SE423741B - Gasturbinmaskineri, speciellt for fordonsdrift - Google Patents

Description

8006803-4 Alternativt kan gasen från den första turbinro- torn ledas direkt in i en andra turbinrotor, som har vä- sentligen samma diameter som den första rotorn, och är in- rättad för kombinerad radiell/axiell genomströmning. Den första turbinrotorn_kan emellertid även vara inrättad för radiellt inåtriktad gasströmning,varvid överledning av gas sker direkt till en andra rotor som har.väsentligen samma 'diameter. Den andra turbinrotorn kan då vara inrättad för kombinerad radiell/axiell strömning, varvid åen tredje ro- torn är anordnad i samma plan som den andra.

Den tredje turbinrotorn kan vara utformad att radiellt omsluta den andra rotorn, och tar då emot radiellt riktat gasflöde från densamma. K V Om den andra turbinrotorn är inrättad för axiell _genomströmning sker gastransitering till den tredje rotorn via en dubbelsnäcka, vars kammare ligger väsentligen i sam- ma plan. Åtminstone en av överledningsväggarna mellan kam- rarna är härvid lämpligen formad som en.svängbar läpp. _ Den andra och tredje rotorn kan ha väsentligen samma diameter samt vara anordnade för radiell strömning, varvid den första rotorn, som ävenledes är inrättad för ra- diell gasströmning har en axel som är anordnad i rät vinkel mot axeln för de två senare rotorerna.

Uppfinningen kommer här nedan att beskrivas med hänvisning till bifogade ritningar, få vilka Fig. 1 visar ett gasturbinmaskineri enligt en första utfö- ringsform av uppfinningen, Fig. 2 visar dubbel transiteringssnäcka mellan andra och tredje rotorn, K Fig. 3 och H visar modifikationer av maskineriet enligt Fig. 1, Flg¿ 5 visar ett maskineri där den första turbinrotorn är I monterad "back to back" med kompressorn, Fig. 6 visar dubbeltransiteringssnäcka mellan andra och tredje turbinrotorn vid utförandet enligt Fig. 5, Fig. 7 i större skala visar ett inringat parti i Fig. 6, 8006803-4 vid övergången mellan dubbelsnäckans båda kamrar, Fig. 8 visar ett maskineri där andra och tredje rotorn är koaxiella, _ Fig. 9 i större skala visar skovelarrangemanget vid andra och tredje rotorn i Fig. 8, Fig. 10 visar ett modifierat utförande av maskineriet en- ligt FigÄ 5, men där såväl den andra som den tredje rotorn är av axialtyp, och Fig. 11 visar ett maskineri där första turbinrotorn och kompressorn är monterade i rät vinkel mot axeln för de två övriga rotorerna.

Det i Fig. 1 visade gasturbinmaskineriet omfat- tar en kompressor10, driven av en första gasturbinrotor 11.

En brännkammare är betecknad 12 och en värmeväxlare, som överför restvärme från avgaserna till luften från kompres- sorn, är antydd med streckade linjer och betecknad med 13.

Två ytterligare turbinrotorer är betecknade med 1Å resp. 15, samt är sammankopplade medelst en växel av planettyp, allmänt betecknad med 16. Till denna är axeln 17 för kom- pressorn och den första turbinrotorn 11 även ansluten. Så- väl kompressorn som de två senare turbinrotorerna 14, 15 är försedda med rörliga inloppsledskovlar.

Den andra turbinrotorn 1ü, som är den egentliga drivturbinen är av rent radiell typ med radiellt in- och utlopp samt med tvådimensionella skovelprofiler för såväl själva turbinen som tillhörande innanförliggande stator- krans, vilken är utförd med vridbara skovlar.

Det efter drivturbinen följande turbinsteget 15 (hjälpturbinen) är lokaliserat i samma plan som driv- turbinen, på sådant sätt att den efter drivturbinen kvar- varande rotationen, som är särskilt stor vid stillastående och långsamt roterande turbin, tillvaratas på ett optimalt sätt genom en "dubbelsnäcka 19 (Fig. 2), vilken möjliggör 8006803-4 överföring av den efter drivturbinen skapade utloppsvirveln till en ny virvel med mot hjälpturbinen 15 inåtgående rota- tionsströmning med minimum av strömningsförluster (diffuse- 'ring, omlänkning, acceleration - retardation). :_ Den tredje turbinrotorn är utförd som en ra- dialturbin med radiell inåtgående strömning och axiell _framåtriktad utloppsströmning, riktad från transmissionsy- stemet och mot värmeväxlaren 13; Man får härvid såväl kom- pressorns utlopp som brännkammarens inlopp och slutstegets utlopp riktat mot och koncentrerat till ett litet område, där värmeväxlaren har placerats, vilket ger en mycket kort strömningslängd, minimum av omlänkningar, godanmöjligheter till effektiv avloppsdiffusering för kompressorn före vär- meväxlare och brännkammare, samt en lång och rak avlopps- diffusor från slutsteget till värmeväxlaren och dess av- loppskanal. Alla hetgasdelar är koncentrerade till ett in- re centrum vilket resulterar i minimum av värmeförluster, vilket bidrager till god verkningsgrad och minskar behovet av isolering. l Konstruktionen medför vidare att axel, lager och kuggväxelsystem så mycket som möjligt kan lpkaliseras skilt från själva hetgasdelen.

Genom att kompressorturbinen är av axialtyp och med små dimensioner erhålls lågt tröghetsmoment, medan drivturbinen som är kopplad till fordonet har utförts med större radie och utåtgående strömning,_vilket ger maximalt drivmoment, särskilt vid start och lågaluumigheter för for- donet, utan att utloppshastigheten och förlusterna vid drivturbinen och transiteringen behöver öka. _ _ Då det vid automotiva turbiner är viktigt med .god startdragkraft, snabb acceleration, litet tröghetsmo- ment för gasgenerator och kompakt konstruktion ger ifråga- varande arrangemang stora fördelar. I Vidare kan såväl hetgasdelen som kompressortur- binen tillverkas i keramik, varvid lämpligen ochså dubbel- snäcka och övriga stationära delar av livslängds-; kost- nads- och viktskäl lämpligen utföres i keramik. 8006803-4 Dubbelsnäckans plana utförande med parallella väggar vid såväl inloppet till drivturbinen som inloppet till hjälpturbinen gör att man här i det för momentutväx- lingen viktiga drivturbín-hjälpturbin-systemet enkelt kan använda vridbara skovlar av enkelt och effektivt två- dimensionellt,bi1ligt utförande. Detta gäller vare sig man använder sig av keramik eller ej i dessa delar.

Genom att stödringarna för de vridbara skovlar- na vid driv- och hjälpturbin ligger i samma plan och så att säga tangerar varandra kan inställningsrörelserna kopplas samman direkt, eller via särskild utväxlingsmekanism. För vissa applikationer kan man då klara sig med en gemensam aktivator för båda ledskovelapparaterna.

Figur 3 visar en utföringsform som är ännu kom- paktare än den som visats i Fig. 1 och 2. Till skillnad från tidigare utförande är värmeväxlaren 13a här visad som en roterande regenerator, lämpligen i keramik. Brännkamma- ren 12 har för att medge låg profilhöjd lagts horisontell, men kan naturligtvis även här göras vertikal eller diago- nalt lutande, vilket medför något mindre strömningsförlus- ter, men något högre profilhöjd. Kompressorturbinen 11 är liksom tidigare axiell och av mycket liten diameter. Driv- turbinen ïüa är här fortfarande av radiell utåtgående typ, men i detta fall med s.k. "mixed-flow"-strömning, d.v.s. en blandning av radiell och axiell strömning. Dubbelsnäckan är av samma typ som den enligt Fig. 2, men har kunnat minskas genom att inloppsstatorn gjorts axiell.och drivturbinen 15a flyttats direkt intill med mixed flow,radielltutåtgående strömning. Drivturbinen och dess hus har gjorts mera kom- pakt, vilket minskar strömningsvägen och strömningförluster- na, samtidigt som tillverkningskostnader, vikt och volym reduceras.Samtliga rotorer, utom kompressorturbinen 11 är nu av radiell, mixed flow typ. Kompressorturbinen tillver- kas vid riktigt små enheter lämpligen i ett med axeln. Vid utförande i keramik krymps kompressorn på kompressorturbi- nens keramaxel. '80068 03- 4 6 Samtliga turbiner, utom drivturbinen 1Ua,har när utförts med nav uten hål. viktigeet ev allt är ett den heta kompressorturbinen görs utan hållfasthetssänkan- de hål. Genom att använda en yttre "feed back"axel med' kuggväxel på kompressorns framsida,kan samtliga tre tur- > x binhjul göras med nav utan hål." - ._ _ 'Figur 4 visar ytterligare en modifierad utför- ingsform,där kompressorturbinen lla utförts som radialturbin.

Förbindelse mellan växellådan 16 och kompressor- axeln 17a sker här via en utanförliggande "feed-back"axel 18, vilket möjliggör att varje rotor utförs i ett stycke med till- hörande axel.

