glieds durch die Strebe 16 gestützt wird.
Zweite Ausführungsform
Als Nächstes wird eine zweiwellige Gasturbine gemäß der zweiten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 5 bis 9 (und 1, 2, 3 und 4) beschrieben. Hier unterscheiden sich in Bezug auf die Konfiguration der zweiwelligen Gasturbine der ersten Ausführungsform die Form und die Anordnung der Statorlaufschaufel in der Endstufe der Hochdruckturbine der zweiwelligen Gasturbine der vorliegenden Ausführungsform, und andere Konfigurationen sind gleich. Somit sind in der vorliegenden Ausführungsform die gleichen Bestandteile wie diejenigen der ersten Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine ausführliche Beschreibung davon wird weggelassen.
In der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform ist das Flächenvergrößerungsverhältnis B/A des Zwischenströmungspfads 13 stromaufwärts von der Strebe 16 größer festgelegt als das Flächenvergrößerungsverhältnis C/B des Zwischenströmungspfads 13 innerhalb des Bereichs der Strebe 16 in der Richtung der Achse 01. Somit kann die Strömung des Verbrennungsgases R4 nach dem Hindurchtreten durch den Auslass der Endstufen-Rotorlaufschaufel 14 der Hochdruckturbine 6 und vor dem Eintritt in die Strebe 16 verlangsamt werden. Außerdem ist das auf die ringförmige Fläche bezogene Vergrößerungsverhältnis des Zwischenströmungspfads 13, das in dem Axialpositionsbereich, in dem die Strebe 16 bereitgestellt ist, vergrößert werden muss, kleiner als im Stand der Technik. Somit kann die Strömung des Verbrennungsgases R4 vor dem Eintritt in die Strebe 16 ausreichend verlangsamt werden, und ein Energieverlust, wenn das Verbrennungsgas R4 durch in der Umfangsrichtung angrenzende Streben 16 strömt, kann minimiert oder verhindert werden.
Jedoch kann, wie in 5 veranschaulicht, in einer Konfiguration wie der zweiwelligen Gasturbine 1 der ersten Ausführungsform, in der die Strömungspfadfläche des Zwischenströmungspfads 13 an einem Abschnitt vergrößert ist, bevor das Verbrennungsgas R4 in die Strebe 16 strömt, wenn die Strömung des Verbrennungsgases R4 entlang der Axialrichtung (gestrichelter Pfeil M1 in 5) in den Zwischenströmungspfad 13 strömt, eine Trennung S1 in der Nähe der Spitzenstirnwand (des Außenrohrs 11b des Zwischenkanals 11) auftreten. Insbesondere ist es in dem Fall, in dem sich der Stufenabschnitt 13a in dem Zwischenströmungspfad 13 befindet, wahrscheinlicher, dass die Trennung S1 in der Nähe des Stufenabschnitts 13a der Spitzenstirnwand auftritt.
In dieser Hinsicht schließt in Bezug auf die zweiwellige Gasturbine 1 der ersten Ausführungsform, die unter Bezugnahme auf 1, 2, 3 und 4 beschrieben ist, die zweiwellige Gasturbine 1 der vorliegenden Ausführungsform ferner die folgende Konfiguration bezüglich der Statorlaufschaufel 22 der Endstufe der Hochdruckturbine 6 ein.
Wie in 6 und 7 veranschaulicht, schließt die Statorlaufschaufel 22 der Endstufe der Hochdruckturbine 6 zumindest einen Abschnitt eines Laufschaufelquerschnitts P2, der sich radial einwärts von einem Vergleichslaufschaufelquerschnitt P1 auf mittlerer Höhe (durchschnittlicher Durchmesser) befindet, ein, auf eine Weise ausgebildet ist, bei der eine Position einer Anströmkante 22a weiter zu einer Druckseite 22c hin verschoben ist als diejenige des Vergleichslaufschaufelquerschnitts P1.
