DE1751485B2

DE1751485B2 - Mehrstufige gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE1751485B2
Application number: DE19681751485
Authority: DE
Inventors: Dipl Ing Winterthur Zerlauth Ferdinand (Schweiz)
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1968-05-20
Filing date: 1968-06-07
Publication date: 1971-07-22
Also published as: NL6809411A; CH491287A; GB1258099A; FR2008848A1; DE1751485A1; US3586459A; BE732393A

Description

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Die Erfindung betrifft eine mehrstufige Gastur- Seiten eines Zentralgehäuses angebaut sind. Weiter-

binenanlage für die wahlweise Ausführung als ein- hin ist es vorteilhaft, wenn die Rotorscheiben sämt-

oder zweiwellige Maschine mit zwischen den Wellen- licher Turbinenstufen gleich ausgebildet sind und

lagern angeordneten Rotorscheiben, wobei bei ge- ihre Schaufelfuß-Nuten die gleiche Teilung besitzen,

trennter Kompressor- und Nutzleistungsturbine beide 5 Darüber hinaus können alle Rotorschaufeln bei

Wellen koaxial angeordnet sind. beiden Ausführungsformen das gleiche Schaufelprofil

Einwellige Gasturbinenanlagen werden als An- und den gleichen Schaufelfuß besitzen, wobei minde-

triebsaggregate im allgemeinen dort verwendet, wo stens die Rotorschaufeln der Kompressorturbine bzw.

der angeschlossene Verbraucher eine konstante Dreh- der dieser entsprechenden ersten Turbinenstufen und

zahl verlangt, z. B. beim Antrieb der Generatoren io die Rotorschaufeln der Nutzleistungsturbine bzw. der

eines Kraftwerkes, Zweiwellige Ausführungen mit ge- dieser entsprechenden letzten Turbinenstufen unter

trennter Krompressor- und Nutzleistungsturbine wer- sich den gleichen Profilwinkel besitzen können. Diese

den dort bevorzugt, wo die angeschlossene Arbeits- Maßnahme ermöglicht, für die Herstellung sämtlicher

maschine mit variable! Drehzahl arbeitet. Als Beispiel Rotorschaufeln ein einziges Schaufelprofil mit höch-

hierfür sei der Antrieb der Fördereinrichtung in Pipe- 15 stens zwei verschiedenen Profilwinkeln zu verwenden,

lines für Öl oder Gas genannt. so daß für die Anordnung der Schaufeln in den ein-

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, zelnen Stufen im wesentlichen nur die Schaufellänge

eine Gasturbinenkonstruktipn zu schaffen, deren variiert werden muß. Beide Ausführungsformen kön-

Grundelemente für beide Verwendungsarten mög- nen ferner die gleichen Leitschaufelträger für die liehst weitgehend gleich sind, so daß sie, ergänzt 20 Kompressorturbine bzw. für die dieser entsprechen-

durch an den speziellen Verwendungszweck ange- den ersten Turbinenstufen besitzen, wobei bei der

paßte Zusatzelemente, in beiden Fällen verwendet einwelligen Ausführung am austrittsseitigen Ende

werden kann. dieses Leitscriaüfelträgers ein Verlängerungsstück

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrisch angesetzt ist. Ergänzend hierzu lassen die Schaufeln der Kompressorturbine und die Schau- 25 sich auch die Leitschaufeln jeder Stufe mindestens

fein der Nutzleistungsturbine tragenden Rotor- der Kompressorturbine bzw. der dieser entsprechen-

scheiben und der eintrittsseitige Wellenzapfen der den ersten Turbinenstufen bei beiden Ausführungs-

Nutzleistungsturbine, sowie die den austrittsseitigert formen gleich ausbilden.

Wellenzapfen der Kompressorturbine bzw. den ein- Bleibt darüber hinaus die Lagerdistanz des Komtrittsseitigen Wellenzapfen der Nutzleistungsturbine 30 pressorrotors in beiden Ausführungen dieselbe, so aufnehmenden Lagergehäuse derart ausgebildet sind, bringt das den zusätzlichen Vorteil, daß die äußeren daß die Rotorscheiben und daran anschließend der Teile des Statorgehäuses vom Ansauggehäuse bis zum Wellenzapfen der Nutzleistungsturbine an die letzte Zentralgehäuse bei beiden Ausführungen der Ma-Rotorscheibe der Kompressorturbine angesetzt wer- schine gleich sind und daß in beiden Fällen das den können. Der mit der Erfindung erzielte tech- 35 gleiche Maschinenbett verwendet werden kann, an nische Fortschritt besteht in einer erheblichen Ratio- das bei der zweiwelligen Ausführung lediglich eine nalisierung der Fabrikation, z. B. durch Serienferti- zusätzliche Abstützung für die Nutzleistungsturbine gung, und in einer einfacheren, wirtschaftlicheren angesetzt werden muß. Schließlich können beide AusLagerhaltung, z. B. für den Ersatzteildienst. führungen auch noch das gleiche Abgasgehäuse be-

Aus der Zeitschrift »Mechanical Power«, 59. Band, 40 sitzen.