-Figur 5 visar en variant, där drivturbinen fiüb utförts som axialsteg, medan kompressorturbin 11b och hjälp- turbin.15 är utförda som radialturbiner; Man kan härvid yt- terligare krympa konstruktionens dimensioner, bl.a. genpm att liksom i Fig. 3 hrännkammaren 12 göres horisontell beh kan läggas närmare centrum. p.g.a. de små dimensionernafiför den innanför liggande turbinen. Detta arrangemang ger möj- lighet till ytterligare ökade dimensioner för brännkammaren för lågemissionsegenskaper, förångning av tunga bränslen, eller förbränning av pulver eller pulveremulsion. Det blir här en avvägning mellan kompakthet, lågemissions- och spe- cifika bränsleegenskaper. Utförandet enligt Fig. 5 fordrar dock ett högre tryckförhållande, vilket nödvändiggör större kompressorturbin. För att hålla nere tröghetsmomentet för gasgeneratorn har här såväl kompressor som kompressorturbin utförts i ett stycke i keramik i ettlback to back" arrange- mang med framförliggande lagring 20 av "overhang" typ, men med relativt små massor p.g.a. helt integrerad rotor. Ro- torn kan här förses med konventionella lager av oljedämpad typ med god livslängd och låg arbetstemreratur. Alterna- tivt utförs konstruktionen med yttre Üfeed-back" axel, var- vid drivturbinen kan göras i ett med axel och utan hål, vilket är fördelaktigt då den här p.g.a. den iiiia diame- tern måste dimensioneras för hög hastighet. Detta medför hög utloppshastighet vid start och låga hastigheter på drivturbinen, varför transiteringen i "dubbelsnäckan" f9a blir särskilt kritisk. För detta ändamål kan endera elher 1 800-6803-4 båda väggarna vid övergången mellan snäckans båda kamrar 21 och 22 utföras med en läpp eller flik 23 med variabel geometri. Dessa kan regleras av befintliga aktivatororgan för endera driv- eller hjälpturbinens ledskenor. Utföran- de med två läpfiar 23 visas i större skala i Fig. 7. Ett sådant utförande kan i vissa fall ersätta de vridbara led- skenorna vid hjälpturbinen, då mindre krav på flexibilitet och startutväxling föreligger.

Figur 6 och 7 visar ett utförande med rent ra- diell drivturbin lä enligt Fig. 1, men i detta fall med utanförliggande, koncentrisk hjälpturbin 15a. Detta arran- gemang ger maximal effektivitet och den mest kompakta kon- struktionen.

Här har kanalen mellan drivturbin och hjälp- turbin, resp. dubbelsnäckan helt eliminerats, samtidigt som man får en naturlig diffusorverkan med mycket låg ra- diell avloppshastighet från hjälpturbinen med motsvarande låga avloppsförluster. Antalet krökar och kanallängder har minskats till ett absolut minimum, och hela driv- och hjälptlurbinsystemet består av enkla och effektiva tvådi- mensionella skovlar med i stort sett ideelltvå-dimensio- nell strömning. Systemet ger vidare maximal startutväx- ling, troligen upp till 8:1 obh däröver, samt god verk- ningsgrad i hela området.

Problemet är att konstruera en drivturbin som håller både för temperaturspänningar, temperaturchocker och centrifugalspänningar, samt med tillfredsställande tätningslabyrinter mellan turbinringarna. En ytterligare naturlig fördel med systemet är att hjälpturbinen, som är kallast, kan göras i metall, åtminstone vad gäller själva turbinskivan och i så fall genom sin relativa skivdiame- ter kan användas som naturlig roterande tröghetsmassa för monmentan och samtidig acceleration eller retardation av gasgenerator och fordon genom på känt sätt inbyggd varia- bel transmission (cvT) 30, Lex. av ståibälttyp. vad gäl- ler gasgeneratorsystemet kan detta alternativt utföras med "back to back" överhängande rotorsystem enligt Fig. 5, sooesos-4 8 med tidigare nämnda fördelar. Härvid flyttas gasgenera- torns "feed-back" transmission till framför kompressorn, varvid kompressor och turbin flyttas ihop och maximal kom- »pakthet och minimalt tröghetsmoment (integrerad keram-ro- tor-, kompressor-, turbinaxel), minimalt rotorövorhäng och minimal överhängande rotorvikt erhålls. Tillsammans med oljedämpade, fjädrande glidlager ger detta maximal drifts- säkerhet och livslängd för gasgeneratorrotorn som är s.a.s. hjärtat i systemet.

