DE2559172C2 - Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

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ψ Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage, insbesondere für Fahrzeuge, mit den Merkmalen gemäß dem

jj Oberbegriff des Patentanspruches 1.

jf Insbesondere kleine Gasturbinenanlagen, bei denen

Jf eine Kühlung der Turbinen schwierig ist, haben einen

fl hohen spezifischen Brennstoffverbrauch und Raumbe-

darf und bedingen hohe Kosten. Diese Nachteile lassen

'>-■ sich zwar durch ein Anheben der Gastemperaturen ver-

rf meiden, jedoch ist dem durch die Warmfestigkeit der

is üblichen metallischen Werkstoffe bei fehlender Küh-

k lung eine Grenze gesetzt. Es ist zwar auch bei Gasturbi-

i* nen der vorstehend angegebenen Art (DE-OS

■ξί 24 24 895) bekannt, keramische Werkstoffe einzusetzen,

die hohen Temperaturen bei weitem besser standhalten,

i'^!j jedoch ist die Festigkeit keramischer Werkstoffe im all-

■■; gemeinen erheblich geringer als diejenige von Metall.

■ ■ So gilt, daß die in der Praxis ausnutzbare Festigkeit der

1/ im Handel erhältlichen keramischen Werkstoffe, die

r; sich für eine Massenproduktion eignen, etwa nur halb so

p groß wie diejenige der besten warmfesten Metalle ist,

' wenn Rücksicht auf die Sprödigkeit und die statistischen

Schwankungen bei der Produktion dieser Werkstoffe genommen wird, So sind zwar Turbinenläufer, die ganz oder teilweise aus keramischen Werkstoffen bestehen, mehrfach bekannt jedoch sind diese Vorschläge in der Praxis bisher ohne Erfolg geblieben, insbesondere deshalb, weii das Verhalten keramischer Werkstoffe und die statistischen Schwankungen bei deren Produktion (z. B. WEILBULL-Zahl etc.) noch nicht voll verstanden werden.

Bei einer Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art ist zur Erzielung einer einfachen Konstruktion der den Verdichter antreibende Turbinenläufer unmittelbar auf der Verdichterwelle gelagert Darüber hinaus ist ■mindestens ein weiterer Turbinenläufer vorgesehen, der Nutzleistung erzeugt Verdichter und Turbinen können sowohl von radialer als auch axialer Bauart sein.

Die spezifische, von einem Rotor gelieferte oder von ihm aufgenommene Leistung ist ungefähr dem Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit proportional. Daraus folgt daß ein Turbinenläufer, der sowohl den Verdichter anzutreiben hai als auch Nutzleistung erzeugen se!!, irr, Durchmesser etwa gleich groß wie der Verdichter ist Durch die erwähnte Verteilung der Turbinenleistung auf zwei Turbinenläufer können beide Läufer mit geringerem Durchmesser ausgeführt werden, was vor allem für den den Verdichter antreibenden Läufer gilt der mit dem Gas von höchster Temperatur angetrieben wird Diese Verkleinerung des Durchmessers führt zwar zu einer Herabsetzung der Spannungen in den Turbinenläufern, jedoch nicht in einem solchen Ausmaß, daß dadurch der praktische Einsatz von derzeit zur Verfugung stehenden keramischen Werkstoffen möglich wäre. Vielmehr ist die Festigkeit eines in Serie herstellbaren keramischen Turbinenläufers so deutlich geringer als diejenige eines Turbinenläufers aus üblichem warmfesten Metall, daß es bisher nicht möglich war, einen einstückigen Turbinenläufer aus Keramik zu schaffen, der mit derselben Drehzahl wie der Verdichter betrieben wird.

Aus diesem Grund wird bei der Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art die mechanische Beanspruchung der ersten Turbinenstufe dadurch abgesenkt daß diese mit einer merklich niedrigeren Drehzahl als die Leistungsturbine betrieben wird. Das hat jedoch den Nachteil, daß hierdurch die Freiheit bei der Auslegung des Verdichterrotors und somit dessen Leistungsfähigkeit wesentlich beeinträchtigt werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die bekannte Gasturbinenanlage dahingehend zu verbessern, daß der Gaserzeugerteil :iit den für die Gaserzeugung optimalen Drehzahlen ausgelegt werden kann.

^prfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruches 1.

Dadurch, daß der erste, zumindest teilweise aus keramischem Werkstoff bestehende Turbinenläufer unterdimensioniert und somit nicht allein in der Lage ist, die für den Betrieb des Verdichters notwendige Antriebsenergie aufzubringen, ist es andererseits möglich, die darin herrschenden Fliehkraftspannungen auf das für die keramischen Werkstoffe verträgliche Maß zu senken. Um die für den Antrieb des Verdichters erforderliche Leistung sicherzustellen, wird die zusätzliche Antriebsenergie von dem weiteren Turbinenläufer, der als Nutz- oder Leistungsturbine arbeitet, über ein veränderbares Getriebe dem Gaserzeuger zugeführt.

Die durch die Unterdimensionierung verminderte Leistungsabgabe des den Verdichter antreibenden Tür-

binenläufers kann weitgehend durch die Möglichkeit ausgeglichen werden, die Eintrittstemperatur drastisch zu erhöhen. Diese erhöhte Temperatur führt jedoch zu einem größeren Gasvolumen, dem dadurch Rechnung getragen werden kann, daß der Turbinenläufer mit vergrößerten Schaufelöffnungen ausgeführt wird, die den Durchtritt des größeren Gasvolumens ermöglichen. Das bedeutet grundsätzlich, daß der unterdimensionierte Turbinenläufer proportional weniger Schaufeln mit einer höheren Schaufelstreckung als im Fall eines herkömmlichen Turbinenläufers aufweist Vom aerodynamischen und festigkeitsmäßigen Standpunkt aus ist dies vorteilhaft und auch annehmbar, da keine Notwendigkeit besteht, diese Stufe auf Maximalleistung auszulegen.

Die Möglichkeit, den Läufer mit vergrößerten Abständen zwischen den Schaufeln auszubilden und ihn so auszulegen, dAß die Gasströmung den Läufer nur mit geringer Umlenkung durchsetzt, führt zu einem verminderten Strömungswiderstand. Eine Möglichkeit zur Verminderung der erforderlichen Umlenkung auch in dem dem Turbinenläufer vorgeschalteten L^itschtufelring besteht (forin, die Brennkammer gegenüber einer Längsebene durch die Läuferachse exzentrisch vorzusehen und den LCitschaufelring in einer Spiralkammer anzuordnen, so daß die Gase bereits beim Eintritt in den Leitschaufelring einen gewissen gleichgerichteten Drall besitzen. Dies führt zu einer drastischen Verminderung der Größe und der Anzahl der Schaufeln sowohl im Turbinenläufer als auch im Leitschaufelring, die daher für manche Anwendungsfälle ohne Schaufelüberlappung ausgeführt werden können. Das vereinfacht dit Herstellung und senkt das Gewicht sowie die Kosten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 ein Schaubild mit einer schematisch vereinfachten Darstellung der Beziehung zwischen den zulässigen Spannungen und der Temperatur in verschiedenen Werkstoffen für Turbinenläufer;

F i g. 2 eine schematische Veranschaulichung der Durchmesserverhältnisse der Turbinenläufer in einer zweiwelligen Gasturbinenanlage üblicher Bauart;

F i g. 3 eine schematische Veranschaulichung der gleichen Verhältnisse in einer einfachen erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage;

F i g. 4 eine Axialansicht, teilweise geschnitten, einei· Brennkammer und der von dieser zum Einlaß des Turbinenläufers führenden Spirale;

F i g. 5 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Gasturbinenanlage;

F i g. 6 ~in Schaubild zur Veranschaulichung der Verwendbarkeit von keramischen Werkstoffen in verschiedenen Läuferkombinationen;

F i g. 7 eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Änderungsmöglichkeiten für die Geschwindigkeit des Gaserzeugers und der Turbineneinlaßtemperatur bei Teillast;

F i g. 8 eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung des Einflusses der in F i g. 7 dargestellten Änderungen auf die Spannungen im ersten Turbinenläufer bzw. im zweiten Turbinenläufer;

F i g. 9 schematisch vereinfacht eine erfindungsgemäße Gasturbinenanlage mit einem Wärmetauscher, und

Fig. 10 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Rückgewinnung von Abgas-, aerodynamischer und Wärmeenergie auf zw :^;fache Weise in der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage.