Nr. 699 (März 1963), S. 92/94 ist eine Konstruktion Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung

einer mehrstufigen, zweiwelligen Gasturbinenanlage eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit

bekannt, bei der die Rotorscheiben zwischen den der Zeichnung näher erläutert.

Wellenlagern und die beiden Wellen koaxial angeord- F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine net sind. Diese Maschine läßt sich nicht ohne weiteres 45 mehrstufige Gasturbine in .zweiwelliger Ausführung

unter weitgehender Verwendung der gleichen Bau- in Seitenansicht, wobei die für die Erfindung wesent-

elemente als eine einwellige Maschine gleicher Stufen- liehen Teile bei aufgebrochenem Maschinengehäuse

zahl bauen, da weder die Ausbildung der Weüenlager im Schnitt gezeigt sind;

und der Rotorschejben noch der Platz zwischen der F i g. 2 zeigt in der gleichen Art die einwellige Ausletzten Stufe der Kompressorturbine und dem züge- 50 führungsform einer solchenGasturbine;

hörigen Wellenlager ein Ansetzen der Rotorscheiben F i g. 3 ist eine Ansicht eines Ausschnittes aus einer

der Nutzleistungsturbine an den Rotor des Kompres- Rotorscheibe; sie zeigt die Anordnung der Schaufel-

sors und seiner Turbine ermöglichen. fußen der Rotorscheibe und den Teilungswinkel a

Dieses Ansetzen ist zwar bei der Konstruktion der Schaufelfuß-Nuten; und

nach dem USA.-Patent 2 971 334 möglich; hierbei 55 F i g. 4 gibt einen Schnitt gemäß Schnittlinie IV-IV

handelt es sich jedoch um eine Maschine mit fliegend in F i g. 3 wieder.

gelagerten Turbinenrädern. Daher sind dort nur rela- An das nur in seinen Umrissen gezeigte, in einer tiv geringe Stufenzahlen — insgesamt drei Stufen— horizontalen Achsebene geteilte Ansauggehäuse vorgesehen und dadurch im Bereich üblicher Lauf- einer mehrstufigen Gasturbinenanlage schließt sich radabmessungen und Drehzahlen relativ geringe Lei- 60 in Strömungsrichtung ein ebenfalls weitgehend nur in stungen möglich. den Gehäuseumrissen gezeigter Kompressor 2 an. Die Zusätzliche Vorteile in Richtung einer weiteren Abstützung seines saugseitigen Lagers ist bei 4 in geRationalisierung lassen sich durch eine Reihe zusatz- strichelten Linien angedeutet. Bei der einwelligen licher, zum Teil an sich bekannter Maßnahmen er- Ausführung (F i g. 2) ist darüber hinaus am linken reichen. So bringt es Vorteile, wenn die die Wellen- 65 Ende des Ansauggehäuses 1 die über eine Kuppzapfen aufnehmenden Lagergehäuse für beide Aus- lung 5 angeschlossene Welle der Arbeitsmaschine führungsformen gleich und bei zweiwelliger Ausfüh- skizziert,
rung spiegelbildlich an zwei gegenüberliegenden Das Gehäuse 2, das den Leitschaufelträger 3 des

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Kompressors umschließt, geht über in ein den Diffu- bildeten, bereits erwähnten Zentrierstück 32 verbun-

sor 6 enthaltendes Frontgehäuse 7. Anschließend folgt den, das seinerseits am Frontgehäuse 7 fixiert ist.

das die Kompressorturbine 8 ringförmig umgebende Dieses Zentrierstück hat die Aufgabe, das einström-

Brennkammersystem 9. seitige Ende des Leitschaufelträgers 29 gegenüber

Per Kompressor 10, dessen letzte Stufe 11 zwi- 5 dem Rotor zu zentrieren.