Vad beträffar det för en automotiv turbin så viktiga drivturbinsystemet, så utföres huset 3, d.v.s. stationära delar (se Fig. 9) med vridbara skovlar 32, 33, ,'vilka monteras med sina vridmekanismer nära intill varand- ra, lagrade i samma detalj, så att de båda rotororna kan' monteras med lagring och allt i sina lagerfästen direkt i transmissionsdelen. Detta resulterar i en mycket stor för- enkling vad gäller montering, inspektion och service samt driftspålitlighet.

Enligt Figur 9 är drivturbinen tillverkad i två delar med en mellanliggande flexibel tunnplåtsfixering Bü (låsring) i värmebeständigt material (dock mycket ringa materialmängd); Skovelkransen 35 är här utförd i keramiskt komfiosiumaterial, med longituaiellt riktade (ev. lindade) fibrer för max. draghållfasthet vid hög temperatur och korrosionbeständighet. Genom de även termiskt och mekaniskt hållfasthetsmässigt väl avvägda ändringarna 36 för skovlar- na sker utvidgning fullständigt likformigt på båda sidor av rotorn, i relation såväl till temperaturändringar som till varvtalsändringat (centrifugalspänningar). I förhållande till skivan erhålls god flexibilitet genom den tunna ela- stiska låsringen SÅ, vilken om så erfordras för ökad ela- sticitet kan slitsas på lämpligt sätt.

Läsning gentemot inbördes rotation mellan sko- velkrans och skiva åstadkommes genom att flikar stansade ur låslinjen får gripa in i motsvarande urtag i skiva resp. skovelkrans, vilka urtag göres direkt vid formningen (pressgjutning eller på annat sätt i grönkroppsform före 8006803-4 sintringen av skovelkrans och skiva). Skovelkransen press- gjutes lämpligen i två stycken: ring med skovlar med mini- mum av släppning, samt lös ring, som t.ex. vid HIP-process direkt sintras till delen med ring och skovlar.

Vad gäller hjälpturbinen 15a,.så utföres denna antingen på samma sätt som drivturbinen, eller medelst s.k. "Gatorizing", vilket är en högproduktiv metod för sintring av metalliska turbinhjul i höghållfast material, varvid en elastisk, "bälgliknande" tunn fjäderrinš 37 vid skivans ytterdel är formad att ge balanserad, likformig utvidgningsmöjlighet för skovelkransens båda ändringar 38, 39, och skivan var för sig. Genom den mycket tunna elastis- ka delen, här visad oproportionerligt tjock, hindras värme- ledning till skivan. Vad gäller tätningen mellan skovel- och statorelement så är denna utförd av konventionell la- byrinttyp, men med endera parten, lämpligen statorn, för- sedd med inslitningsbart, keramiskt material som flamspru- tas på.

Figur 10 visar en modifikation av utförandet enligt Fig. 5, där hjälpturbinen 15b utförtssonnaxialsteg.

Rotorerna 1Äb och 15b är förskjutna något i förhållande till varandra i axiell led, och den dubbla transiterings- snäckans 19b båda kamrar blir belägna i samma plan.

Figur 11 visar ett turbinarrangemang enligt uppfinningen med minimum av bygglängd. Axeln för "feed- back" och avlastande av kompressorturbinen innehåller här en vinkelväxel Ä0 för möjliggörande av 900-arrangemang mellan gasgeneratordel och drivenhet.

Gasgeneratornrotorn 10, 11b, är av helradial typ, "back to back" och gjord helt i keramik. Kompressor- turbin-axel har lagring 35 på kalla sidan, såsom tidiga- re beskrivits. Drivturbin lüd och hjälpturbin 15d är av radial typ, lika kompressorturbin och drivturbin enligt Fig.üü. Drivturbinen har inåtriktad strömning, vilket ger möjlighet att använda vridbara ledskenor H1 mellan planparallella väggar vilket ger förenklad konstruktion.

Anslutningen mellan gasgenerator och drivtur- aooàaos-4 1o_ bin göres via snäcka 42, vilket ger låg aerodynamisk be-' lastning på ledskovlarna 43.till drivturbinen, vilka kan göras med litet skoveltal och följande små friktionsför- luster såväl strömningsmässigt som mekaniskt. _ Hjälpturbinen 15d utförs_med radiell utåtström- ning, vilket ger minimum av kanalförluster och krökför- luster, då kröken sker i själva hjulet, vilket kan uföras med små utloppsförluster. Hjälpturbinen, som har lägst tem- peratur, har utförts med centrumhål, men detta kan om så önskas elimineras genom en yttre axel, som tidigare illu- strerats. Samma gäller gasgeneratorns "feed-back"-växel som kan placeras upptill framför gasgeneratorn, vilken är ver- tikal. Hjälpapparater kan placeras valfritt ovanpå, eller på sidan av rotorn för max. åtkomlighet med detta "feed- back"-system.

Samtliga rotorkomponenter har anpassats för ut- förande i keramik vad gäller konstruktion och aielarrange- mang samt kanal- oeh statordelar, inklusive snäckor.

Ovan beskrivna och på ritningarna visade utfö-I ringsformer får betraktas som ekempel, och ingående kompo- nenter kan varieras på olika sätt inom'ramen för efterföl- jande patentkrav, så att man allt efter specifika ford-1 ringar på installation kan utnyttja tillgängligt utrymme, för att uppnå god bränsleekonomi, låg emissionshalt och/ eller låg vikt.

Claims (10)

aoossos-4 11 PATENTKRAV

1. Gasturbinmaskineri, speciellt för fordonsdrift och omfaflnde tre på skilda axlar arbetande turbinrotorer k ä n n e t e c k n a t därav, att åtminstone enev turbin-' rotorerna(11JÄJ5)är inrättad för väsentligen radiell gasge- nomströmning samt överledande av gas till påföljande rotor med optimalt utnyttjandeav restenergi i den utströmmande gasen.

2. Gasturbinmaskineri enligt patentkrav 1, k ä n - n e t e c k'n a t därav, att den andra och tredje turbin- rotorn Ö4,15)är av radialtyp och anordnade i samma plan, varvid den andra turbinrotorn (14) har utåtriktad ström- ning och den tredje rotorn har inåtriktad strömning med axieut utlopp, (Fig. 1, ,3 h).

3. Gasturbinmaskineri enligt patentkrav 2, k ä n - n e t e c k n a t därav, att den första turbinrotorn (11) är inrättad för axiell genomströmning med överledning av gas via inre ledapparat till den andra turbinrotorn (1ü), som har större diameter än den första rotorn (Fig. 1). _

4. Gasturbinmaskineri enligt patentkrav 2, k ä n - n e t e c k n a t därav, att den första turbinrotorn (11) är inrättad för axiell genomströmning med överledning av gas direkt in i en andra turbinr0t0r'(1üa)son1har väsentligen samma diameter som den första rotorn, och är inrättad för kombinerad radiell/axiell genomströmning (Fig. 3).

5. Gasturbinmaskineri enligt patentkrav 2, k ä n - n e t e c k n a t därav, att den första turbinrotorn (11a) är inrättad för radiellt inåtriktad gasströmning med över- ledning av gas direkt till en andra rotor(14a)medväsentligen samma diameter (Fig, Ä, 5, 6 och 11).

6. Gasturbinmaskineri enligt patentkrav 5, k ä n - n e t e c k n a t därav, att den andra turbinrotorn (1Äa) är inrättad för kombinerad radiell/axiell strömning och att den tredje rotorn (15 ) är anordnad i samma plan som den andra (Fig. 4). I

7. Gasturbinmaskineri enligt patentkrav 5, k ä n - n e t e c k n a t därav, att den tredje turbinrotorn (15a) radiellt omsluter den andra rotorn, och tar emot radiellt riktat gasflöde från densamma (Fig. 8). 8006303-4 I I 1 2

8. Qasturbinmaskineri enligt patentkrav 5, k ä. n_ - - n e- t e c k n a t därav, attlden andra turbinrotorn ( mb) är inrättad för axíell g-'enomströmníng med gastransitering e till den tredje rotorn(15)via -endubbelsnäcka (19fl),'vars kamma- re ligger väsentligen i samma plan ( Fig. 5, 10). _ '

9. K Gasturbinmaskineri enligt patentkrav 8, k ä n -' nn e t e c k n a t därav, att åtminstone en av överled- ningsväggarna mellan kamrarna»(2_1,22) är formad som en sväng- bar läpp (23) (Fig. 6, 7). _ '

10. Gasturbinmaskineri enligt patentkravíl, k ä n - n e t e c k n a t därav, att den andra och tredje rotorn (11ld,1_5d)har väsentligen samma diameter' samt båda är anord- nade för radiell strömning, varvid den första rotorn (1112), SOm ävenledes är inrättad för radiell gasströmning har en axel, som är anordnad i rät vinkel mot axeln för de två senare rotorernafiltdflßd) (Fig. 11). i