In Bezug auf den Laufschaufelquerschnitt P2, der von der mittleren Höhe radial einwärts positioniert ist, ändert, wenn die Position der Anströmkante 22a weiter zu der Druckseite 22c in der Umfangsrichtung hin verschoben ist als diejenige des Vergleichslaufschaufelquerschnitts P1 der mittleren Höhe, die Strömung des Verbrennungsgases R4, die durch die Statorlaufschaufel 22 der Endstufe hindurchtritt, die Richtung in eine radial einwärtige Richtung. Dann wird das Verbrennungsgas R4, das aus der Statorlaufschaufel 22 der Endstufe ausströmt, radial einwärts zu der Endstufen-Rotorlaufschaufel 14 der Hochdruckturbine 6 hin gelenkt und wird radial auswärts gelenkt, wenn es durch die Endstufen-Rotorlaufschaufel 14 der Hochdruckturbine 6 hindurchtritt (siehe durchgezogenen Pfeil M2 in 5). Auf diese Weise wird die Strömung M2 des Verbrennungsgases, das aus der Endstufen-Rotorlaufschaufel 14 ausströmt, im Vergleich zu einer Strömung M1 des Verbrennungsgases, die der Axialrichtung folgt, radial auswärts gelenkt. Dadurch kann die Trennung in der Nähe der Spitzenstirnwand des Zwischenströmungspfads 13 reduziert werden (siehe Trennung S2 in 5).
Außerdem kann bei der Statorlaufschaufel 22 der Endstufe der Hochdruckturbine 6 der vorliegenden Ausführungsform der Laufschaufelquerschnitt P2 in dem Abschnitt, der sich radial einwärts von dem Vergleichsschaufelquerschnitt P1 befindet, auf eine Weise ausgebildet sein, bei der die Position einer Abströmkante 22b weiter zu einer Saugseite hin verschoben ist als diejenige des Vergleichslaufschaufelquerschnitts P1. Auf diese Weise kann eine Halslänge, die zwischen den in der Umfangsrichtung angrenzenden Endstufen-Statorlaufschaufeln 22 liegt, so gebildet werden, dass sie eine Verteilung der Halslänge in der Radialrichtung aufweist, bei der eine Halslänge th2 auf der Nabenseite (radial einwärts von der mittleren Höhe) im Vergleich zu einer Vergleichshalslänge th1 auf der mittleren Höhe länger ist. Infolgedessen wird mehr Verbrennungsgas so ausgerichtet, dass es zu der Nabenseite hin zwischen den Endstufen-Statorlaufschaufeln 22 strömt, und die Strömung des Verbrennungsgases R4, die durch die Statorlaufschaufeln 22 der Endstufe hindurchtritt, kann wirksam radial einwärts gelenkt werden, wodurch ermöglicht wird, dass die Strömung M2 des Verbrennungsgases, die zur Reduktion einer Trennung beitragen kann, zuverlässig gebildet wird.
In einer anderen Ausführungsform, wie in 8 veranschaulicht, ist die Statorlaufschaufel 22 der Endstufe der Hochdruckturbine 6 in Bezug auf die Radialrichtung geneigt angeordnet. Insbesondere ist mit Erstreckung der Statorlaufschaufel 22 zu der Nabenseite hin (radial einwärts) die Statorlaufschaufel 22 in Bezug auf die Radialrichtung geneigt, um die Position des Laufschaufelquerschnitts weiter zu der Saugseite hin zu verschieben.
In dem Fall, in dem die Statorlaufschaufel 22 auf diese Weise in Bezug auf die Radialrichtung geneigt ist, wird die Strömung des Verbrennungsgases zwischen den Endstufen-Statorlaufschaufeln 22 zu der Nabenseite hin ausgerichtet, und die Strömung des Verbrennungsgases R4, die durch die Statorlaufschaufeln 22 der Endstufe hindurchtritt, wird radial einwärts gelenkt. Dadurch kann die Strömung M2 des Verbrennungsgases, die zur Reduktion einer Trennung beitragen kann, gebildet werden.
