DE590083C - Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine für heißes Treibmittel, z. B. eine Gasturbine. Besonders geeignet ist sie für mehrstufige Gasturbinen. Bekanntlich sind derartige Turbinen mit um so größerem Wirkungsgrad zu betreiben, je höher die Temperatur des Treibmittels steigt. Diesem Bestreben steht die Tatsache entgegen, daß die Turbinenbaustoffe in höheren Temperaturgebieten empfindlich sind, so daß gewisse Temperaturen allein aus Festigkeitsgründen schon nicht überschritten werden dürfen. Hohe Treibmitteltemperatulen bergen auch die Gefahr in sich, daß infolge örtlicher Erhitzungen des Gehäuses bzw. der einzelnen Turbinenteile die zwischen den einzelnen Stufen einer mehrstufigen Turbine bzw. den Leit- und Laufschaufeln vorgesehenen Spalte sehr groß werden, wodurch die Spaltverluste unwirtschaftlich hoch werden.

ao Schließlich beeinträchtigen die hohen Temperaturen auch die Dichtungen, z. B. Labyrinthdichtungen und Stopfbüchsen, ungünstig, so daß auch in diesem Falle die Gefahr erhöhter Leckverluste mit steigenden Treibniitteltemperaturen wächst.

Diese unwillkommenen Erscheinungen der hohen Treibmitteltemperaturen werden gemäß der Erfindung dadurch bekämpft, daß das heiße Treibmittel (Verbrennungsgase) innerhalb des Turbinengehäuses in Teilmengen verschiedener Temperatur an den Läufer herangeführt wird, wobei eine heißere Treibmittelmenge innerhalb einer Leitung strömt, die von kälterem Treibmittel umgeben ist.

Vorschläge zum Schutz von inneren Türbinenteilen gegen die ungünstige Einwirkung zu hoher Treibmitteltemperaturen sind bereits bekannt. So ist z. B. vorgeschlagen worden, die Welle einer Gasturbine mit Hilfe eines getrennt von den Feuergasen an der Welle vorbeigeführten besonderen Kühlmittels zu kühlen. Nach diesem Vorschlage wird Dampf als Kühlmittel verwendet, der aus den Feuer,-gasen Wärme aufnimmt und dann in einer besonderen Dampfstufe der Turbine ausgenutzt wird. Bei Anwendung eines solchen neben dem heißen Treibmittel verwendeten besonderen Kühlmittels ergibt sich also notwendigerweise eine Doppelanlage, z. B. in Gestalt einer Zweistoffturbine. Jedenfalls ist nach diesem Vorschlage das zürn Schütze der Turbine angewandte Mittel nicht das Treibmittel selbst, sondern ein besonderes Kühlmittel.

Mit dem Vorschlage, die Brennkammer einer Gasturbinenanlage durch Luft zu kühlen, um übermäßige Materialbeanspruchungen in der Brennkammer zu vermeiden, hat die vorliegende Erfindung nichts zu tun, da sie sich nur mit den Vorgängen innerhalb der Turbine bzw. des Turbinengehäuses befaßt.

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

AIf Lysholm in Stockholm.

59Ö088

Die Erfindung erlaubt es, Turbinen mit sehr hohen Treibmitteltemperaturen laufen zu lassen, ohne die aus diesen Temperaturen möglicherweise erwachsenden Gefahren in Kauf nehmen zu müssen.

Die Vorschrift, daß das heiße Treibmittel vom Eintritt in das Turbinengehäuse bis an den Läufer heran innerhalb einer Ummantelung von kälterem Treibmittel geführt werden soll, bedingt zunächst, daß das heiße Treibmittel innerhalb des Turbinengehäuses auf seinem Wege bis zum Läufer jedenfalls nicht mit dem Gehäuse in Berührung kommen darf. Damit sind die örtlichen sehr gefährliehen Überhitzungen des Turbinengehäuses mit Sicherheit vermieden.

Die Maßnahme bedingt. aber weiter, daß man diejenigen Stellen der Turbine, an denen Leckverluste nicht nur beim Ingangsetzen, sondern auch während des Dauerbetriebes auftreten können, nämlich Labyrinthe, Dichtungen und Stopfbüchsen, mit dem kälteren Treibmittelmantel in Verbindung setzen muß, so daß alle auftretenden Leckverluste aus der kälteren Treibmittelmenge gedeckt werden. Das ist eine wesentliche Verbesserung in wärmewirtschaftlicher Beziehung insofern, als nunmehr Leckverlustmengen nur noch mit der niedrigen Temperatur des kälteren Treibmittelanteils abgehen können. Dadurch ist es möglich, die Leckverluste um 5° ^un(i mehr Prozent zu vermindern gegenüber einer Turbinenanlage, bei welcher die Leckverluststellen mit dem auf Betriebstemperatur befindliehen Treibmittel in Verbindung stehen.

