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Gasturbine mit Gleichdruckverbrennung Die Erfindung betrifft eine
Gasturbine mit Gleichdruckv erbrennung, welche mit Antriebstemperaturen des Treibmittels
von mindestüns 527° C arbeitet. Vorzugsweise betrifft die Erfindung solche Turbinen,
die mit einem verhältnismäßig niedrigen Anfangs-'druck, etwa ¢ bis io atü, arbeiten.
Soweit bisher Vorschläge zur Benutzung von voll beaufschlagten Axialturbinen für
Betrieb mit Gleichdruckverbrennung bekanntgeworden sind, lehnen sich diese Vorschläge
hinsichtlich der Ausbildung der Axialturbinen im wesentlichen an die bekannten Vorbilder
des Dampfturbinenbaues an. Indessen sind die axialen Dampfturbinen, selbst wenn
sie für den Dampfbetrieb günstige Ergebnisse zeitigen, für die Durchführung des
Gleichdruckverbrennungsv erfahrens für Gasturbinen nicht brauchbar.
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Die Erfindung bezweckt, eine Gasturbine mit Gleichdruckv erbrennung
zu schaffen, bei der die besonderen Voraussetzungen des Betriebes darin liegen,
daß die Eintrittstemperaturen des Treibmittels bei mindestens 527° C und verhältnismäßig
niedrigen Anfangsdrücken liegen. Hinsichtlich dieser beiden Bedingungen unterscheidet
sich grundsätzlich das zur Durchführung zu bringende Gleichdruckverbrennungsverfahren
von dem Dampfturbinenbetriebsverfahren insofern, als hier wesentlich geringere Anfangstemperaturen
und wesentlich höhere Anfangsdrücke des Dampfes üblich sind. Die Lösung der Aufgabe
einer zur Durchführung des Gleichdruckverbrennungsverfahrens geeigneten voll beaufschlagten
und axial durchströmten Gasturbine erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß der
voll beaufschlagte mittlere Laufschaufeldurchmesser an der Eintrittsseite der Turbine
so klein gewählt ist, daß die Umfangsgeschwindigkeit der Laufschaufeln den Wert
von etwa ioo m/s erhält, und bei welcher sowohl der Außendurchmesser des Laufschaufelträgers
als auch der mittlere Laufschaufeldurchmesser von der Eintrittsseite zur Austrittsseite
hin ständig zunehmen und die wirksame Laufschaufellänge auf der Eintrittsseite wenigstens
io, vorzugsweise 15 bis 2o % des mittleren Laufschaufeldurchmessers beträgt.
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Bei Innehaltung der relativ niedrigen Umfangsgeschwindigkeit ist es
möglich, die Laufschaufelbeanspruchungen trotz der hohen Eintrittstemperaturen des
Treibmittels innerhalb der Grenzen zu halten, die mit üblichen Baustoffen beherrschbar
sind. Die Vorschrift, den mittleren Laufschaufeldurchmesser so gering wie möglich
zu machen, ist für Axialdampfturbinen nicht so zwingend, da diese ja mit wesentlich
geringeren Eintrittstemperaturen
,und deiiigemäß auch geringen Baustoffbeanspruchungen
arbeiten. .
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Wird gemäß der Erfindung die Bauschaufellänge mit wenigstens 1o, vorzugsweise
15 bis 20 °%o des mittleren Laufschaufeldurchinessers bestimmt, dann ergibt
sich eine Laufschaufelbauart, die bisher im Danipfturbinenbau nicht angewendet worden
ist. Vielmehr waren hier bei Turbinen mit von der Eintrittsseite nach <lern Auslaß
ztt ständig zunehmendem Durchmesser die Laufschaufellängen bei voll beaufschlagten
Turbinen gewöhnlich mit 2 bis .I °1o des mittleren Laufschaufeldurchmessers bestimmt.
Diese geringe Laufschaufellänge ist bei Dampfturbinen durchaus zulässig. da ja wegen
der relativ geringen Anfangstemperaturen im Dampfturbinenbetrieb die Spiele so gering
werden, daß derartig kurze Laufschaufeln hinsichtlich der Undichtigkeitsverluste
unbedenklich sind. Wollte man aber diese im Dampfturbinenbau übliche Bauart im Gleichdruckverbrennungsverfahren
bei Gasturbinen anwenden, so würden sich infolge der wesentlich höheren Eintrittstemperaturen
Spiele von solcher Größe ergeben, tlaß die daraus entstehenden Undichtigkeitsverluste
die Erreichung eines praktisch brauchbaren thermodvnamischen Wirkungsgrades in der
Axialturbine ausschließen müßten. Wird dagegen gemäß der Erfindung bei einer voll
beaufschlagten Axialturbine die Regel angewendet, die Laufschaufellänge auf der
Eintrittsseite mit wenigstens i o, insbesondere i 5 bis 2o o'o des mittleren Laufschaufeldurchinessers
zu bemesseil, so ergibt sich eine Bauart, welche für den Gasturbinenbetrieb besonders
günstig ist. und zwar aus folgenden Gründen: Wird die Laufschaufel verhältnismäßig
lang, so wird sie mit zunehmender Länge unempfindlicher gegen Undichtigkeitsverluste.
Diese Unempfindlichkeit erlaubt aber, größeres Spiel -zwischen Laufschaufeln und
Gehäuse oder Leitschaufeln -zuzulassen, und das ist insofern gerade für den Gasturbinenbau
entscheidend, als dieses größere Spiel größere Kriechungen zuläßt, die bei den hohen
Eintrittstemperaturen des Gleichdruckverbrennungsverfahrens unvermeidbar sind, sofern
man die Turbine finit ausreichendem tlierino-(lvnatnischem Wirkungsgrad betreiben
will.
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Die Lehre, den Durchmesser der Eintrittslaufschaufelkränze so gering
wie möglich zu bemessen, steht finit den Erfahrungen des Dampfmaschinenbaues zwar
in :einem Widerspruch; denn bei voll beaufschlagten Dampfturbinen führt wegen der
Berücksichtigung der Parsonschen Kennzahl die `Fahl eines kleinen, mittleren Laufschaufeldurchniessers
im Eintritt zu einer unzulässigen Vermehrung der Stufenzahlen, also zu Baulängen,
die, wie die ersten Parsonturbinen lehren, deren Durchmesser itii Eintritt bekanntlich
gering war, unbrauchbare Axialturbinenbauarten ergeben. Sprechen also diese Erfahrungen
des Dampfmaschinenbaues an sieh gegen die Wahl zu kleiner Eintrittsraddurchmesser,
so ergibt die nähere Überlegung. daß gegen die Anwendung dieser geringen Eintrittsdurchmesser
bei Gasturbinen keine Bedenken bestehen, und zwar deshalb nicht, weil, besonders
wenn die Turbine in niedrigen Anfangsdruckgebieten arbeitet, das Gefälle innerhalb
der Turbine verhältnismäßig gering, jedenfalls viel geringer ist als in einer Dampfturbine.
Das steht auch im Zusammenhang damit, daß das Treil)-mittel einer solchen Gasturbine,
niinlich Brenngase, eine wesentlich geringere spezifische Wärme hat als das Betriebsmittel
der Dampfturbine, dessen spezifische @N'ärine etwa doppelt so groß ist. Infolgedessen
ist der Temperaturabfall in den einzelnen Stufen der Gasturbine ein wesentlich größerer
als in der Dampfturbine, so <1a1 die Wahl des kleinen Eintrittsraddurchmessers,
der bei der Dampfturbine zu unbrauchbaren Baulängen führt, bei der Gasturbine mit
Gleichdruckverbrennung diesen Übelstand nicht mit sich bringen kann, so daß also
eine solche Gasturbine, obgleich siemit kleinemEintrittsraddurchrnesser gebaut ist,
nicht zu unbrauchbaren Baulängen führen kann.
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Der geringe, mittlere Laufschaufeldurchinesser an der Eintrittsseite
der Gasturbine bedingt auch, daß die Turbinenwelle nahe an die heiße Eintrittsseite
herankommt, so daß die Welle schnell erwärmt wird. was wegen der Erreichung einer
möglichst gleichmäßigen Wärmeausdehnung aller Bauteile gerade für den hohen Temperaturbereich
der Gasturbine im Interesse der Herabsetzung des Spieles anzustreben ist.
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Bei Gasturbinenanlagen, in denen eine möglichst weitgehende Ausnutzung
des verfügbaren Wärmegefälles durchgeführt werden :oll. wird zweckmäßig das Verhältnis
von Laufschaufellänge zu mittlerem Laufschaufeldurchmesser etwa ebenso groß gehalten
wie an der T:intrittsseite, derart. <laß die Laufschaufellängen io, insbesondere
15 bis 200'o der ständig wachsenden mittleren Laufschaufeldurchmesser betragen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt.
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Es zeigen: Fig. i eitlen halben Axialschnitt durch eine hr'eiselverdichteraxialturbinengruppe,
Fig.2 eine Stirnansicht der Turbine. von der Auspuffseite gesehen.
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In einem gemeinsamen Gehäuse liegen ein `'erdichten rl und eine Axialturbine
B. beide auf derselben Welle. Die Welle ist eine Hohlwelle, die aus mehreren Rohrteilen
besteht, die
durch die Verbindungen i, 2 miteinander verbunden und
beiderseits in Endlagern 3 und 4. gelagert sind. Zur Unterstützung der Welle in
der Mitte ist ferner noch ein' Zwischenlager 5 vorgesehen.
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Der Verdichter saugt die bei 6 eintretende Luft an und verdichtet
sie auf beispielsweise. 3 atü. Die verdichtete Luft tritt am Ende des Verdichters
durch den Ringspalt 7 aus, geht in Richtung des Pfeiles um die Brennkammer 8 herum
nach hinten, um durch die Öffnung 9 in das Innere der Brennkammer einzutreten. Dieser
ist eine Mehrzahl von Trichtern i o vorgeschaltet, durch deren Öffnung i i ein Hauptluftstrom
eintritt, in den mittels einer Anzahl gleichmäßig über den Umfang verteilter Düsen
12 Brennstoff, z. B. Rohöl, eingespritzt wird. Der Brennstoff wird in bekannter
Weise gezündet. Infolge der Verbrennung des Brennstoffes in der Brennkammer 8 wird
das Treibmittel auf mindestens 527° C erhitzt. Es tritt mit dieser Temperatur durch
den an die Brennkammer 8 anschließenden Ringkanal 13 in die Turbine ein. Der mittlere
Durchmesser der ersten Räder ist so niedrig wie möglich gehalten, er sei z. B. bei
einer Turbine gemäß Fig. i etwa Zoo mm. Die Laufschaufellänge x sei gemäß der Erfindung
20'/, des mittleren Laufschaufeldurchmessers, also etwa 4.o mm. In der in Fig. i
dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann die Gasturbine als Antriebsmaschine
für ein Propellerfahrzeug, z. B. ein Flugzeug, verwendet werden. Für diesen Fall
braucht nicht die volle ausnutzbare Energie des heißen Treibmittels in den Turbinenschaufeln
verwertet zu werden. Man kann aus der letzten Stufe der Axialturbine die Gase mit
hoher Geschwindigkeit nach außen austreten lassen. Die Rückstoßkraft bringt einen
Raketeneffekt, der das Flugzeug nach vorn treibt.
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Die Brennkammer 8 ist in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein
ringförmiger Behälter, dessen Querschnitt aus Fig. i ersichtlich ist und der etwa
wie ein hohler Mantel das Turbinengehäuse umgibt. Durch die Brennkammer 8 führen
auf der dem Verdichter benachbarten Seite Kanäle 32 hindurch, so daß die vom Verdichter
7 kommende Luft, durch diese Kanäle 32 streichend, zwischen Turbinengehäuse und
der inneren Wandung 15 der Brennkammer hindurchstreichen kann. Ein Teil der vom
Verdichter gelieferten Luft geht auf dem durch den Pfeil 16 angedeuteten Wege um
die Außenwandung der Brennkammer 8 herum und tritt vor der ersten Laufschaufel 17
in den gemäß Pfeil 18 in die Turbine eintretenden heißen Treibmittelstrom ein. Diese
Abscheidung eines Teiles der Verdichter= Luft entlang dem Wege des Pfeiles 16 hat
den Zweck, die Dichtung i9 und das Lager 5 gegen Hitzeeinstrahlung von der Brennkamcner
aus zu schützen.
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Der Gesamtaufbau ist folgender: Das V erdichtergehäuse besteht in
an sich bekannter Weise aus Gehäuseabschnitten 2o, 21, 22. Der letztere enthält
den Lufteinlaßkanal 6 und auf der Stirnseite das Lager 3. Anden Gehäuseabschnitt
2i ist eine Blechwand 23 angeschweißt, die in der Mitte das Zwischenlager 5 trägt.
An der Blechwand ist ein Ring 24 befestigt, z. B. angeschweißt, der dazu dient,
um das Turbinengehäuse zu halten und zu zentrieren, und zwar in folgender Weise:
Das linke Ende des Turbinengehäuses 25 läuft in einen Flansch 26 aus, der in einen
Ringflansch 27 endet. Dieser Ringflansch 27 umschließt den Ring 24 und ist mit diesem
durch eine ausdehnungsfähige Stiftverbindung 54 verbunden, so daß sich etwaige radiale
Ausdehnungen und daraus sich ergebende Veränderungen der Durchmesser des Ringes
24 und des Ringflansches 27 angleichen können.
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In der Wandung des Flansches 26 befinden sich Durchbrechungen 27,
durch welche Kanäle 32 hindurchgehen, die ihrerseits wieder einen Ringraum 3 i umschließen,
dessen rechte, ringförmige Öffnung 13 unmittelbar gegen die Eintrittsseite
der Turbine öffnet.
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Gemäß der Erfindung ist das ganze Turbinengehäuse einteilig ohne Trennfugen
hergestellt und eignet sich daher besonders gut für hohe Betriebstemperaturen, für
welche sich ein geteiltes Turbinengehäuse weniger eignen würde. Der Durchmesser
des Turbinengehäuses 25 nimmt, wie Fig. i erkennen 1ä ßt, von Stufe zu Stufe treppenförmig
zu, auch das Innere des Gehäuses ist treppenförmig ausgebildet. Die Wandungen sind
verhältnismäßig schiwach, was wegen der ungeteilten Ausführung des Gehäuses zulässig
ist und den Vorteil mit sich bringt, daß die Gehäusewandungen die Betriebstemperatur
schnell annehmen können und -in gleicher `'reise erwärmt werden wie die Welle, bei
welcher die Wärmezufuhrverhältnisse günstiger liegen. Der Läufer besteht aus einer
Hohlwelle 33, auf deren äußerem Umfange, aus einem Stück mit ihr bestehend, die
Scheiben 3..1. angeordnet sind. In diesen sind die Laufschaufeln mit Hilfe von bekannten
Verbindungen, z. B. Schwalbenschwanz und -Nut, befestigt und diese Verbindung durch
zusätzliche Schweißung insbesondere gegen ungünstige Einflüsse der Kriechung gesichert.
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Die Leitvorrichtung besteht aus einer Anzahl von Leitscheibenkränzen
37 mit Z-winkelförmigem Querschnitt. Mit diesen sind die Leitschaufeln verbunden,
die ihrerseits wieder mit den zugehörigen Leitscheiben 39 verbunden
und
durch Sch@veißung4o gesichert sind.
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An das Verdichtergehäuse schließt sich nach hinten ein Außengehäuse
41 an, das hinten in einen Ringflansch .42 endet, der mit dem Gehäuse beispielsweise
durch Schweißung bei .I3 verbunden ist. An diesen Flansch angeschlossen ist ein
ringförmiges Blech .L.1., an cvelches der trichterförmige Auslaß .15 des Turbinengehäuses
23 angeschlossen ist. Innerhalb des trichterförmigen Auslasses 4.5 sind zweckmäßig
mit stromlinienförmigem Querschnitt ausgestattete Tragrippen 4.6 angeordnet, die
mit Hilfe eines Ringbleches -.7 das Endlager .I tragen. Die Nabe der Turbine und
das Endlager sind mit einer stromlinienförmig nach hinten verlaufenden Kappe 48
nach außen abgedeckt, deren größter Außendurchinesser dort liegt, wo die Kappe an
den letzten Schaufelkranz herangeht. \ach hinten ist die Kappe in eine gut abgerundete
Spitze .4g ausgezogen. Die Ausbildung dieser Kappe hat den Zweck, eine verlustlose
Abströmung der Abgase aus der Turbine nach hinten zu ermöglichen, was inbesondere
dann wichtig wird, wenn die Turbine als Raketenturbine @virken soll.
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Die Scheibe 4..1., an deren innerem -Umfang das Turbinengehäuse mit
seinem Auslaßventil :I5 befestigt ist, wird erfindungsgemäß mit solcher -Nachgiebigkeit
ausgestattet, indem der Blechring44 entsprechend dünn gemacht wird, daß die verschiedenen
Ausdehnungen des äußeren Gehäuses .ti und des inneren Turbinengehäuses 25 hier ausgeglichen
werden können. Da das Endlager .1 als Axiallager ausgebildet ist und seinerseits
wieder im Turbinenauslaß 45 liegt, so ist dadurch gewährleistet, daß einerseits
auch die Welle sich ungehindert ausdehnen kann, und zwar in gleichem Maße wie das
Gehäuse, wodurch Ausdehnungsunterschiede in axialer Richtung zwischen Läufer und
Gehäuse auf ein kleines Maß herabgesetzt werden.