Es ist zu beachten, dass die Verteilung der Halslänge, die durch die in 7 veranschaulichte Konfiguration der Statorlaufschaufel 22 der Endstufe der Hochdruckturbine 6 erreicht wird, nicht besonders beschränkt ist, solange die Strömung des Verbrennungsgases zwischen den Endstufen-Statorlaufschaufeln zur Nabenseite hin ausgerichtet ist. Zum Beispiel kann, wie in 9 veranschaulicht, die Halslänge zwischen den in der Umfangsrichtung der Hochdruckturbine 6 angrenzenden Endstufen-Statorlaufschaufeln 22 so konfiguriert sein, dass sie an einer Position radial einwärts von der mittleren Höhe der Endstufen-Statorlaufschaufeln 22, mit anderen Worten einer Position auf der Nabenseite, größer ist als die Vergleichshalslänge th1 auf der mittleren Höhe. Es ist zu beachten, dass die Endstufen-Statorlaufschaufeln 22 so konfiguriert sein können, dass die Halslänge th an einer Position auf der Spitzenseite, mit anderen Worten radial auswärts von der mittleren Höhe, kleiner ist als die Vergleichshalslänge th1 auf der mittleren Höhe.
Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß der zweiwelligen Gasturbine 1 der vorliegenden Ausführungsform selbst in dem Fall, in dem der Zwischenströmungspfad 13 so ausgebildet ist, dass er sich mit seiner Erstreckung von der Hochdruckturbine 6 zu der Niederdruckturbine 8 radial auswärts erweitert, das Auftreten eines Trennphänomens, bei dem sich die Strömung des Verbrennungsgases R4 von der Wandfläche trennt, reduziert werden. Dadurch können die Wirkungen der ersten Ausführungsform erreicht werden und Verlust aufgrund des Trennphänomens kann reduziert werden.
Außerdem schließt bei der zweiwelligen Gasturbine 1 der vorliegenden Ausführungsform der Laufschaufelquerschnitt P2, der sich radial einwärts von dem Vergleichsschaufelquerschnitt P1 befindet, die Abströmkante 22b ein, die weiter zu der Saugseite 22d hin verschoben ist als diejenige des Vergleichslaufschaufelquerschnitts P1. Somit kann die Halslänge th2 auf der Nabenseite auf einen größeren Wert festgelegt werden als die Vergleichshalslänge th1. Entsprechend kann die Strömungsachse des Verbrennungsgases R4, das von der Hochdruckturbine 6 zu dem Einlass des Zwischenströmungspfads 13 strömt, radial einwärts verschoben werden. Auf diese Weise ist es möglich, das Trennphänomen in der Strömung des Verbrennungsgases R4 weiter vorteilhaft zu reduzieren.
Die zweiwellige Gasturbine gemäß der zweiten Ausführungsform wurde beschrieben, jedoch ist die zweiwellige Gasturbine der vorliegenden Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebene zweite Ausführungsform beschränkt, und einschließlich der Konfiguration und der modifizierten Beispiele der ersten Ausführungsform können Modifikationen nach Bedarf innerhalb eines Schutzumfangs vorgenommen werden, der nicht vom Geist der vorliegenden Erfindung abweicht.
Der Inhalt der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann zum Beispiel wie folgt verstanden werden.