Führt man gemäß der Erfindung die aus kälterem und heißerem Treibmittel bestehenden Ströme derartig, daß der kältere Treibmittelmantel auch die Turbinenwelle umgibt, so wird dadurch ohne weiteres die Turbinenwelle gegen die Aufheizung durch die heißen Treibmittelmengen geschützt. Die Erhaltung der niedrigen Wellentemperatur wirkt sich unmittelbar im Sinne einer Herabsetzung der Lagertemperatur und damit Erhöhung der Betriebssicherheit einer der wichtigsten Stellen der Gasturbine aus.

Auch die Spaltvei'luste der Turbine werden bei Anwendung der Erfindung wesentlich l'erabgesetzt, und zwar aus folgenden Gründen: Die Ummantelung des heißen Treibmittelstromes bedingt, daß dieser keine übermäßigen Gehäuseüberhitzungen hervorrufen kann. Da die Größe der Spalte unmittelbar abhängig ist von der Höhe der Ungleichmäßigkeit der Erwärmung von Läufer und feststehenden Turbinenteilen, so muß durch eine Herabsetzung der Gehäusetemperatur, die durch Anwendung der Erfindung unmittelbar eintritt, diese TemperaturdifEerenz und damit die Größe der Spaltverluste wesentlich gerirger werden, was sich wiederum auf den Wirkungsgrad der Gesamtanlage entscheidend auswirkt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.

Es zeigen

Fig. ι die eine Hälfte eines Längsschnittes durch eine Gasturbine des Doppelumlauftyps, Fig. 2 eine Abänderung der Fig. 1.

In Fig. ι bezeichnet 1 die Drehachse der Turbine, bezüglich welcher die Turbine im wesentlichen symmetrisch ist. 2 und 3 bezeichnen zwei im entgegengesetzten Sinne umlaufende Turbinenwellen, die je eine Türbinenscheibe 4 bzw. 5 tragen. Das Schaufelsystem 6 besteht aus zwischeneinander eingesetzten und von den Turbinenscheiben getragenen Schaufelkränzen, durch welche das Treibmittel unter Abgabe von Energie von dem in der Mitte der Turbine gelegenen Raum 7 in radialer Richtung zum Auslaß 8 der Turbine strömt. Die Turbinenscheiben 4 und 5 sind mit Kanälen 9 bzw. 10 versehen, die den zentralen Raum 7 mit den axial außerhalb der Turbinenscheiben vorgesehenen Kammern 11 und 12 verbinden. Diese Kammern sind, wie es besonders bei Kammer 12 angedeutet ist, als in stillstehenden Teilen der Turbine angeordnete Verteilungs- go kästen für das Treibmittel ausgebildet, die sich allseitig ausdehnen können und die durch Bolzen 13 derart gehalten sind, daß ein freier Raum 14 zwischen dem Verteilungskasten und den übrigen, den Verteilungs- kasten umgebenden Teilen der Turbine entsteht.

Jeder Verteilungskasten ist an eine oder mehrere Zulaufleitungen angeschlossen, die paarweise in derselben Ebene oder versetzt zueinander angeordnet sein können. Der Verteilungskasten 11 ist mit einem Rohr 15 verbunden, das innerhalb eines äußeren Rohres 16 beweglich angeordnet ist. 18 bezeichnet eine Zulaufleitung für Brennstoff, der innerhalb des Rohres 15 verbrannt wird und die Erhitzung der Luft oder des Gases auf eine hohe Temperatur, beispielsweise über 500⁰C, vorzugsweise 700 bis 8oo° C, bewirkt.

Die dem Rohr 16 zugeführte Luft oder das Gas kann entweder kalt oder auch durch Vorwärmung erwärmt sein. Die Luft oder das Gas kann auch aus Abgasen von einer an- deren Kraftmaschine bestehen und dabei noch einen Teil Wärme enthalten. Ein größerer oder geringerer Teil dieser Luft oder dieses Gases strömt in das Rohr 15 hinein und wird hier einer Erhitzung ausgesetzt. Ein anderer Teil der Luft oder des Gases strömt, ohne unmittelbar erhitzt zu werden, an der Außenseite des Rohres 15 entlang, und zwar zwischen diesem Rohr