sehen seinen beiden letzten Leitschaufelstufen 12 und Mit 33 ist das Einströmgehäuse für die heißen, aus 13 in dem ausgebrochenen Teil des Gehäuses ganz dem Brennkammersystem 9 kommenden Verbrenlinks in F i g. 1 und 2 gerade noch dargestellt ist, nungsgase in die Turbine 8 bezeichnet,
endet in einem Verbindungsstück 14, an das eine Pas ausgangsseitige Ende des Leitschaufelträgers Ubergangsscheibe 15 anschließt, die die Verbindung io 29 wird von einem mantelartigen Zwischenstück 34 des Kompressors mit seiner Antriebsturbine 8 her- gehalten, das selbst an einem weiter stromabwärts stellt. gelegenen Zentralgehäuse 35 befestigt ist. Pie inneren

In dem Verbindungsstück 14, mit dessen strom- Teile des Zentralgehäuses 35 bilden darüber hinaus abwärtiger Stirnfläche die Ubergangsscheibe 15 fest zusammen mit den Lagergehäusen 22 und einem nur verbunden ist, ist ein Zuganker 16 verankert, durch 15 bei der zweiwelligen Ausführung vorhandenen zuden die Rotorscheiben 17 und der Wellenzapfen 18 sätzlichen Anpassungsstück 37 die innere Begrenzung der Turbine 8 bei der zweiwelligen Ausführung bzw. des Strömungskanals 38. Pas Anpassungsstück 37 die Rotorscheiben 17 der Turbinenteile 8 und 25 und dient dazu, bei zweiwelligen Maschinen den Raum der Wellenzapfen 42 bei der einwelligen Ausführung zwischen dem Lagergehäuse 22 und der letzten Romit Hilfe des Zugankerkopfes 19 zusammengehalten 20 torscheibe 17 der Kompressorturbine 8 zu überwerden. Pie Einzelheiten dieser Verankerung sind in brücken, der bei der einwelligen Ausführung erfin-F i g. 1 und 2 aus Gründen besserer Übersichtlichkeit dungsgemäß durch Ansetzen der Nutzleistungsturbine nicht dargestellt. 25 an die Turbine 8 ausgefüllt ist.

Pie einzelnen Rotorscheiben 17 der Turbinen 8 Bei der zweiwelligen Maschine wird der Strö- und 25 sind untereinander gleich und gegeneinander 25 mungskanal 38 bis zum Zentralgehäuse 35 außen sowie gegenüber der Übergangsscheibe 15 und den durch den Blechmantel 39 begrenzt, der am Leit-Wellenzapfen 18 bzw. 42 in bekannter Weise durch schaufelträger 29 und am Zentralgehäuse 35 be-Stirnverzahnungen fixiert. Sie tragen die Rotor- festigt ist. Weiterhin besitzt bei der zweiwelligen Ausschaufeln 20 bzw, 20 ά, die alle das gleiche Schaufel- führung das Zentralgehäuse 35 selbst als äußere Beprofil und den gleichen Schaufelfuß besitzen, wobei 30 grenzungen des Strömungskanals 38 die beiden zusätzlich die Profilwinkel der Schaufeln 20 der konisch gegeneinander verlaufenden Mantelstücke 40 Turbine bzw. der Turbinenstufen 8 und die Schau- und 41.

fein 20 a der Turbine bzw. der Turbinenstufen 25 Bei der zweiwelligen Ausführung schließt an das

unter sich gleich sind. Zentralgehäuse 35 stromabwärts wieder ein Lager-

Pie Wellenzapfen 18 bzw. 42 sind in den Wellen- 35 gehäuse 22 an, das den eintrittsseitigen Wellenzapfen lagern 21 gelagert, deren Abstützung in dem Lager- 42 der Nutzleistungsturbine 25 aufnimmt und von der gehäuse 22 angedeutet ist. Pie durch die Lager- Strömungskanalbegrenzung 44 und einem Gehäuseabstützungen 4 und 21 für den den Kompressor 10 teil 45 umgeben ist. Pie Nutzleistungsturbine 25, die enthaltenden Rotor gegebene Pistanz α ist bei beiden in dem gezeigten Beispiel zweistufig ausgeführt ist, Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kon- 40 setzt sich zusammen aus dem im Lager 46 gelagerten struktion gleich, so daß für beide Arten der Gas- Rotorteil 47, aus den die Schaufeln 20 α — mit der turbine das gleiche Außengehäuse und das gleiche Zahl des Bezugszeichens 20 α soll angedeutet werden, Maschinenbett23 verwendet werden können; an das daß diese Schaufeln denjenigen der Turbines zumin-Maschinenbett 23 ist bei der zweiwelligen Ausfüh- dest sehr ähnlich sind, d, h, wie schon erwähnt, zurung noch ein zusätzlicher Teil 24 für die Abstützung 45 mindest den gleichen Schaufelfuß und das gleiche der Nutzleistungsturbine 25 angesetzt. Schaufelprofil besitzen — tragenden Rotorscheiben

In den Lagergehäusen 22 sind weiterhin zwei Laby- 17 und aus dem Wellenzapfen 42. Sie wird, ähnlich rinthdichtungen 26 vorgesehen. Weitere Labyrinth- wie die Turbine 8, von einem im Rotorteil 47 Verdichtungen zur Abdichtung der Rotoren befinden ankerten Zuganker 43, dessen Kopf wieder mit 19 sich bei 27 zwischen dem Rotorteil 15 und einem 5° bezeichnet ist, zusammengehalten.
Zentrierstück 32 und bei 28 bzw. 28 α zwischen dem Nach außen wird der Rotor der Nutzleistungs-Wellenzapfen 18 und einem Anpassungsstück 37 für turbine 25 durch den Leitschaufelträger 49 umhüllt, die zweiwellige Ausführung bzw. zwischen dem der für die erste Stufe die verstellbaren Leitschaufeln Wellenzapf en 42 und dem Lagergehäuse 22 bei der 62 und für die weitere Stufe die festen Leitschaufeln einwelligen Maschine. 55 50 trägt. An diesen schließt der Abgasdiffusor 51 an,

Pie Rotorscheiben 17 der Turbine bzw. Turbinen- der den Rotorteil 47 umgibt und in das Abgasgehäuse

stufen 8 sind umschlossen von dem Leitschaufel- 52 ausmündet. Weiterhin sind im Anschluß an das

träger 29, in dem die Leitschaufeln 30 befestigt sind. Lager 46 (Fi g. 1) die Kupplung 53 und die Welle 54

Es sei noch besonders darauf hingewiesen, daß die der Arbeitsmaschine angedeutet, .

Leitschaufeln 30 der Turbine 8 in beiden Ausfüh- 60 Bei der einwelligen Maschine (Fig. 2) sind; die

rungsformen gleich sind. beiden Turbinenstufen der Turbine 25 zusammen mit

Pie Leitschaufeln 30 enden jeweils in einem Leit- ihrem Wellenzapfen 42 statt des Wellenzapfens 18 schaufelring 31, der zwischen den einzelnen Rotor- und des Anpassungsstückes 37 an die vierstufige scheiben 17 angeordnet ist und die innere Begrenzung Kompressorturbine 8 angesetzt, ehe das für die WeI-des Strömungskanals für die Verbrennungsgase im 65 lenzapfen 18 und 42 gleiche Lagergehäuse 22 anBereich des Rotors 8 bildet. Per erste Leitschaufel- schließt. Parüber hinaus werden als spezifische EIering 31a ist darüber hinaus mit dem zunächst hohl- mente für die einwellige Ausführung lediglich für den zylindrisch und weiter stromaufwärts konisch ausge- Leitschaufelträger 49 ein Verlängerungsstück 55 des

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Leitschaufelträgers 29 sowie statt des Blechmantels 39 ein verkürzter, am Verlängerungsstück 55 befestigter Blechmantel 56 als äußere Begrenzung für den Strömungskanal 38 benötigt. Der Blechmantel 56 endet direkt am Zentralgehäuse 35, so daß in diesem bei der einwelligen Ausführung die Teile 40 und 41 entfallen.

Von der zweiwelligen Ausführung können ferner die Leitschaufein 50 der zweiten und unter Umständen weiterer nicht gezeigter Stufen in die einwellige Ausführung übernommen werden. Die der ersten Stufe der Nutzleistungsturbine 25 der zweiwelligen Ausführung zugeordneten Leitschauf ein62 werden in der entsprechenden Stufe bei der einwelligen Ausführung durch die Leitschaufeln 58 ersetzt. Dieser Austausch ist notwendig, weil zum einen die Leitschaufeln 62 der zweiwelligen Ausführung einstellbar sein können und weil zum anderen das stromaufwärtige Ende des Leitschaufelträgers 49 im Bereich der ersten Leitschaufel eine zylindrische, innere Begrenzung besitzt, während das Verlängerungsstück 55 in diesem Bereich konisch ausgebildet ist, wie ein Vergleich dieser beiden Elemente in den Fig. 1 und 2 zeigt.

