DE2743110A1

DE2743110A1 - Leitvorrichtung fuer eine gasturbine

Info

Publication number: DE2743110A1
Application number: DE19772743110
Authority: DE
Inventors: Sven-Olof Prof Kronogaard
Original assignee: KRONOGAARD SVEN OLOF PROF
Current assignee: KRONOGAARD SVEN OLOF PROF
Priority date: 1976-09-24
Filing date: 1977-09-24
Publication date: 1978-03-30
Also published as: IT1090233B; JPS5352813A; GB1544388A; SE406210B; US4183209A; SE7610576L; FR2365693A1

Description

27 A3110

Sven-Olof Kronogärd 18 023/4 60/ko

Karstorpsvägen 31
2 34 00 LOMMA

Leitvorrichtung für eine Gasturbine

Gasturbinen, die mit stark wechselnden Geschwindigkeiten und unter stark wechselnden Belastungen arbeiten, wie sie beispielsweise für den Fahrzeugantrieb mit einer eigenen Nutzturbine verwendet werden, sind häufig mit einer Leitvorrichtung versehen, die einstellbare Leitschaufeln aufweist. Derartige Leitschaufeln sind besonders wichtig in Turbinen mit mehreren Läufern auf eigenen, getrennten Wellen, die zur Leistungsübertragung miteinander verbunden sind und mit Gas aus einem gemeinsamen Gaserzeuger beaufschlagt werden. Eine Einstellung der Leitschaufeln macht eine Verteilung der Leistungsaufnahme der einzelnen Läufer möglich. Ein Nachteil der meisten bekannten Bauarten für derartige einstellbare Leiischaufeln besteht darin, daß die Einstellung der Schaufel eine Änderung des Eintrittswinkels und des Austrittswinkels mit sich bringt, was zuweilen unerwünscht ist.

Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die einzelnen Leitschaufeln zur Erzielung gewünschter Strömungseigenschaften und Strömungsführungseigenschaften mit einem ersten stationären Abschnitt und einem zweiten Abschnitt versehen sind, der gegenüber dem ersten Abschnitt beweglich ist.

Die einzelnen Leitschaufeln weisen im wesentlichen Tragflügelprofil mit einer dickeren Nasenpartie in der Nachbarschaft der Vorderkante des Profils auf, die in einen schlanken, sich verjüngenden Stromungsleitkörper übergeht, der an der Hinterkante endet. Jede Leitschaufel ist in einer durch die Nasen-

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partie gehenden Ebene geteilt, wodurch ein erster Abschnitt gebildet wird, der gegenüber der Leitvorrichtung stationär ist und sich von der Vorderkante zur Hinterkante erstreckt, sowie ein zweiter Abschnitt gebildet wird, der sich nur durch die dicke Nasenpartie alleine erstreckt. Weiterhin ist eine Einrichtung zur Änderung der Position des zweiten Abschnittes gegenüber dem ersten Abschnitt vorgesehen.

Der bewegliche Abschnitt kann als Halbzylinder ausgebildet sein, der in einer entsprechenden Lagerausnehmung des ortsfesten Abschnittes drehbeweglich gelagert ist, oder kann als Scheibe der dicken Nasenpartie des Profils ausgebildet sein, welche peripher oder axial gegenüber dem stationären Abschnitt beweglich ist.

Mit der Erfindung wird somit in einer Gasturbinenantriebsanlage mit einer separaten Nutzturbine eine Leitvorrichtung geschaffen, die hinter dem Nutzturbinenläufer angeordnet ist und die von Gasströmungen mit starken Schwankungen hinsichtlich Geschwindigkeit und Beaufschlagungsrichtung beaufschlagt wird. Dabei weisen die einzelnen Leitschaufeln zur Verbesserung der Leitwirkung auf die Strömung eine Unterteilung in zwei Abschnitte auf, wobei ein stationärer Abschnitt sich über die gesamte axiale Tiefe der Leitschaufel erstreckt und ein kleinerer Abschnitt lediglich einen Teil der dickeren Nasenpartie der Schaufel umfaßt. Der kleinere Abschnitt ist gegenüber dem stationären Abschnitt beweglich, so daß die Leitschaufel, wenn die Abschnitte aneinandergelegt sind, in der aus Tragflügeln bekannten Weise eine gerundete Vorderkante aufweist, hingegen eine scharfe Vorderkante aufweist, wenn die Abschnitte gegeneinander bewegt sind.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung, insbesondere in Verbindung mit den Ansprüchen.