und dem äußeren Rohr 16. Das erhitzte Gas, das innerhalb des Rohres 15 strömt, wird in den Verteilungskasteh iX" überführt, der infolge der Temperaturveränderung erforderliehen Ausdehnungen und Formveränderungen' ausgesetzt "werden kann, indem er auf dem \Bolzen 13 gleitet und dadurch, daß das Rohr."i5 im Rohr 16 verschoben wird.
Der außerhalb des Rohres 15 strömende, nicht erhitzte Teil-der Luft oder des Gases wird durch das an stillstehenden Teilen der Turbine befestigte Rohr 16 einem Raum 19 außerhalb des Verteilungskastens 11 zugeführt. Das in "den Verteilungskästen 11 und 12 befindliche Gas kommt somit nicht in Berührung mit den nicht umlaufenden Teilen der Turbine, und aus diesem Grunde wird auch die Wärme dieser Gasmischung nicht unmittelbar zu diesen Teilen überführt. Auch nicht durch; Leitung kann nennenswerte Wärme überführt .werden, weil die die Verteilungsüsästen umgebende isolierende Luftoder Gasschicht ständig ersetzt wird und auf diese Weise als ein schützendes und kühlendes Mittel wirkt.

. Die Verteilungskästen 11 und 12 schließen mit" nach den Kanälen 9 bzw. 10 der Turbinenscheiben gerichteten und mit Leitschaufeln .20 bzw. 21 versehenen Öffnungen ab, durch welche das erhitzte Gas dem zentralen-Raum 7 zugeführt wird. Die nicht erhitzte Luft öder das Gas strömt um die Verteilungskästen herum und vermischt sich mit dem erhitzten. Gas zum Teil in den Kanälen 9 bzw. 10 und'im zentralen Raum 7. 25 und 26 bezeichnen ' Schirme oder Schaufeln, mittels welchen ein Teil der nicht erhitzten und mit den erhitzten Gasen nicht vermischten Luft oder des Gases derart geleitet wird, daß sie .40 oder, es dicht an den Ringverbänden des ersten oder der ersten Schaufelkränze entlang streicht, um hierdurch diese Teile gegen die Wärme der. erhitzten Gase zu schützen. Ein Teil der nicht erhitzten Luft oder des Gases wird durch Löcher 28 weitergeführt, für Kühlzwecke oder um zu verhindern, daß das heiße Gas zu den Teilen der Wellen 2 bzw. 3 strömt, von denen man annehmen kann, daß sie den Lagerungen der Wellen Wärme zuführen.

Da die nicht erhitzte Luft oder das Gas um die Verteilungskästen herumströmt, werden die Labyrinthdichtungen 30 bzw. 31 und die Wellendichtungen 32 bzw. 33 auch nicht der Einwirkung des heißen Gases ausgesetzt, sondern sie werden nur von der kälteren, nicht erhitzten Luft oder vom Gas bestrichen. Es sind demnach nur die Schaufeln den heißen Gasen bei ihrer Strömung durch das Schaufelsystem und den Leitschaufelkranz 34 bis "zum Auslaß 8 ausgesetzt.

Die dem schützenden Gas zugeführte Wärme wird somit unmittelbar dadurch verwertet, daß dieses Gas einen Teil des Treibmittels ausmacht und auch dem Schaufelsystem zugeführt wird.

Bei.der Ausführungsform gemäß Fig. 2, in der zum Teil die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. ι verwendet sind, sind die Zulaufleitungen 35, 36 und 38 der beiden Verteilungskästen in derselben Ebene angeordnet. Bei dieser Ausführungsform sind jedoch die Rohre 35 an den umgebenden Rohren 36 befestigt, weshalb die Verteilungskästen durch bewegliche Verbindungen 23 bzw. 24 mit den Rohren 35 vereinigt sind.

Außerdem sind die Kanäle 9 und 10 mit das heiße Gas leitenden Düsen 39 bzw. 40 versehen, so daß das Gas mit den Turbinenscheiben 4 bzw. 5 nicht in Berührung kommt. Zwischen diesen Düsen und den Turbinenscheiben, in denen die Düsen mittels Stützen befestigt sein können, entsteht ein Zwischenraum, durch welchen das kältere Gas strömt. Die Wärme kann somit nicht durch Leitung in den Turbinenscheiben zu empfindlicheren Teilen der Turbine gelangen.

Vorzugsweise werden die Teile, in denen das erhitzte Gas strömt, aus einem wärmebeständigeren Material hergestellt. Dabei können die inneren, den heißesten Gasen ausgesetzten Teile des Schaufelsystems, auch die Leitschaufeln 20 und 21, aus besonders hochwertigem Material hergestellt sein, die äußeren Schaufelkränze aber nur aus gewohnlichem, billigerem Material.

Die Leitschaufeln sind vorzugsweise derart ausgebildet, daß das Gas ohne Wirbelbildungen eine solche Strömungsrichtung erhält, daß es, ohne zum Kanal für die kalten Gase abzuströmen, in den zentralen Raum 7 eintritt.

Um außerdem empfindliche Teile der Turbine zu. schützen, die nicht ganz aus wärmebeständigem Material hergestellt werden können, können sie auch in gewissen Teilen mit derartigem Material bekleidet oder abgeschirmt werden.

Mit erfindungsgemäß aufgeführten Bauarten kann somit das Treibmittel auf die hohe Temperatur erhitzt werden, die der Widerstandsfähigkeit des wärmebeständigen Materials entspricht, ohne daß die Wärme des Treibmittels solchen Teilen in der Turbine zugeführt wird, die nicht gut aus besonderem, wärmebeständigem Material hergestellt werden können. Des weiteren werden die aus dünnerem Material hergestellten Teile, wie z. B. die Dichtungen, nur kälteren Gasen ausgesetzt.

Durch die Einrichtungen nach der Erfindung können mit angepaßter Temperatur für

die nicht erhitzten Gase in den verschiedenen Teilen der Maschine ungefähr die gleichen Temperaturen erzielt werden. Den erhitzten Gasen kann man eine etwas höhere Tempera- tür geben als die, für welche das Schaufelsystem der Turbine berechnet ist, und zwar einmal, weil die heißen und die kälteren Gase in der Turbine miteinander vermischt werden und dann, weil die empfindlicheren Teile des

ίο Schaufelsystems in erster Linie von weniger heißen Gasen bestrichen werden. Die kälteren Gase brauchen auch nicht den Gasen zuzugehören, die dem Verbrennungsapparat zugeführt werden, sondern sie können dem Rohr

t5 16 durch eine andere Leitung zugeführt werden, in welchem Fall der Raum zwischen den Rohren 16 und 15 an der äußeren Mündung des letztgenannten Rohres geschlossen sein kann. Das Treibmittel kann somit aus zwei

so verschiedenen Gasen mit verschiedenen Temperaturen, aber mit nahezu dem gleichen Druck bestehen. Vorzugsweise kann das kältere Gas einen höheren Druck haben als das erhitzte Gas, um- zu ,verhindern, daß das heißere Gas zum Raum außerhalb der Verteilungskästen ausströmen kann.

Da somit die Kanäle für das nicht erhitzte Gas derart angeordnet sind, daß das heiße Gas nicht durch die verschiedenen Dichtungen strömen kann, entsteht kein weiterer Wärmeverlust in den ausleckenden Gasen.

Es ist klar, daß die Erfindung, die im obigen im Zusammenhang mit einer durch Gas betriebenen. Turbine des Doppelumlauftyps beschrieben wurde, auch bei jeder beliebigen anderen Kraftmaschine angewendet werden kann, die mit erhitztem Treibmittel arbeitet. Wenn auch die Kraftmaschine nach der Erfindung sieh in hohem Maße für einfach- oder doppelumlaufende Turbinen der beschriebenen Art besonders gut eignet, sind auch Ausführungsformen für Kolbenmaschinen verschiedener Art denkbar, bei denen sehr hohe Temperaturen für das Treibmittel verwendet werden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel innerhalb des Turbinengehäuses in Teilmengen verschiedener Temperatur an den Läufer herangeführt wird, wobei eine heißere Treibmittelmenge innerhalb einer Leitung strömt, die von kälterem Treibmittel umgeben ist.

2. Gasturbine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Leckverluststellen, z. B. Dichtungen, Labyrinthe, Stopfbüchsen, mit Räumen verbunden sind, in denen kälteres Treibmittel enthalten ist.

3. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kältere Treibmittel die Turbinenwelle bzw. -wellen bzw. deren Lager umspült.

4. Gasturbine nach Anspruch 1, bei der das erhitzte Treibmittel der Turbine durch eine Leitung zugeführt wird, die in einem für kälteres Treibmittel bestimmten Rohr angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Leitung fest oder beweglich verbunden ist mit. einem in stillstehenden Teilen der Turbine angeordneten, vorzugsweise ringförmigen Verteilungskasten (11, 12) für das heißere Gas.

5. Gasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilungskasten mit einer ringförmigen öffnung oder einer Anzahl von öffnungen versehen ist, in denen Leitschaufeln für die Ableitung des Treibmittels zu in der Turbinenscheibe vorhandenen Kanälen vorgesehen sind.

6. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Leitung S₅" des Treibmittels durch die Turbinenscheiben zum Schaufelsystem teils Kanäle für das heißere Gas und teils diese ummantelnde Kanäle für das kältere Gas vorgesehen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen