-
Laufrad für Gasturbinen mit absatzweiser Zuführung des Treibmittels
Die Erfindung bezieht sich auf das Laufrad von Gasturbinen mit absatzweiser Zuführung
des Treibmittels.
-
Zu den Gasturbinen, denen das Treibmittel absatzweise zugeführt wird,
gehören in erster Linie die sogenannten Verpuffungsturbinen. Bei diesen wird das
Treibmittel in einer oder in mehreren Brennkammern erzeugt und der Laufradbeschaufelung
über eine Treibmittelzu.führdüse zugeführt. Ferner gehören zu den Gasturbinen mit
absatzweiser Zuführung des Treibmittels auch die bekannten Abgasturbinen, welche
durch die Abgase von ihnen vorgeschalteten Kolbenbrennkraftmaschinen beaufschlagt
werden. Dabei ist es ohne Belang, ob der Hauptteil der von der Kraftanlage erzeugten
mechanischen Arbeit aus der Brennkraftmaschine oder aus der Gasturbine gewonnen
wird.
-
Es liegt im Wesen des bei Gasturbinen der oben angeführten Art angewendeten
Verpuffungsverfahrens, daß der Treibmitteldruck in der Brennkammer während eines
Arbeitsspieles von einem Höchstwert auf einen Kleinstwert absinkt. Mit dem Druck
sinkt aber auch die in der Treibmittelzufuhrdüse auftretende Treibmittelgeschwindigkeit
von einem Höchstwert zu Beginn des Arbeitsspieles bis auf den Wert Null am Ende
des Arbeitshubes.
-
In den bisher üblichen Gasturbinenläufern ist nun auf diese Änderung
im Treibmittelstrom
keine Rücksicht genommen. Es sind keinerlei
Mittel vorgesehen, um den Turbinenläufer dieser periodisch wechselnden Beaufschlagung
anzupassen, vielmehr ist ein Läufer bekannter Bauart mit auf seinem Umfang gleichmäßig
verteilten Schaufeln versehen, die in gleichem Abstand vcn-.inand-er .an"-eo-rdnet
sind und gleiche Ein- bzw. Austrittswinkel aufweisen. Es ist leicht einzusehen,
daß ein solcher Turbinenläufer den Bestwert des Wirkungsgrades nur für eine bestimmte
Treibmittelgeschwindigkeit haben kann. Diese Treibmittelgeschwindigkeit hängt von
den der Konstruktion des Läufers zugrunde liegenden Abmessungen ab. Wird ein solcher
Turbinenläufer durch ein Treibmittel beaufschlagt, dessen Geschwindigkeit höher
liegt als die dem Bestwert des Wirkungsgrades entsprechende, dann sind Verluste
durch Wirbelbildung unvermeidbar. Ist hingegen die Geschwindigkeit des Treibmittels
kleiner als die dem Bestwert des Wirkungsgrades entsprechende, so wirkt der Treibmittelstrom
auf den Turbinenläufer abbremsend.
-
Aufgabe der Erfindung ist nun die Schaffung eines Läufers für Gasturbinen
mit absatzweiser Zuführung des Treibmittels, bei welchem diese Verluste durch Wirbelung
und Abbremsung vermieden werden.
-
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß dieAbstände
benachbarter Laufschaufeln und die Ein- und/oder die Austrittswinkel der durch die
Laufschaufeln gebildeten Laufradkanäle über den Umfang des Laufrades sich ein oder
mehrmals zwischen je zwei Grenzwerten, von denen die einen dem Höchstwert, die anderen
dem Kleinstwert des Arbeitsmitteldruckes während eines Arbeitsspieles der Brennkammer
entsprechen, stetig ändern und daß eine Einrichtung zur Synchronisierung zwischen
der Steuerung der Brennkammer einerseits und der Drehbewegung des Laufrades andererseits
vorgesehen ist, derart, daß sich im Verlauf eines Arbeitsspieles der Brennkammer
jeweils diejenigen Laufradkanäle vor der Treibmitteldüse befinden, welche hinsichtlich
der Umsetzung der kinetischen Energie des Treibmittelstromes in mechanische Arbeit
im Läufer bei der jeweiligen, als Funktion des Brennkammerdruckes auftretenden Treibmittelgeschwindigkeit
den Bestwert des `@ irl;ungsgrades ergeben.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, daß zwei oder
mehrere Treibmittelzuführdüsen entsprechend dem Umfang des Laufrades angeordnet
sind.
-
Die -Vorteile eines Turbinenläufers gemäß der Erfindung sind bedeutend.
Dadurch, daß die durch die Laufschaufeln gebildeten düsenförmigen Kanäle genau der
jeweils auftretenden Gasgeschwindigkeit entsprechen und die Schluckfähigkeit der
Turbine der jeweils anfallenden Treibmittelmenge angepaßt ist. werden die sonst
unvermeidbaren Wirbelungs-und Abbremsverluste vermieden und wird der Wirkungsgrad
der gesamten Anlage erheblich verbessert.
-
Ein weiterer Vorteil der Anwendung der Erfindung ergibt sich aus folgender
Cberlegung: Bekanntlich erwärmt sich ein strömendes -Mittel -, sobald es auf einen
Widerstand trifft. Diese Erscheinung zeigt sich auch beim Eintritt des Treibmittels
in den Läufer einer Gasturbine. In diesem Falle ist die von dein Eintrittsstoß in
das Turbinenlaufrad herrührende zusätzliche Erwärmung besonders unangenehm, weil
die Wärmebeanspruchung des Schaufelbaustoffes einer Gasturbine ohnehin schon sehr
hoch liegt und weil der Wärmeübergang vom Treibmittel zum Schaufelbaustoff infolge
der Wirbelbildung in ungünstigster Weise vergrößert wird. Durch Gestaltung des Laufrades
gemäß der Erfindung wird der Eintrittsstoß des Treibmittels in die Beschaufelung
vermieden oder zum mindesten erheblich verkleinert, so daß die obenerwähnte zusätzliche
Erwärmung innerhalb der Läuferbeschaufelung und damit die Beanspruchung des Schaufelbaustoffe:
durch tt'ärmespannungen in hohem -Maße vermindert wird.
-
In der Zeichnung ist die Erfindung veranschaulicht; es zeigt Abb.
i wesenhaft eine Abwicklung des Laufrades einer Gasturbine gemäß der Erfindung mit
der Treibmittelzufuhrdüse.
-
Abb. ? eine Stirnansicht eines Turbinenlaufrades nach der Erfindung
als Beispiel. Abb. 3 eine andere Ausführungsform eines Läufers gemäß der Erfindung
mit drei gleichmäßig über den Radumfang verteilten Schaufelgruppen, Abb. .t in Diagrammform
die Abhängigkeit der Treibmittelgeschwindigheit von der Zeit. Gemäß Abb. i wird
das aus der nicht gezeichneten Brennkammer strömende Treibmittel durch die Treibmittelzufulirdüse
d dem Turbinenlaufrad;- zugeführt. Auf dem Umfang des Turbinenläufers t- sind die
Laufschaufeln si, s,, s. usw. formschlüssig oder durch Schweißen oder ähnlich befestigt.
Je zwei benachbarte Schaufeln bilden die düsenförmigen Laufschaufelkanäle ki. k-
113 usW. Gemäß der Erfindung sind die Laufschaufeln S il s.@. s..
usw. derart angeordnet und die Ein- j bzw. Austrittswinkel derLaufschaufeln derart
gewählt. daß sich ihre Abstände und damit die durch benachbarte Schaufeln -bildeten
Kanäle 1#i. l,.,. 1 , usw. über den ganzen Umfang de: Läufers hinweg zwischen
z«-ei Grenz- i Werten st°tig ändern. D--r eine Grenzwer t tiitspric:it d---r Treibmitt°lgeschwindigheit
zu
Beginn des Arbeitshubes, und der andere Grenzwert entspricht
der nach beendeter Spülperiode während der Ladeperiode abklingenden Geschwindigkeit
der Spülluft. Die Abhängigkeit der Treibmittelgeschwindigkeit von der Zeit ist in
Diagrammform in Abb. q. dargestellt. Dabei sind als Ordinatenwerte die Werte der
Treibmittelgeschwindigkeit v und als Abszissenwerte die Werte -der Zeit t aufgetragen.
Der erste Teil der Kurve v etwa von Null bis z entspricht dem Geschwindigkeitsverlauf
während des Arbeitshubes; der Kurventeil von z bis 2 entspricht dem Verlauf der
Treibmittelgeschwindigkeit während der Spülperiöde und der Kurventeil von 2 bis
Null zeigt das Abklingen der Treibmittelgeschwindigkeit (Spülluft) während der Ladeperiode.
Wie aus dem Diagramm ersichtlich, ist t1, t2, t3 jeweils die Zeit, die von dem einen
Höchstwert der Treibmittelgeschwindigkeit bis zum Erreichen des nächsten Höchstwertes
vergeht. In dem in Abb. 2 dargestellten Beispiel ist diese Zeit t1; wird nun t1
der Zeit gleichgesetzt, die das Laufrad für eine Umdrehung benötigt, so ergibt sich
aus dieser Beziehung und aus der Kurve v zwangläufig die Verteilung der Schaufeln
s1, s2, s3 usw. auf den Umfang des Läufers r. Es entsprechen z. B. dem Beginn der
Kurve v, d. h. der Höchstgeschwindigkeit des Treibmittels, die Lauf schaufellkanäle
k1, k2, h3, die hinsichtlich ihrer Abstände, ihrer Ein- und Austrittswinkel jeweils
nach den Regeln der Thermodynamik für die Teilgeschwindigkeiten v1, v2, v3
USW.
berechnet. und konstruiert werden. Diese Beziehung gilt nicht nur für
die eben genannten Kanäle, sondern für den gesamten Verlauf der Kurve "v, d: h.
für sämtliche Teilgeschwindigkeiten und für sämtliche durch die Laufschaufeln gebildeten
Laufradkanäle. In der Atb. 4 ist dieser Zusammenhang für eine beliebige, zwischen
den Grenzwerten liegende Stelle der v-Kurve mit v11, v12, v13 beispielsweise angedeutet.
Die für diese Treibmittelgesiclhwindngkeitenerrechnetem und konstruierten Schauieiln.sll,
s12, s13 b@il@d#in Lanfiraddtänäle k11) k12) k13' Sinngemäß wird auch die für die
gegen Ende der Ladeperiode auftretenden Teilgeschwindigkeiiten v21, v22 sich rechnungsmäßig
ergebende Form "der Laufradkanäle 121, k22 festgelegt.
-
Um bei einem in dieser Weise ausgestatteten Turbinenlaufrad die durch
die Erfindung erstrebte Wirkung zu erzielen, muß dafür gesorgt werden, daß die Beaufschlagung
des Läufers sinngemäß erfolgt. Das geschieht durch eine (nicht gezeichnete) Einrichtung
zur Synchronisierung zwischen der Steuerung der Brennkammer einerseits und der Drehbewegung
des Laufrades andererseits (beispielsweise durch eine mit der Turbinenwelle in Wirkverbindung
stehende Nockenwelle), derart, daß sich im Verlaufe eines Arbeitsspieles der Brennkammer
jeweils diejenigen Laufschaufeln bzw. Laufradkanäle vor der Treibmitteldüse befinden,
welche bei der jeweiligen, als Funktion des Brennkammerdruckes auftretenden Treibmittelgeschwindigkeit
den Bestwert des Wirkungsgrades ergeben. Die erstmalige Einstellung des Laufrades
ist so vorgenommen, daß sich, wie in Abb. 2 dargestellt, die dem Höchstwert der
TreibmittelgeschwindigkeitentsprechendenLaufradkanäle k1, k2, k3 gerade im
Augenblick des C)ffnens des Auslaßventils vor der Treibmittelzufuhrdüs.e dl befindet;
dann ergibt sich von selbst, daß auch bei jeder anderen im Verlaufe des Arbeitsspieles
der Maschine auftretenden Treibmittelgeschwindigkeit sich gerade die für diese Teilgeschwindigkeit
errechneten und konstruierten Laufradkanäle vor der Treibmittelzufuhrdüse befinden.
-
Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf das Vorhandensein nur einer
Treibmittelzufuhrdüse beschränkt, sondern es ist möglich, jede im Belieben des Konstrukteurs
liegende Anzahl von Treibmittelzufuhrdüsen vorzusehen. Abb. 2 zeigt wesenhaft die
Stirnansicht eines Turbinenlaufrades gemäß der Erfindung; welches außer durch die
Düse di (wie eben beschrieben) noch durch beispielsweise drei weitere Treibmittelzufuhrdüsen
d2, d3, d4 beaufschlagt wird. Wie in der Zeichnung dargestellt, befinden
sich zu Beginn des Arbeitsspieles der Brennkammer b1 die Laufradkanäle k1, k2, k3
gerade vor der Treibmittelzufuhrdüse dl. Das Laufrad dreht sich in Richtung des
Pfeiles p. In dem Augenblick, in dem sich die Laufradkanäle k1, k2, k3 gerade vor
der Treibmittelzufuhrdüse d2 befinden, also nachdem das Laufrad eine Vierteldrehung
gemacht hat, beginnt das Arbeitsspiel der Brennkammer b2; nach einer weiteren Vierteldrehung
des Läufers beginnt das Arbeitsspiel der Brennkammer b3 usw. Die zeitliche Verschiebung
der Steuerung der Brennkammer b1 bis b4 ergibt sich aus dem Diagramm der Abb. q..
Diese Verschiebung beträgt für jede Brennkammer
d. h.je@dederBrennkammern eif hinsichtlich ihirer Steuerung gegenüber der vorhergehenden
um nach. Ist die Anzahl der Treibmitteldüsen n
und sind die Düsen gleichmäßig über den Umfang des Laufrades verteilt, so beträgt
die zeitliche Verschiebung sinngemäß
Die Ausführung eines Laufrades gemäß der Erfindung ist aber nicht darauf beschränkt,
daß sich die Laufradkanäle einmal über den Umfang des Laufrades zwischen zwei Grenzwerten
stetig
ändern, daß also nur eine Laufschaufelgruppe vorhanden ist, sondern es ist auch
möglich, zwei oder mehrere Laufschaufelgruppen auf ein und demselben Läufer anzuordnen.
In Abb. 3 ist ein Turbinenläufer mit beispielsweise drei über den Umfang verteilten
Laufschaufelgruppen dargestellt. Die erste Laufschaufelgruppe reicht von den Grenzlinien
I-I bis II-II, die zweite Schaufelgruppe von II-II bis III-III und die dritte von
III-III bis I-I. Die von den Schaufeln der Schaufelgruppen gebildeten Laufradkanäle
entsprechen den weiter oben festgelegten Bedingungen, also die Kanäle k1, k2, k3
beispielsweise dem Beginn des Arbeitshubes und die Kanäle k21, k22 dem Ende der
Ladeperiode. Die Wirkungs-,veise ist wie folgt: Es sei wieder angenommen, daß das
Auslaßventil der zur Treibmitteldüse d1 gehörenden Brennkammer bi gerade geöffnet,
das Arbeitsspiel dieser Brennkammer also gerade begonnen hat. Das Laufrad, das in
diesem Augenblick mit der höchsten Treibmittelgesch,tvindigkeit beaufschlagt wird,
bewegt sich in Richtung des Pfeiles p. Nunmehr muß die Synchronisierung zwischen
der Drehbewegung des Laufrades und der Steuerung der Brennkammer so vorgenommen
werden, daß sich während des ersten Arbeitsspieles mit anschließendem Spülen und
Aufladen nur die erste Laufschaufelgruppe vor der Treibmittelzufuhrdüse vorbeibewegt
und daß zu Beginn des zweiten Arbeitsspieles der durch dieGrenzlinie II-II gekennzeichnete
Teil des Laufrades und zu Beginndes dritten Arbeitsspieles der durch die Grenzlinie
III-III bezeichnete Teil des Turbinenläufers sich vor der Treibmittelzufuhrdüse
d1 befindet. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, hat das Laufrad in den bezeichneten
Stellungen ein Drittel- bzw. zwei Drittelumdrehungen gemacht. Aus dem Diagramm Abb.
4 ergibt sich, daß die Zeit T, die das Laufrad für eine Umdrehung benötigt, gleich
der Summe der Zeiten t1 -E- t, -f- t3 ist, d. h. die Anzahl der Zündungen
in der Brennkammer pro -Minute ist dreimal so groß wie die Zahl der Umdrehungen
des Läufers pro Minute. Die Sy nchronisierungseinrichtung könnte etwa dadurch dieser
Forderung angepaßt werden, daß zwischen der das Auslaßventil steuernden Nockenwelle
und der mit dieser in Wirkverbindung stehenden Turbinenwelle ein Übersetzungsgetriebe
r :3 eingeschaltet wird. Da sowohl die Anzahl der über den Umfang des Turbinenläufers
verteilten Schaufelgruppen als auch die Anzahl der Treibinittelzufuhrdüsen und Brennkammern
dem Beliebendes Konstrukteurs anheim gestellt sind, ergeben sich für die Gestaltung
von Turbinenläufern gemäß der Erfindung außerordentlich viele -Möglichkeiten. Die
beiden oben argeführten Ausführungsformen sind daher lediglich als Beispiele zu
bewerten.