In F i g. 1 ist schematisch die zulässige Spannung O eines üblichen Metalles für Turbineniäufer unter wechselnden Temperaturbedingungen t aufgetragen im Vergleich zu einer entsprechenden zulässigen Spannung in einem keramischen Werkstoff für Turbinenläufer. Die Kurve A zeigt, daß der metallische Werkstoff, üblicherweise irgendein warmfester Stahl, bei mäßigen Temperaturen eine hohe Festigkeit aufweist, die jedoch schnell abfällt, wenn die Temperatur einen bestimmten oberen

ίο Grenzwert erreicht

Die Kurve B veranschaulicht, daß der keramische Werkstoff eine erheblich geringere Festigkeit als das Metall, beispielsweise nur die halbe Festigkeit aufweist was auf das fehlende Dehnungsvermögen, die grundsätzlich größere Sprödigkeit und die statistische Festigkeit (Weilbull-Zahl) zurückzuführen ist Diese verminderte Festigkeit jedoch bleibt bei dem Keramikwerkstoff bis in einen Temperaturbereich erhalten, der bei (ungekühltem) Metal! überhaupt nicht mehr möglich ist.

Für dtn Wirkungsgrad des thermodynamischen Kreisprozesses ist es außerorden^ih vorteilhaft die Eingangstemperatur der Turbine so hoch wie möglich zu wählen, was eine Verwendung keramischer Werkstoffe insbesondere in den heißesien Teilen der Casströme nahelegt wozu die Verbrennungskammer, der Ein- !aßkai_J und das Einlaßspiralgehäuse mit dem Stator und dem oder den ersten Läufern) zählen.

Ein umlaufendes Teil ist nicht nur durch die Temperatur und die Temperaturgradienten bei Belastungswechsein hohen Relativbeanspruchungen und Deformationen ausgesetzt, sondern in erheblichem Umfange auch durch die Zentrifugalkräfte in dem Läuferkörper und seinen Schaufeln. In dieser Hinsicht ergeben sich durch die Sprödigkeit das fehlende Dehnungsvermögen und die vergleichsweise geringe Festigkeit keramischer Werkstoffe große Schwierigkeiten.

Die aus einem Läufer erzielbare oder von ihm aufnehmbare Leistung ist im wesentlichen proportional dem Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit (u²) des im Gasstrom arbeitenden Läuferteiles bzw. der Summe der Quadrate der im Gasstrom arbeitenden Läuferteile. In F ι g. 2 ist schematisch stark vereinfacht eine übliche Anordnung einer zweiwelligen Gasturbinenanlage mit einem Verdichterläufer 10, einem direkt auf der Welle 13 des Verdichterläufers 10 aufgekeilten T.irbinenlMufer 11 zum Antrieb des Verdichters und einem weiteren Turbineniäufer 12 dargestellt, der an einer getrennten Welle 14 Nutzleistung liefert. Gasturbinen dieser Bauart werden bislang so ausgelegt, daß der den Verdichter 10 antreibende Turbineniäufer 11 bei normalen Umlaufgeschwindigkeiten ui:d nominaler Vollast selbst die. Leistung zum Antrieb des Verdichters entwickelt Dies erfordert gemäß den obigen Überlegungen einen Ver-Jicrnerantriebsläufer mit vergleichsweise großem Durchmesser D, was zu hohen Spannunpen führ». Bei mehreren Turbinenstufen zum Antrieb des Verdichters 10 ist die Summe der Umfangsgeschwindigkeitsquadrate, die sogenannte Parsons-Zahl, ein Maß für das Leistungsvermögen "ines Turbinenläufers. Eine bekannte Möglichkeit zur Verminderung von Zentrifugalspannungen ist die Anwendung mehrerer Stufen für ein vorgegebenes Druckverhältnis und eine vor/jegebene Turbineneingangstemperatur.
Die geringe Festigkeit keramischer Werkstoffe hat zur Notwendigkeit sehr komplizierter Läuferkonstruktionen und Schaufellagerungen geführt, wobei auch komplexe Verbundwerkstoffe oder sogenannte »duodensity«-Läufer eingesetzt wurden, die für eine Serien-

fertigung zu teuer sind.

Die vorliegende Erfindung geht von der Einsicht aus, daß es in der Gegenwart und in der näheren Zukunft nicht möglich sein wird, mit vertretbarem Aufwand und daher vertretbarer Preisstellung Werkstoffe zu schaffen, die sogar in einer zweiwelligen üblichen Gasturbine gemäß Fig. 2 und natürlich erst recht in einer einwelligen Gasturbine die erforderliche Leistung zum Antrieb des Verdichters aus einer einstufigen Turbine mit einem geringen Spannungen ausgesetzten Keramikläufer ergeben, der auf einfache, zur Serienfertigung geeignete Weise hergestellt ist. Erfindungsgemäß ist daher der Turbinenläufer zum Antrieb des Verdichters sozusagen unterdimensioniert, also mit einem geringeren Durchmesser als ein üblicher einstufiger Antriebsläufer für den Verdichter ausgebildet und ist dafür ein Getriebe vorgesehen, das mechanisch den Verdichterantrieb von irgendeinem anderen Turbinenläufer der Anlage her unterstützt, der stromab des ersten Turbinenläufers angeordnet ist.

In F i g. 3 ist eine einfache Anordnung der erfindungsgemäßen Bauart dargestellt. Der Verdichterläufer 15 wird durch einen Turbinenläufer 16 angetrieben, der im Durchmesser unterdimensioniert ist und somit die erforderliche Antriebsleistung für den Verdichter nicht erzeugt, jedoch dafür bei erheblich verminderten Zentrifugalspannungen und anderen Spannungen, beispielsweise infolge von Temperaturgradienten, bei wechselnden Arbeitsbedingungen (verminderte Trägheitsmasse und Übertemperatu, bei der Beschleunigung), arbeitet. Ein Nutzturbinenläufer 17 liefert nicht nur Nutzleistung an einer Abtriebswelle 18, sondern liefert über einen ersten Getriebezug 19, einen Freilauf 20, ein stufenloses Übersetzungsgetriebe 21 und einen zweiten Getriebezug 22 auch die erforderliche Zusatzleistung zum Antrieb des Verdichters 15 mit voller Leistung. Zwischen mit einer verminderten Schaufelzahl ausgeführt werden. Dies wiederum führt dazu, daß die Leitschaufeln ohne Überdeckung in axialer Durchblickrichtung angeordnet werden können, so daß eine vereinfachte Herstellung beispielsweise durch Spritzguß und Sinterung oder durch Warmpressung der Bauteile durchgeführt werden kann. Dies gilt mit Rücksicht auf die verminderte Belastung und die damit verminderte Anzahl der Laufschaufeln auch für den ersten Turbinenläufer.

ίο Eine derartige Einlaßanordnung ist in F i g. 4 veranschaulicht. Dabei ist eine Brennkammer 25 mit einem Brenner 26 vorgesehen, die von einer Luftvorlagekammer 27 umgeben ist, welche Luft aus dem Verdichter enthält. Die Brennkammer 25 ist mit einem Spiralgehäuse 28 verbunden, welches Leitschaufel 29 mit einem Vordrall speist. Die Brennkammer 25, das Spiralgehäuse 28 und die Leitschaufeln 29 bestehen sämtlich aus Keramikwerkstoff.

Die erhöhte Gastemperatur führt für eine gegebene Turbinengröße zu einem vergrößerten spezifischen Gasvolumen, welches die durch Leitschaufeln unterteilten Ringkanäle durchsetzen muß, welche in der in F i g. 3 bei d veranschaulichten Weise einen geringeren mittleren Durchmesser aufweisen. Die höhere Temperatur ermöglich' es natürlich, mehr Energie aus den Gasen zu gewinnen, wenn sie den ersten Turbinenläufer durchsetzen, wobei jedoch andererseits die im ersten Turbinenwiufer umgesetzte Gesamtenergie erfindungsgemäß absichtlich niedriger gehalten ist als im Falle einer Anordnung gemäß F i g. 2. In der bereits erläuterten Weise bedeutet dies, daß eine geringere Ablenkung der Gasströmung erforderlich ist und somit eine verminderte Anzahl von Leitschaufeln eingesetzt werden kann, was zu einem vergrößerten Leitschaufelabstand, also einer geringeren Überdeckung, führt. Dadurch wird eine weiter vergrößerte relative Durchflußfläche erzielt,

aen DCiucii lüruinciiiaüiciii in üiiu i/ siuu cin5ieiiuäre Leitschaufeln 23 vorgesehen, mit denen die Leistungsaufteilung zwischen den beiden Turbinenläufern eingestellt werden kann.

Um auch im Falle einer Blockierung der Abtriebswelle 18 durch Drehmomentüberlast eine Drehung des Nutzturbinenläufers 17 und damit eine Leistungszuführung zum Verdichter und sonstigen Hilfsaggregaten zu ermöglichen, kann ein Abtriebsdifferential, ein Drehmomentwandler oder irgendeine entsprechende geeignete Einrichtung eingesetzt werden.

Wegen der geringen Trägheit des unterdimensionierten Turbinenläufers 16 und durch das Wechselgetriebe 21 sowie den Trägheitseinfluß des Nutzturbinenläufers 17 ist es möglich, eine schnelle Beschleunigung des Gaserzeugerteiles zu erzielen, ohne daß Übertemperaturen wie in einer üblichen Gasturbinenanlage auftreten. Durch die Unterdimensionierung des Turbinenläufers 16 können Keramikwerkstoffe eingesetzt und der Turbinenläufer 16 mit den Laufschaufeln einstückig ausgeführt werden, beispielsweise durch Sinterung oder Warmpressung. Somit kann die Temperatur der Verbrennungsgase aus der Brennkammer angehoben werden, ohne vom einfachen Aufbau der Turbine abgehen zu müssen.

Dadurch, daß die erste Reihe der Leitschaufeln des Einlaß-Leitschaufelrings an eine Einlaßspiralkammer anschließt, weiche einen Vordrall am Einlaß erzeugt, ist nur eine geringe aerodynamische Last, also nur eine geringe Ablenkung des Gasstromes am Leitschaufelring erforderlich. Dadurch kann die erste Reihe von Leitschaufeln, die ebenfalls aus Keramikwerkstoff bestehen, elativc Verminderung der

damit der Schaufellänge möglich ist, was zu einer Verminderung der aerodynamischen Belastungen und dur Schwingungsbelastungen an den Schaufeln durch das Gas führt. Die verminderte relative Höhe und das verminderte Gewicht der Schaufeln führen auch zu einer Absenkung der Belastung der Laufschaufeln, des Radkranzes und des Läuferkörpers durch Zentrifugalkräfte.

In F i g. 5 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht Ein Verdichterläufer 30 ist auf einer Hohlwelle 31 angeordnet, die auch einen Turbinenläufer 32 mit einstückigen Laufschaufeln aus Keramikwerkstoff trägt. Der Turbinenläufer 32 ist auf der

so Welle 31 abnehmbar und nachgiebig durch eine innere Gewindestange 33 und eine nicht näher dargestellte Spannmutter befestigt Ein zweiter und ein dritter Turbinenläufer 34 und 35, von denen wenigstens der letzte aus Metall hergestellt ist, sind stromab des ersten Turbinenläufers 32 angeordnet und beide mit einem Planetengetriebe 36 verbunden. Die Abtriebswelle 37 des äußeren Hohlrades des Planetengetriebes 36 gibt bei 38 ein Drehmoment ab, während eine zweite, mit dem Sonnenrad des Planetengetriebes verbundene Welle 39 dem Verdichter 30 über ein Wechselgetriebe 40 zusätzliche Antriebsleistung zuführt

Luft aus dem Verdichter 30 strömt in eine Vorlagekammer 41 ein, welche die Brennkammer 42 umgibt Ein Teil dieser Luft strömt nach unten und tritt in Öffnungen

ö5 43 der Hohlweile 31 ein, von wo aus diese Luft dem Turbinenläufer 32, der Hohlwelle 31 und den elastischen Haltegliedern für den Turbinenläufer 32 zur Kühlung zugeführt wird.

Die Brennkammer 42 ist mit einem Brenner 44 ausgestattet. Nicht naher dargestellte Brennstoffpumpen und Dosierorgane sind für eine solche Brennstoffzuführung vorgesehen, welche zu einer erheblich höheren Gastemperaiur führt, als sie in üblichen Turbinen mit einem ersten metallischen Turbinenläufer erzeugt wird.

In Fig. 6 ist die Arbeitsweise verschiedener Turbinenri'iagen bezüglich der bei handelsüblichen Keramikwerkstoffen zulässigen Spannungen veranschaulicht. Die zulässige Spannung ist als horizontales Band dargestellt, während die Spannungen im erster. Turbinenläufer als vertikale Säulen veranschaulicht sind.

Bei A ist eine bekannte zweiwellige Turbinenanlage dargestellt, bei der der zum Verdichterantrieb herangezogene Turbinenläufer die Verdichterleistung alleine aufbringt, wobei erkennbar ist, daß die Spannungen im Turbinenläufer vor allem wegen der hohen Umfangsgeschwindigkeit die in Keramikwerkstoffen zulässigen

Bei A 1 ist eine erfindungsgemäße Abwandlung der Anlage .4 dargestellt, sowie sie im Zusammenhang mit F i g. 3 im wesentlichen beschrieben ist, also mit einem unterdimensionierten Turbinenläufer für den Verdichterantrieb und zusätzlicher Antriebsunterstützung. Hierdurch werden die Spannungen gerade noch in den zulässigen Bereich gedrückt.

Bei Sund B X ist jeweils eine erfindungsgemäße Prinziplösung veranschaulicht, bei der der Turbinenläufer einen verminderten Durchmesser aufweist und für den Antrieb des Verdichters durch einen zweiten Turbinenläuf .: unterstützt wird.

Auch mit einer solchen Anordnung werden die Spannungen der ersten beiden Turbinenstufen in den für Keramikwerkstoffe zulässigen Bereich gedrückt, wie anhand der Indizierung der angegebenen Spannungen ersichtlich ist, welche die Spannungsangaben den jeweiligen Anordnungen zuordnen.

Bei Cund CX ist eine weitere erfindungsgemäße Abwandlung veranschaulicht, bei der drei Läufer auf eigenen Wellen arbeiten. Der erste Turbinenläufer hat einen gegenüber dem Beispiel B noch weiter verringerten Durchmesser. Zusätzliche Leistung für den Verdichterantrieb liefert der dritte Läufer über ein Getriebe. Dadurch können die Spannungen im ersten Turbinenläufer deutlich unter die zulässige Spannungsgrenze gebracht werden. Die Spannungshöhe berücksichtigt dabei sowohl mechanische Spannungen als auch thermische Spannungen während des Normalbetriebes und insbesondere auch während Lastwechseln.

Dadurch daß ein Wechselgetriebe zur Antriebsunterstützung der Verdichterwelle vorgesehen ist, kann auch durch das Trägheitsmoment der anderen Turbinen eine schnelle Beschleunigung ohne zusätzlichen Brennstoffbedarf erzielt werden, der normalerweise über dem Brennstoffbedarf für Vollast liegt; eine solche zusätzliche Brennstoffeinspeisung ist bei bekannten Gasturbinen die Regel. Diese zusätzliche Brennstoffzuführung führt zu zeitweiligen Übertemperaturen, die sehr· schädlich für die Standzeit des Turbinenläufers sind. Die Vermeidung derartiger Übertemperaturen hat zur Folge, daß billige Werkstoffe verwendet werden können, oder aber daß bei hochwertigen Werkstoffen der Gewichtsund Raumbedarf entsprechend reduziert werden kann.

Das führt auch zu einer wesentlichen Verminderung der Schadstoffemission mit den Abgasen, insbesondere von Stickstoffen.

Der Gaserzeugerteii einer Gasturbinenanlage arbeitet in der Regel mit vermindertem Wirkungsgrad, sobald die Anlage unterhalb ihrer Nenndrehzahl läuft, also mit vermindertem Druck und verminderter Temperatur arbeitet. Da durch die Erfindung thermische Schockbeanspruchungen vermindert werden können, kann die dadurch erzeugte Reserve an Standfestigkeit gegenüber thermischen Dauerbelastungen zeitweilig dazu benutzt werden, den Gaserzeugerteil, also den Verdichter und den ersten Turbinenläufer, bei höheren Temperaturen und/oder erhöhter Drehzahl laufen zu lassen, als

ίο diese bei einer üblichen Anlage bei Nenndrehzahl zulässig sind, sobald die Nutzturbine in einem niedrigeren Drehzahlbereich läuft. Dies bedeutet, daß ein höheres Druckverhältnis und ein erhöhter Gasdurchsatz am Gaserzeugerteil mit der Folge einer höheren Leistung gefahren werden kann. Dadurch wiederum steht ohne Verwendung eines besonderen Getriebes oder einer Einrichtung zur temporären Leistungssteigerung ein höheres Drehmoment beim Start und bei geringen Gecnhti/insJifrL·öit/»n 7iir VArfiicruno Da Hip TiirhinpnanliiDf»

normalerweise im unteren Drehzahlbereich arbeitet und die höhere Temperatur und/oder die höhere Drehzahl nur während einer begrenzten Zeitspanne vorliegen, hat diese Erhöhung keinen übermäßigen Einfluß auf den unterdimensionierten Turbinenläufer, und zwar besonders dann nicht, wenn nur einer der genannten Parameter geändert wird. Der Nutzturbinenläufer wird durch den zeitweiligen Temperaturanstieg nicht fühlbar nachteilig beeinflußt, da die dadurch hervorgerufene erhöhte thermische Belastung nur dann auftritt, wenn der Läufer im niedrigen Drehzahlbereich arbeitet und daher nur verminderten mechanischen Belastungen ausgesetzt ist.

In Fig.7 veranschaulicht ein einfaches Diagramm den Verlauf der Temperatur t in °C und der Drehzahl des Gaserzeugerteiles (n_Cp), die auf der Ordinate aufgetragen sind, über der Drehzahl der Nutzturbine (ηρτ) auf der Abszisse.

Die Kurve 1 in F i g. 7 veranschaulicht dabei mögliche Änderungen der Turbineneinlaßtemperatur in einem Betriebsbereich unterhalb der vollen Drehzahl der Nutzturbine, die bei 100% angegeben ist. In entsprechender Weise veranschaulicht die Kurve II mögliche Änderungen der Drehzahl des Verdichters und der Verdichterantriebsturbine bis zur vollen Drehzahl der Nutzturbine. Die Punkte 50 und 51 veranschaulichen die Turbineneinlaßtemperatur bzw. die Drehzahl des Gaserzeugerteiles bei Nenndrehzahl, also bei voller Drehzahl (100%) der Nutzturbine.

In Fig. 8 ist der Einfluß einer erhöhten Temperatur und/oder einer erhöhten Drehzahl auf die umlaufenden Teile der Anlage veranschaulicht Die relative Spannung O_nI als Verhältnis zwischen der tatsächlichen Momentanspannung und der zulässigen Dauerspannung ist auf der Ordinate aufgetragen, während die Nutzturbinendrehzahl (πρτ) auf der Abszisse aufgetragen ist. Die relative Spannung a_rti liegt mit Rücksicht auf die Auslegung im allgemeinen unterhalb der maximalen Beschleunigungsspannung einer üblichen Turbine, die durch die strichpunktierte Linie 55a veranschauücht ist.

Die Spannungen im Nutzturbinenläufer ändern sich im allgemeinen gemäß der Kurve 52 bis zu einem Höchstwert 53 beim Erreichen der vollen Nenndrehzahl (100%). Die Spannungen im Turbinenläufer für den Verdichter erreichen bei dieser Nenndrehzahi lediglich einen wesentlich geringeren Wert, der bei 54 veranschaulicht ist.

Wenn die Turbineneinlaßtemperatur und/oder die Drehzahl der Verdichter-Turbinen-Einheit erhöht wird.

wie dies durch die auf die Ordinate zulaufenden Erhöhungen der Kurven I und Il auch in Fig. 7 veranschaulicht ist, werden die Spannungen während kurzer Zeitspannen die zur Ordinate hin ansteigende obere Kurve 55 gemäß F i g. 8 erreichen. Diese zeitweilig erhöhten Spannungen im Turbinenläufer für den Verdichter können zugelassen werden, da die sonst üblichen thermischen Schockueanspruchungeti, wie sie durch die Linie 55a veranschaulicht sind, vermieden werden können. Wie sich weiterhin zeigt, überschreiten die Spannungen im Nutzturbinenläufer nicht den Maximalwert, der bei voller Nenndrehzahl erzielt wird, die bei einem üblichen Kraftwagenantrieb nur während eines sehr kurzen Anteiles der Gesamtbetriebszeit erzielt wird.

Die oben erläuterte Beschleunigungshilfe bei niedrigeren und mittleren Drehzahlen kann im Bedarfsfälle auch zur Erzielung eines sogenannten kick-down-Effektes benutzt und dabei nur gelegentlich eingesetzt wer-

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das Gaspedal bereits auf Vollast steht, ähnlich wie dies beim kick-down bei automatischen Fahrzeuggetrieben der Fall ist.

Als Antriebsmaschine ist eine solche Gasturbinenanlage vorzugsweise mit einem Keramikwärmetauscher versehen, in dem der Wärmeinhalt der die letzte Turbinenstufe verlassenden Gase in der an sich bekannten Weise zur Vorwärmung der der Brennkammer zugeführten Frischluft verwendet wird.

In Fig.9 ist schematisch vereinfacht der Grundaufbau einerrfdreistufigen Gasturbine mit einem drehbaren Regenerativluftvorwärmer veranschaulicht.

Der Verdichter ist mit 60 bezeichnet, während die drei Turbinenläufer mit 61, 62 und 63 bezeichnet sind. Der Läufer 62 stellt die Nutzturbine dar, der Läufer 61 ist direkt mit dem Verdichterläufer verbunden und der Läufer 63 erzeugt zusätzliche Leistung für den Gaserzeugerteil, die über ein Getriebe 64 zugeführt wird= Der Läufer 63 liefert überdies Leistung für Hilfsaggregate und/oder auch über nicht näher dargestellte Getriebe Leistung für die Abtriebswelle.

Die Brennkammer ist mit 65 bezeichnet, der Wärmetauscher mit 66. Verstelltare Leitschaufeln 67 sind zwischen den Läufern 62 und 63 vorgesehen, um eine gewünschte Aufteilung der zur Verfügung stehenden Gasenergie zwischen den beiden Läufern zu erzielen. Ein ähnliches Ergebnis kann erzielt werden, wenn verstellbare Leitschaufeln zwischen dem ersten und dem zweiten Turbinenläufer angeordnet sind, wobei der zweite zur Unterstützung des Verdichterantriebes herangezogen wird, während der dritte Läufer dann als Nutzturbine arbeitet.

Die Anordnung gemäß F i g. 9 eignet sich besonders für Fahrzeugantriebe, bei denen der Nutzläufer 62 über ein Getriebe derart mit den Fahrzeugrädern verbunden ist, daß der Läufer zum Stillstand kommt, wenn das Fahrzeug steht

Durch Anordnung der Hilfsturbine 63 stromab des Nutzläufers 62 ist es durch Einstellung der Leitschaufeln 67 möglich, die Energie der den Läufer 62 verlassenden Gase zu nutzen. Dadurch wird ein doppeltes Regenerativsystem erzielt, bei dem die Turbinenstufe 63 die aerodynamische Abgasenergie hinter der Nutzturbine nutzt, während der Wärmeinhalt der Abgase im Wärmetauscher zur Luftvorwärmung nutzbar gemacht wird

Diese Energierückgewinnung ist in Fig. 10 schsmatisch veranschaulicht wobei 70 den Energieishalt des zugeführten Brennstoffes, 71 die daraus gewonnene Leistung und 72 die unvermeidlichen Verluste bezeichnet Eine bestimmte Menge der Abgasenergie wird nach dem Läufer 63 in der bei 73 veranschaulichten Weise im Läufer 63 nutzbar gemacht, während bei 74 die Wärmerückgewinnung im Wärmetauscher 66 veranschaulicht ist.

Bei den bisher erläuterten Ausführungsbeispielen arbeiten die ersten Turbinenläufer als Axialturbinen oder als gemischte Axial-Radial-Turbinen mit Umlenkung radial nach außen. Insbesondere im Zusammenhang mit

ίο der Fertigung der Bauteile aus Keramikwerkstoffen sind jedoch bestimmte Vorteile dann erzielbar, wenn der erste Turbinenläufer eine Strömungsumlenkung radial nach innen bewirkt. Die Schaufeln können entweder axial-radial gerade oder geringfügig verjüngt ausgebildet sein. Darüber hinaus können die Schaufeln dicker ausgeführt und mit größerem Abstand angeordnet wer den, als bei axialer Durchströmung, welches einen Tel! der Herstellung vereinfacht.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Gasturbinenanlage mit einem Verdichter, einem auf der Verdichterwelle angeordneten ersten Turbinenläufer für den Antrieb des Verdichters, mindestens einem weiteren, auf einer von der Verdichterwelle getrennten Welle angeordneten Turbinenläufer, mindestens einer Brennkammer, die mit Luft aus dem Verdichter beaufschlagt ist und Verbrennungsgas von einer Temperatur, die über der Verträglichkeitsgrenze ungekühlter metallischer Turbinenwerkstoffe liegt dem ersten und dem zweiten Turbinenläufer zuführt, wobei zumindest die Schaufeln des ersten Turbinenläufers aus keramischem Werkstoff bestehen und der weitere Turbinenläufer mit der Verdichterwelle über ein veränderbares Getriebe verbunden ist, um dem Verdichter zusätzlich benötigte Antriebsenergie zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des ersten Türbineniäüfers so klein bemessen ist, daß der Turbinenläufer nicht allein die zum Antrieb des Verdichters nötige Leistung erzeugen kann.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form und die Anzahl der Laufschaufeln dts ersten Turbinenläufers so gewählt sind, daß in axialer Durchsicht keine Oberdeckung vorliegt

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß vor dem ersten Turbinenläufer ein '^eitschaufelring mit radial ausgerichteten Leitschaufeln (29) angeordnet ist deren Anzahl so gering ist daß sie sich in axialer Durchsicht nicht überdecken, und daß die Brennkammer (25) gegenüber einer Längsebene durch die Achse des ersten Turbinenläufers exzentrisch angeordnet ist und mit dem Leitschaufelring durch eine Spirale (28) verbunden ist, die das Verbrennungsgas mit hohem Drall zuführt.

4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Spirale (28) zwischen der Brennkammer und dem ersten Turbinenläufer aus Keramikwerkstoff besteht.