(1) Eine zweiwellige Gasturbine (1) gemäß einem Gesichtspunkt schließt ein einen Kompressor (4), eine Hochdruckturbine (6), die eine erste Welle (7) einschließt, die mit einer Drehwelle des Kompressors verbunden ist, eine Niederdruckturbine (8), die eine zweite Welle (9) einschließt, die von der ersten Welle getrennt ist, und koaxial zu der Hochdruckturbine mit einem Abstand in einer Richtung einer Achse (01) zwischen der Niederdruckturbine (8) und der Hochdruckturbine bereitgestellt ist, einen Zwischenströmungspfad (13), der zwischen einer Endstufen-Rotorlaufschaufel (14) der Hochdruckturbine und einer Erststufen-Rotorlaufschaufel (15) der Niederdruckturbine in der Achsenrichtung bereitgestellt ist, der Zwischenströmungspfad (13) ist konfiguriert, um der Niederdruckturbine ein Verbrennungsgas (R4) aus der Hochdruckturbine zuzuführen; und eine Strebe (16), die innerhalb des Zwischenströmungspfads angeordnet ist, die Strebe (16) fungiert gleichzeitig als eine Erststufen-Statorlaufschaufel der Niederdruckturbine, wobei B/A > C/B erfüllt ist, wobei eine ringförmige Strömungspfadfläche des Zwischenströmungspfads an einem Auslass der Endstufen-Rotorlaufschaufel als A bestimmt ist, eine ringförmige Strömungspfadfläche des Zwischenströmungspfads an einer Position einer Anströmkante (16a) der Strebe als B bestimmt ist und eine ringförmige Strömungspfadfläche des Zwischenströmungspfads an einer Position einer Abströmkante (16b) der Strebe als C bestimmt ist.
Gemäß einer zweiwelligen Gasturbine der vorliegenden Erfindung kann, da die in dem Zwischenströmungspfad bereitgestellte Strebe gleichzeitig als die Erststufen-Statorlaufschaufel der Niederdruckturbine fungiert, die axiale Länge reduziert werden und im Vergleich zu derjenigen im Stand der Technik, die tendenziell eine große Größe aufweist, kann die zweiwellige Turbine kompakt hergestellt werden. Außerdem ist das Flächenvergrößerungsverhältnis B/A des Zwischenströmungspfads stromaufwärts von der Strebe größer festgelegt als das Flächenvergrößerungsverhältnis C/B des Zwischenströmungspfads innerhalb des Bereichs der Strebe in der Achsenrichtung. Somit kann die Strömung des Verbrennungsgases nach dem Hindurchtreten durch den Auslass der Endstufen-Rotorlaufschaufel der Hochdruckturbine und vor dem Eintritt in die Strebe verlangsamt werden. Somit kann Verlust innerhalb des Axialpositionsbereichs, in dem die Strebe bereitgestellt ist, reduziert werden.
Auf diese Weise ist es möglich, eine zweiwellige Gasturbine zu realisieren, die kompakt ist und in der Lage ist, den Energieverlust des Verbrennungsgases zu reduzieren.
(2) Eine zweiwellige Gasturbine gemäß einem anderen Gesichtspunkt ist die zweiwellige Gasturbine von (1), wobei der Zwischenströmungspfad in Bezug auf die Achse geneigt ist und sich mit Erstreckung des Zwischenströmungspfads von der Hochdruckturbinenseite zu der Niederdruckturbinenseite hin radial auswärts erweitert.
Gemäß einer zweiwelligen Gasturbine der vorliegenden Erfindung kann ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden und die axiale Länge kann reduziert werden. Somit kann die zweiwellige Gasturbine kompakt hergestellt werden.
(3) Eine zweiwellige Gasturbine gemäß einem anderen Gesichtspunkt ist die zweiwellige Gasturbine von (1) oder (2), wobei der Zwischenströmungspfad eine Nabenstirnwand (11a) einschließt, die eine radial innere Begrenzung des Zwischenströmungspfads bildet, wobei die Nabenstirnwand (11a) einen maximalen Neigungswinkel in Bezug auf die Achse von 30° oder mehr aufweist.
Gemäß einer zweiwelligen Gasturbine der vorliegenden Erfindung kann ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden und die axiale Länge kann in geeigneter Weise reduziert werden. Somit kann die zweiwellige Gasturbine kompakt hergestellt werden.
(4) Eine zweiwellige Gasturbine gemäß einem anderen Gesichtspunkt ist die zweiwellige Gasturbine von einem von (1) bis (3), wobei der Zwischenströmungspfad eine Spitzenstirnwand (11b) einschließt, die eine radial äußere Begrenzung des Zwischenströmungspfads bildet, wobei die Spitzenstirnwand (11b) einen maximalen Neigungswinkel in Bezug auf die Achse von 40° oder mehr aufweist.
Gemäß einer zweiwelligen Gasturbine der vorliegenden Erfindung kann ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden und die axiale Länge kann in geeigneter Weise reduziert werden. Somit kann die zweiwellige Gasturbine kompakt hergestellt werden.
(5) Eine zweiwellige Gasturbine gemäß einem anderen Gesichtspunkt ist die zweiwellige Gasturbine von (1) oder (2), wobei ein Druckschott (20), das die Hochdruckturbine und die Niederdruckturbine trennt, zwischen der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine in der Achsenrichtung und radial einwärts von dem Zwischenströmungspfad bereitgestellt ist, das Druckschott (20) wird von der Strebe gestützt.
Gemäß einer zweiwelligen Gasturbine der vorliegenden Erfindung kann zum Beispiel in Fällen, in denen das Lager auf der Hochdruckturbinenseite und der Niederdruckturbinenseite nicht in dem Zwischenströmungspfadteil zwischen der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine bereitgestellt ist, ein Druckschott, das die Hochdruckturbinenseite und die Niederdruckturbinenseite durch Einfügen in den Zwischenströmungspfad trennt, durch eine integrierte Strebe/Statorlaufschaufelstrebe, die in dem Zwischenströmungspfad bereitgestellt ist, gestützt werden. Mit anderen Worten muss mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration kein Lager in dem Zwischenströmungspfadteil bereitgestellt werden. Auf diese Weise kann ein hoher Wirkungsgrad weiter erreicht werden und die axiale Länge kann reduziert werden. Somit kann die zweiwellige Gasturbine kompakt hergestellt werden.
(6) Eine zweiwellige Gasturbine gemäß einem anderen Gesichtspunkt ist die zweiwellige Gasturbine nach einem von (1) bis (5), wobei die erste Welle durch ein Lager (17) an sowohl einer Seite eines ersten Endabschnitts (7a), die sich weiter zu einer Vorderseite in der Achsenrichtung erstreckt als der Kompressor, als auch einem Zwischenabschnitt zwischen dem Kompressor und der Hochdruckturbine gelagert wird.
Gemäß einer zweiwelligen Gasturbine der vorliegenden Erfindung wird die erste Welle an der Seite des ersten Endabschnitts, die sich weiter zur Vorderseite in der Achsenrichtung erstreckt als der Kompressor, und an einem Zwischenabschnitt zwischen dem Kompressor und der Hochdruckturbine durch das Lager gelagert. Somit kann die erste Welle gelagert werden, ohne das Lager in dem Zwischenströmungspfadteil zwischen der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine bereitzustellen. Auf diese Weise kann die axiale Länge des Zwischenströmungspfadteils reduziert werden. Somit kann ein hoher Wirkungsgrad weiter erreicht werden und die zweiwellige Gasturbine kann kompakt hergestellt werden.
(7) Eine zweiwellige Gasturbine gemäß einem anderen Gesichtspunkt ist die zweiwellige Gasturbine nach einem von (1) bis (6), wobei ein Flächenverhältnis C/A zwischen der ringförmigen Strömungspfadfläche A des Zwischenströmungspfads und der ringförmigen Strömungspfadfläche C des Zwischenströmungspfads 1,8 oder mehr beträgt, das heißt C/A ≥ 1,8.
Gemäß einer zweiwelligen Gasturbine der vorliegenden Erfindung kann durch Erfüllen von C/A ≥ 1,8 ein großes C/A gewährleistet werden und der Zwischenströmungspfad (die axiale Länge des Zwischenströmungspfadteils) kann verringert werden. Auf diese Weise kann Verlust in der Strebe reduziert werden und die axiale Länge kann klein gehalten werden. Somit kann die zweiwellige Gasturbine, die noch hocheffizienter und kompakter ist, erreicht werden.
(8) Eine zweiwellige Gasturbine gemäß einem anderen Gesichtspunkt ist die zweiwellige Gasturbine nach einem von (1) bis (7), wobei eine Endstufen-Statorlaufschaufel (22) der Hochdruckturbine sich radial einwärts von einem Vergleichslaufschaufelquerschnitt (P1) auf mittlerer Höhe befindet und einen Laufschaufelquerschnitt mit einer Position einer Anströmkante (22a) einschließt, die weiter zu einer Druckseite (22c) hin verschoben ist als die Anströmkantenposition des Vergleichslaufschaufelquerschnitts.
Gemäß einer zweiwelligen Gasturbine der vorliegenden Erfindung schließt die Statorlaufschaufel der Endstufe der Hochdruckturbine einen Laufschaufelquerschnitt ein, der sich radial einwärts von dem Vergleichslaufschaufelquerschnitt auf der mittleren Höhe befindet, und die Anströmkantenposition ist weiter zu der Druckseite hin verschoben als diejenige des Vergleichsschaufelquerschnitts, und somit kann, indem das Verbrennungsgas, das zu der Endstufen-Rotorlaufschaufel der Hochdruckturbine hin strömt, radial einwärts gelenkt wird, das Verbrennungsgas, das von der Endstufen-Rotorlaufschaufel in den Zwischenströmungspfad strömt, radial auswärts gelenkt werden. Auf diese Weise kann selbst in dem Fall, in dem der Zwischenströmungspfad so ausgebildet ist, dass er sich mit seiner Erstreckung von der Hochdruckturbine zu der Niederdruckturbine radial auswärts erweitert, das Auftreten des Trennphänomens, bei dem sich die Strömung des Verbrennungsgases von der Wandfläche trennt, reduziert werden. Dadurch kann das Auftreten von durch das Trennphänomen bedingtem Energieverlust aus dem Verbrennungsgas reduziert werden.
(9) Eine zweiwellige Gasturbine gemäß einem anderen Gesichtspunkt ist die zweiwellige Gasturbine von (8), wobei eine Position einer Abströmkante (22b) des Laufschaufelquerschnitts weiter zu einer Saugseite (22d) hin verschoben ist als die Abströmkantenposition des Vergleichslaufschaufelquerschnitts.
Gemäß einer zweiwelligen Gasturbine der vorliegenden Erfindung ist die Abströmkantenposition des Laufschaufelquerschnitts weiter zu der Saugseite hin verschoben als die des Vergleichslaufschaufelquerschnitts. Somit ist es möglich, die Halslänge zwischen den Statorlaufschaufeln auf der Nabenseite (radial einwärts) wirksamer größer festzulegen als die Vergleichshalslänge auf der mittleren Höhe. Auf diese Weise kann die Strömung des Verbrennungsgases zu der Endstufen-Rotorlaufschaufel hin radial einwärts gelenkt werden und die Strömung des Verbrennungsgases, das von der Endstufen-Rotorlaufschaufel in den Zwischenströmungspfad strömt, kann radial auswärts gelenkt werden. Somit ist es möglich, das Trennphänomen in der Strömung des Verbrennungsgases weiter vorteilhaft zu reduzieren und das Auftreten von durch das Trennphänomen bedingtem Energieverlust des Verbrennungsgases zu reduzieren.
(10) Eine zweiwellige Gasturbine gemäß einem anderen Gesichtspunkt ist die zweiwellige Gasturbine nach einem von (1) bis (9), wobei eine Halslänge (th2) zwischen in einer Umfangsrichtung der Hochdruckturbine angrenzenden Endstufen-Statorlaufschaufeln an einer Position radial einwärts von der mittleren Höhe der Endstufen-Statorlaufschaufeln größer ist als eine Vergleichshalslänge (th1) auf mittlerer Höhe.
Entsprechend einer zweiwelligen Gasturbine der vorliegenden Erfindung ist die Halslänge zwischen den in der Umfangsrichtung der Hochdruckturbine angrenzenden Endstufen-Statorlaufschaufeln an einer Position radial einwärts von der mittleren Höhe der Endstufen-Statorlaufschaufeln größer als die Vergleichshalslänge auf der mittleren Höhe. Auf diese Weise kann die Strömung des Verbrennungsgases zu der Endstufen-Rotorlaufschaufel hin radial einwärts gelenkt werden und die Strömung des Verbrennungsgases, das von der Endstufen-Rotorlaufschaufel in den Zwischenströmungspfad strömt, kann radial auswärts gelenkt werden. Somit kann selbst in dem Fall, in dem der Zwischenströmungspfad so ausgebildet ist, dass er sich mit seiner Erstreckung von der Hochdruckturbine zu der Niederdruckturbine radial auswärts erweitert, das Auftreten des Trennphänomens in der Verbrennungsgasströmung reduziert werden. Dadurch kann das Auftreten von durch das Trennphänomen bedingtem Energieverlust des Verbrennungsgases reduziert werden.
(11) Eine zweiwellige Gasturbine gemäß einem anderen Gesichtspunkt ist die zweiwellige Gasturbine nach einem von (1) bis (10), wobei eine Endstufen-Statorlaufschaufel der Hochdruckturbine so ausgebildet ist, dass sie eine Strömungsachse des Verbrennungsgases nach radial einwärts verschiebt, das Verbrennungsgas strömt zu der Endstufen-Rotorlaufschaufel der Hochdruckturbine hin.
Gemäß einer zweiwelligen Gasturbine mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird, wenn Verbrennungsgas, das durch die Endstufen-Statorlaufschaufel radial einwärts geleitet wird, in die Endstufen-Rotorlaufschaufel strömt, das Verbrennungsgas radial auswärts gelenkt, wenn es durch die Endstufen-Rotorlaufschaufel hindurchtritt. Somit wird das Verbrennungsgas, das von der Endstufen-Rotorlaufschaufel in den Zwischenströmungspfad strömt, eine radial auswärtige Geschwindigkeitskomponente aufweisen, und eine Trennung der radial äußeren Wandfläche (Spitzenwand) des Zwischenströmungspfads kann reduziert werden.
Bezugszeichenliste

1: Zweiwellige Gasturbine
2: Kompressorantriebsseitiger Turbinenabschnitt (Gasgeneratorabschnitt)
3: Ausgangsseitiger Turbinenabschnitt (Nutzturbinenabschnitt)
4: Kompressor
5: Brennkammer
6: Hochdruckturbine
7: Erster Endabschnitt der ersten Welle 7a
8: Niederdruckturbine
9: Zweite Welle
10: Lastvorrichtung
11: Zwischenkanal
11a: Nabenstirnwand (Innenrohr)
11b: Spitzenstirnwand (Außenrohr)
12: Zwischenströmungspfadteil-Abschnitt (Zwischenströmungspfadteil)
13: Zwischenströmungspfad
14: Endstufen-Rotorlaufschaufel der Hochdruckturbine
15: Erststufen-Rotorlaufschaufel der Niederdruckturbine
16: Strebe
16a: Anströmkante
16b: Abströmkante
17: Lager
18: Lager
20: Druckschott
22: Endstufen-Statorlaufschaufel der Hochdruckturbine
22a: Anströmkante
22b: Abströmkante
22c: Druckseite
22d: Saugseite
O1: Achse
P1: Vergleichslaufschaufelquerschnitt
P2: Laufschaufelquerschnitt
R4: Verbrennungsgas

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2019/0136702 A [0006]

Claims

Zweiwellige Gasturbine, umfassend: einen Kompressor; eine Hochdruckturbine, die eine erste Welle einschließt, die mit einer Drehwelle des Kompressors verbunden ist; eine Niederdruckturbine, die eine zweite Welle einschließt, die von der ersten Welle getrennt ist, und koaxial zu der Hochdruckturbine mit einem Abstand in einer Achsenrichtung zwischen der Niederdruckturbine und der Hochdruckturbine bereitgestellt ist; einen Zwischenströmungspfad, der zwischen einer Endstufen-Rotorlaufschaufel der Hochdruckturbine und einer Erststufen-Rotorlaufschaufel der Niederdruckturbine in der Achsenrichtung bereitgestellt ist, wobei der Zwischenströmungspfad konfiguriert ist, um der Niederdruckturbine ein Verbrennungsgas aus der Hochdruckturbine zuzuführen; und eine Strebe, die innerhalb des Zwischenströmungspfads angeordnet ist, wobei die Strebe gleichzeitig als eine Erststufen-Statorlaufschaufel der Niederdruckturbine fungiert, wobei B/A > C/B erfüllt ist, wobei eine ringförmige Strömungspfadfläche des Zwischenströmungspfads an einem Auslass der Endstufen-Rotorlaufschaufel als A bestimmt ist, eine ringförmige Strömungspfadfläche des Zwischenströmungspfads an einer Anströmkantenposition der Strebe als B bestimmt ist und eine ringförmige Strömungspfadfläche des Zwischenströmungspfads an einer Abströmkantenposition der Strebe als C bestimmt ist.
Zweiwellige Gasturbine gemäß Anspruch 1, wobei der Zwischenströmungspfad in Bezug auf die Achse geneigt ist und sich mit Erstreckung des Zwischenströmungspfads von der Hochdruckturbinenseite zu der Niederdruckturbinenseite hin radial auswärts erweitert.
Zweiwellige Gasturbine gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Zwischenströmungspfad eine Nabenstirnwand einschließt, die eine radial innere Begrenzung des Zwischenströmungspfads bildet, wobei die Nabenstirnwand einen maximalen Neigungswinkel in Bezug auf die Achse von 30° oder mehr aufweist.
Zweiwellige Gasturbine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Zwischenströmungspfad eine Spitzenstirnwand einschließt, die eine radial äußere Begrenzung des Zwischenströmungspfads bildet, wobei die Spitzenstirnwand einen maximalen Neigungswinkel in Bezug auf die Achse von 40° oder mehr aufweist.
Zweiwellige Gasturbine gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei ein Druckschott, das die Hochdruckturbine und die Niederdruckturbine trennt, zwischen der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine in der Achsenrichtung und radial einwärts von dem Zwischenströmungspfad bereitgestellt ist, das Druckschott wird von der Strebe gestützt.
Zweiwellige Gasturbine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Welle durch ein Lager an sowohl einer Seite eines ersten Endabschnitts, die sich weiter zu einer Vorderseite in der Achsenrichtung erstreckt als der Kompressor, als auch einem Zwischenabschnitt zwischen dem Kompressor und der Hochdruckturbine gelagert wird.
Zweiwellige Gasturbine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Flächenverhältnis C/A zwischen der ringförmigen Strömungspfadfläche A des Zwischenströmungspfads und der ringförmigen Strömungspfadfläche C des Zwischenströmungspfads 1,8 oder mehr beträgt, das heißt C/A ≥ 1,8.
Zweiwellige Gasturbine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Endstufen-Statorlaufschaufel der Hochdruckturbine sich radial einwärts von einem Vergleichslaufschaufelquerschnitt auf mittlerer Höhe befindet und einen Laufschaufelquerschnitt mit einer Anströmkantenposition einschließt, die weiter zu einer Druckseite hin verschoben ist als die Anströmkantenposition des Vergleichslaufschaufelquerschnitts.
Zweiwellige Gasturbine gemäß Anspruch 8, wobei eine Abströmkantenposition des Laufschaufelquerschnitts weiter zu einer Saugseite hin verschoben ist als die Abströmkantenposition des Vergleichslaufschaufelquerschnitts.
Zweiwellige Gasturbine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Halslänge zwischen in einer Umfangsrichtung der Hochdruckturbine angrenzenden Endstufen-Statorlaufschaufeln an einer Position radial einwärts von der mittleren Höhe der Endstufen-Statorlaufschaufeln größer ist als eine Vergleichshalslänge auf mittlerer Höhe.
Zweiwellige Gasturbine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Endstufen-Statorlaufschaufel der Hochdruckturbine so ausgebildet ist, dass sie eine Strömungsachse des Verbrennungsgases nach radial einwärts verschiebt, das Verbrennungsgas strömt zu der Endstufen-Rotorlaufschaufel der Hochdruckturbine hin.