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Es zeigt

Fig. 1 und 2 schematisch vereinfacht verschiedene Anordnungen von Fahrzeugantriebsturbinen mit zwei bzw. drei Wellen und mit einer erfindungsgemäßen Leitvorrichtung mit einstellbaren Leitschaufeln und

Fig. 3 bis 5 unterschiedliche Bauarten der geteilten Leitschaufeln einer erfindungsgemäßen Leitvorrichtung.

Die in Fig. 1 schematisch veranschaulichte Gasturbinenanlage weist einen Gaserzeugerteil mit einem Verdichter 10, einer Brennkammer 13 und einem ersten Turbinenläufer 11 auf, der auf einer mit dem Verdichter 10 gemeinsamen Weile 12 gelagert ist und zum Antrieb des Verdichters 10 dient.

Die Verbrennungsgase aus der Brennkammer 13 strömen durch die Beschaufelung des Verdichterlaufers 11 und zweier weiterer Turbinenläufer 14 und 15. Der Turbinenläufer 14 ist der Nutzturbinenläufer und ist mittels eines Planetengetriebes 16 mit einer Abtriebswelle 17 verbunden. Der dritte Turbinenläufer ist mit dem Planetenradträger des Planetengetriebes 16 verbunden.

Das Sonnenrad des Planetengetriebes ist über ein stufenlos änderbares Übersetzungsgetriebe 18 mit der Welle 12 verbunden. Diese Anordnung ermöglicht die Nutzbarmachung des Läufers sowohl für den Antrieb der Abtriebswelle 17 als auch für die Unterstützung des Verdichterantriebs. Diese letztgenannte Funktion einer Unterstützung des Verdichterantriebes kann auch erfüllt werden, wenn die Abtriebswelle 17 und mit ihr der Läufer 14 abgebremst sind, also stehen. Auf diese Weise kann der Gaserzeugerbereich schnell beschleunigt werden. Um die Verteilung der Leistung zwischen den Turbinenläufern und 15 bei wechselnden Lastbedingungen zu erleichtern, ist die Turbine mit einstellbaren Leitschaufeln 19 versehen, wie

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sie weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 3 noch näher erläutert werden. Im Gegensatz zur üblichen Bauweise sind diese Leitschaufeln nicht über ihre gesamte axiale Tiefe drehbar, sondern weisen einen stationären und einen beweglichen Abschnitt auf. Die Darstellung in der Zeichnung ist übertrieben, um auf einfache Weise die Betriebsstellungen des beweglichen Leitschaufelabschnittes zu veranschaulichen.

Die Anlage gemäß Fig. 2 weist im wesentlichen dieselben Bauteile wie diejenige gemäß Fig. 1 auf, wobei entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Bei der Anlage gemäß Fig. 2 sind zwei Läufer 11 und 14 vorgesehen. Die Turbinenwellen 12 und 20 sind mittels eines Getriebes 21 irgendeiner beliebigen Bauart miteinander verbunden, von dem aus die Abtriebswelle 17 ebenso wie schematisch bei 22 veranschaulichte Hilfsaggregate angetrieben werden. Zwischen dem Getriebe 21 und der Welle 12 ist ein stufenlos änderbares Übersetzungsgetriebe 23 vorgesehen. Das Getriebe kann hydrodynamisch, aerodynamisch, hydrostatisch arbeiten. Beide Anlagen sind mit einem nicht näher dargestellten Wärmetauscher versehen, in dem Wärme aus den Abgasen wiedergewonnen wird.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind übliche einstellbare Leitschaufeln 24 zwischen den Läufern 11 und 14 vorgesehen, während die erfindungsgemäßen geteilten Leitschaufeln 25 einen Teil des Auslaßstators bilden, der hinter dem einzelnen Nutzturbinenläufer 14 angeordnet sind. Die Leitschaufeln entsprechen der Bauart, wie sie nachfolgend im Zusammenhang mit Fig. 4 noch näher erläutert wird. Die Vorderkante der Nasenpartie ist mit einer Kerbe von U- oder V-för*uigem Profil versehen, die der Einlaßgasströmung ausgesetzt ist, um eine bessere Anpassung an hohe Machzahlen und große Änderungen des Eintrittsvinkels der Gase zu ermöglichen.

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Die Darstellungen gemäß Fig. 1 und 2 dienen im wesentlichen zur Veranschaulichung von möglichen Anordnungen der erfindungsgemäßen einstellbaren Leitschaufeln und sind insoweit nur beispielhaft zu verstehen.

Die Anzahl der Läufer der Gasturbine kann unterschiedlich sein, wobei im Falle von mehr als drei Turbinenläufern eine Leitvorrichtung zwischen jedes Paar benachbarter Läufer eingesetzt werden kann.

Wie an sich bekannt ist, können die Leitschaufeln aus metallischen, keramischen oder Verbundmaterialien hergestellt werden, können aus Vollmaterial bestehen oder innen hohl mit einer dünnen Schale sein. Die Leitschaufeln können darüberhinaus mit Kanälen für eine Kühlmittelströmung wie eine Luftströmung versehen sein. Die Auswahl der Materialien und der Grundform ist nicht näher erläutert, da dies fachmännischen Überlegungen in jedem Einzelfall überlassen bleiben muß.

Wenn der Beaufschlagungs- oder Eintrittswinkel sowie die Geschwindigkeit des Beaufschlagungsgases bei wechselnden Betriebsbedingungen stark wechselt, so bietet eine Leitschaufel der in Fig. 3 veranschaulichten Bauart eine einfache und billige Lösung, die für viele Anwendungsfälle geeignet ist.

Das Schaufelprofil 30 ist dabei nach Art eines Tragprofiles mit vergleichsweise großer Dicke in der Nasenpartie ausgebildet, die in der Zeichnung übertrieben dargestellt ist. Die Vorderpartie weist einen drehbaren Halbzylinder 31 mit kreisförmiger oder einer sonstigen geeigneten geometrischen Grundfläche auf, der an einer entsprechenden Ausnehmung 32 im stationären Hauptkörper 33 der Leitschaufel gelagert ist. Die Leitschaufel weist eine im wesentlichen ebene Druckseite auf, die sich von der Vorderkante 36 des Profils bis zur Hinterkante 37 erstreckt, sowie eine bogenförmige Saugseite. Eine

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solche Ausbildung kann bei sehr schlanken und sehr kleinen Schaufelprofilen verwendet werden, bei denen eine variable Geometrie sonst nicht möglich wäre.

Bei geringen Machzahlen (M<Cl ) und starker Ablenkung des Anströmgases wird das bewegliche Teil 31 in die Stellung gemäß Fig. 3a gebracht. Die Drehachse 34 des Teiles 31 ist exzentrisch zur geometrischen Achse der Ausnehmung 32 vorgesehen, so daß das Profil in der Stellung gemäß Fig. 3a eine weich gebogene Vorderkante erhält, die vom Gas beaufschlagt wird. Der Spalt am in Strömungsrichtung hinteren Rand des Teiles 31, der durch den in Längsrichtung des Profils liegenden Abstand zwischen der Drehachse 34 und der geometrischen Mittelachse der Ausnehmung 32 entsteht, hat keinen wesentlichen nachteiligen Einfluß.

Die Vorderkante des Profiles 33 kann jedoch auch in der aus Fig. 3c ersichtlichen Weise abgewandelt sein, in der das Teil ein Halbzylinder ist, der konzentrisch zur Ausnehmung 32 liegt, wobei die Leitfläche stromab der Ausnehmung, also die Druckseite des Profils, geringfügig konkav gewölbt ist.

Wenn hohe Einlaßgeschwindigkeiten (M^1) zu erwarten sind, wird das Teil 31 in die Stellung gedreht, in der es im Inneren des Hauptkörpers 33 des Profils aufgenommen ist, wie dies in Fig. 3b veranschaulicht ist. Die Leitschaufel sollte bevorzugt so ausgelegt sein, daß ihre ebene Druckseite im wesentlichen mit der Eintrittsrichtung der Gase bei hohen Machzahlen zusammenfällt oder nur einen geringen positiven Winkel bildet.

In den Fig. 4 und 5 sind Abwandlungen der Schaufeln gemäß Fig. 3 veranschaulicht, die jedoch auf derselben Grundidee beruhen, wobei aber der bewegliche Einlaßteil nicht drehbar, sondern translatorisch bewegbar ist.

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Die Profile sind entlang einer Ebene geteilt, die im wesentlichen parallel zur Längsrichtung oder Längsachse der Schaufel liegt, wobei der bewegliche Teil peripher oder axial oder entlang einer Bahn translatorisch bewegt werden kann, die teils peripher,also in Richtung der benachbarten Oberfläche, teils axial liegt.

Fig. 4 zeigt dabei ein Schaufelprofil üblicher Bauart mit einem vollen Vorderteil. Die Leitschaufel ist entlang einer Ebene geteilt, die parallel zur Längsachse des Profils oder der Leitschaufel liegt, so daß die Leitschaufel aus einem stationären Hauptteil 40 besteht, der sich über die volle Tiefe der Leitschaufel erstreckt, und einem beweglichen Teil 41 besteht, der den Rest des dickeren Vorderteiles der Leitschaufel umfaßt.

Der Hauptabschnitt 40 ergibt ebenso wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 eine gewölbte Saugseite und eine ebene Druckseite, wobei die Anordnung der Leitschaufel so gewählt ist, daß die Druckseite etwa in Anströmrichtung der Gase bei hohen Machzahlen (MÄM ) liegt.

Auch der Teil 41 weist eine Ebene auf, die mit der Anströmrichtung der Gase zusammenfällt.

Auf diese Weise kann entweder ein Leitring mit einem Doppel— Leitgitter mit scharfem Einlaßprofil geschaffen werden, der sich für hohe Machzahlen eignet, oder, wenn die Teile der Leitschaufeln zusammengeführt werden, einen Leitring mit Schaufeln mit einem für niedrige Geschwindigkeiten geeigneten Profil mit einer gerundeten Einlaßkante, die weniger empfindlich für Änderungen der Anströmrichtung der Gase sind.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 entspricht weitgehend derjenigen gemäß Fig. 4. Dabei ist jedoch der bewegliche Abschnitt 51 in Vorwärtsrichtung gegenüber dem stationären Abschnitt 50 gegen

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die Anströmrichtung der Gase beweglich. Die Bewegung erfolgt bevorzugt so, daß der bewegliche Abschnitt unmittelbar vor dem stationären Abschnitt zu liegen kommt. Eine davorliegende Laufschaufel beispielsweise des Läufers 14 oder 15 ist bei 52 angedeutet, wobei die an der Hinterkante dieser Laufschaufel 52 eingezeichneten Pfeile die Eintrittsrichtung des Gases in den Leitring sowie die Gasgeschwindigkeit anzeigen. Wenn der Axialabstand zum davorliegenden Läufer gering ist, kann eine nur teilweise Bewegung des beweglichen Teiles 51 erfolgen, bis in einen Überdeckungsbereich mit dem stationären Teil 50, wie dies bei 51a gestrichelt in Fig. 5 veranschaulicht ist.

Bei geringen Gasgeschwindigkeiten (M<<C1) bieten die Abschnitte, wenn sie zusammengebracht werden, eine gerundete Vorderkante, während die getrennten Teile für hohe Machzahlen (M>1) scharfe Vorderkanten bieten.

Die beweglichen Abschnitte 41 bzw. 51 können mit einem inneren und/äußeren Ring, der in Fig. 4 bei 41a veranschaulicht ist, verbunden oder mit ihm einstückig ausgeführt, beispielsweise in einem Stück gegossen werden. Dieser Ring kann mittels eines Servomotors oder durch irgendeinen anderen geeigneten Antrieb, der durch das Steuer- und Regelsystem der Turbine gesteuert wird, gedreht werden. Der Ring 41a und die daran befestigten Laufschaufelteile können auf diese Weise tangential in einer Drehbewegung oder axial in einer Linearbewegung bewegt werden, jedoch auch in einer aus diesen beiden Bewegungen kombinierten Bahn bewegt werden, wodurch sich eine schräge oder schraubenförmige Bewegung ergibt, in eine Stellung, die beispielsweise in Fig. 4 beim Bezugszeichen 41b gestrichelt veranschaulicht ist,

Bei diesen Ausführungsformen kann die Vorderkante der Leitschaufeln gegenüber der Anströmrichtung des Gases geneigt ausgebildet werden, um so eine U- oder V-förmige Kontur zur bieten, was in der an sich bekannten Weise im Sinne einer Pfeilung vorteilhaft für die Widerstandsfähigkeit gegen Stöße und Schvingungen ist. 8 0 9813/1018

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Claims

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Patent- (Schutz)- Ansprüche

Leitvorrichtung für eine Gasturbine mit wenigstens einem Nutzturbinenläufer und einem unabhängig vom Nutzturbinenläufer laufenden Gaserzeuger, wobei der Leitapparat eine Anzahl von Leitschaufeln aufweist, die im wesentlichen radial in einem Strömungskanal hinter wenigstens einem Turbinenläufer angeordnet sind, wobei jede Leitschaufel im wesentlichen Tragflächenprofil mit einer dicken Nasenpartie im Bereich der Vorderkante des Profils und einem verjüngten Flächenteil aufweist, der an der Hinterkante endet, dadurch gekennzeichnet, daß jede Leitschaufel (z.B. 30) entlang einer durch die Nasenpartie laufenden Ebene in einen ersten Abschnitt (33; 40; 50), der gegenüber dem Leitapparat ortsfest ist und sich von der Vorderkante (36) zur Hinterkante (37) des Leitschaufelprofils erstreckt, und in einen zweiten Abschnitt (31, 41, 51) unterteilt ist, der sich lediglich durch die dicke Nasenpartie erstreckt, und daß eine Einrichtung zur Änderung der Position des zweiten Abschnittes gegenüber dem ersten Abschnitt vorgesehen ist.
2. Leitvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abschnitt (31) im wesentlichen als Halbzylinder ausgebildet ist, daß der erste Abschnitt (3C) mit einer komplementären Ausnehmung oder Mulde (32) versehen ist, und daß eine Einrichtung zur Drehung des zweiten Abschnittes in der Mulde vorgesehen ist.

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3. Leitvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (34) des zweiten Abschnittes (31) im Abstand von der geometrischen Achse der Ausnehmung oder Mulde (32) liegt, derart, daß der bewegliche Abschnitt (31) in der nach auswärts gedrehten Stellung zusammen mit der Vorderkante des ersten Abschnittes eine weich gerundete Vorderkante bildet.
4. Leitvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abschnitt (41 bzw. 41a) gegenüber dem ersten Abschnitt (40) in Umfangsrichtung der ringförmig ausgebildeten Leitvorrichtung bewegbar ist.
5. Leitvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abschnitt (41b) gegenüber dem ersten Abschnitt (40) vorzugsweise in einer schraubenförmigen Bahn schräg nach vorne gegen die Anstromrichtung des Gases bewegbar ist.
6. Leitvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abschnitt (51) gegenüber dem ersten Abschnitt (50) in einer geraden Linie nach vorne gegen die Anströmrichtung der Gase translatorisch bewegbar ist.
7. Leitvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilungsebene eine ebene Oberfläche an dem ersten Abschnitt (40; 50) bildet, die sich von dessen Vorderkante zu dessen Hinterkante erstreckt.

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