Weiterhin besitzt die,einwellige Ausführung einen etwas anders gestalteten Abgasdiffusor 57, während das Abgasgehäuse 52 für beide Ausführungsformen wieder gleich ist. An der Stelle der zum Lager 46 führenden Wellendurchführung für das Rotorteil 47 der zweiwelligen Ausführung ist das Abgasgehäuse 52 bei der einwelligen Maschine mit einem Abdeckblech 59 verschlossen.

Wie vorstehend beschrieben und durch die Auswahl gleicher Bezugszeichen in Fig. 1 und 2 versinnbildlicht, besitzen., beide Ausführungen der erfindungsgemäßen Konstruktion sehr viele gemeinsame Grundelemente, die eine erhebliche Rationalisierung der Herstellung und die weiteren genannten Vorteile ergeben.

Die Ansicht in F i g. 3 zeigt einen kreissegmentf ormigen Ausschnitt aus der Rotorscheibe 17,. wobei die Füllstücke zwischen den Schaufelfüßen entfernt sind. In ihr sind schematisch in bekannter Weise die tannenzapfenartig ausgebildeten Schaufelfüße 60 der Schaufeln 20 bzw. 20 a angeordnet, die erfindungsgemäß für alle Rotorscheiben 17 gleich sind. Darüber hinaus besitzen alle Rotorscheiben 17 bezüglich ihrer Schaufelfuß-Nuten 61 den gleichen Teilungswinkel, der in Fig. 3 mit α bezeichnet ist.

Der Schnitt der F i g. 4 dient der Verdeutlichung des Profilwinkels ß, der, zumindest für die Turbinen bzw. Turbinenteile 8 und 25 unter sich, in allen Stufen gleich sein kann.

Claims

Patentansprüche: 55

1. Mehrstufige Gasturbinenanlage für die wahlweise Ausführung als ein- oder zweiwellige Maschine mit zwischen den Wellenlagern angeordneten Rotorscheiben, wobei bei getrennter Kompressor- und Nutzleistungsgasturbine beide Wellen koaxial angeordnet sind, dadurch ge.r kennzeichnet, daß die die Schaufeln (20) der Kompressorturbine (8) und die Schaufeln (20 a) der Nutzleistungsturbine (25) tragenden Rotorscheiben (17) und der eintrittsseitige Wellenzapfen (42) der Nutzleistungsturbine (25) sowie die den austrittsseitigen Wellenzapfen (18) der Kompressorturbine (8) bzw. den eintrittsseitigen Wellenzapf en (42) der Nutzleistungsturbine (25) aufnehmenden Lagergehäuse (22) derart ausgebildet sind, daß die Rotorscheiben (17) und daran anschließend der Wellenzapfen (42) der Nutzleistungsturbine (2,5) an die letzte Rotorscheibe der Kompressorturbine (8) angesetzt werden können.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Wellenzapfen (18,42) aufnehmenden Lagergehäuse (22) für beide Ausführungsformen gleich sind und bei zweiwelliger Ausführung spiegelbildlich an zwei gegenüberliegenden Seiten eines Zentralgehäuses (35) angebaut sind.

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorscheiben (17) sämtlicher Turbinenstufen (8, 25) gleich ausgebildet sind und daß ihre Schaufelfuß-Nuten (61) die gleiche Teilung besitzen.

4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Ausführungsformen den gleichen Leitschaufelträger (29) für die Kompressorturbine (8) besitzen, und daß an dessen austrittsseitigem Ende bei der einwelligen Ausführung ein Verlängerungsstück (55) konzentrisch angesetzt ist.

5. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Rotorschaufeln (20, 20 a) bei beiden Ausführungsformen das gleiche Schaufelprofil und den gleichen Schaufelfuß (60) besitzen.

6. Gasturbinenanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Rotorschaufeln (20) der Kompressorturbine (8) bzw. der dieser entsprechenden ersten Turbinenstufen (8) und die Rotorschaufeln (20 a) der Nutzleistungsturbine (25) bzw. der dieser entsprechenden letzten Turbinenstufen (25) unter sich den gleichen Profilwinkel (ß) besitzen.

7. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Ausführungsformen das gleiche Äbgasgehäuse (52) besitzen.

8. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerdistanz (α) des Kompressorrotors in beiden Ausführungen gleich ist.

9. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (30) jeder Stufe mindestens der Kompressorturbine (8) bzw. der dieser entsprechenden ersten Turbinenstufen (8) bei beiden Ausführungsformen gleich sind.

10. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (50) der zweiten und weiteren Stufen der Nutzleistungsturbine (25) bzw. der diesen entsprechenden letzten Turbinenstufen (25) bei beiden Ausführungsformen unter sich gleich sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen