Die Erfindung betrifft eine Turbinenradanordnung für eine Gasturbine mit zwei aufeinanderfolgenden, gegenläufig zueinander rotierenden Turbinenlaufrädern.

Die derzeit bekannten Gasturbinen sind auf höchstmögliche Leistungen mit höchstmöglichen Wirkungsgraden ausgelegt, was zur Folge hat, dass die eingesetzten Bauteile und Werkstoffe bis an die Zu lässig keitsgrenzen belastet werden. Insbesondere gilt dies für die Turbinenschaufeln der ersten Turbinenstufe, die extremsten Beanspruchungen ausgesetzt werden, was zur Folge hat, dass sehr teure Materialien verwendet und aufwändige Kühlmaßnahmen zur Schaufelkühlung getroffen werden müssen. Dazu kommen Belastungen durch hohe mechanische Beanspruchungen durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten, vor allem aber der großen Fliehkräfte durch die hohen Drehzahlen. Insgesamt ist es dabei schwierig, Gesamtwirkungsgrade von höher als 35% zu erzielen.

Es ist im Dampfturbinenbau bekannt, stationäre Leiträder von Axialturbinen mit

Lavaldüsenkanalen auszubilden, die in einem Winkel von ca. 45° zur Umfangsrichtung ausgerichtet sind.

Aus der AT 239606 ist eine Gasturbine bekannt, bei der Verbrennungsgase über zwei entgegengesetzt orientierte Radialkanäle nach außen geführt und anschließend in Umfangsrichtung umgelenkt werden und durch lavaldüsenartige Austrittskanäle auf Schaufeln eines entgegengesetzt rotierenden Schaufelrades gelenkt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasturbine bereitzustellen, die sich gegenüber herkömmlichen Turbinen durch eine geringere Temperaturbelastung der Turbinenstufe auszeichnet und ein hohes Temperatur- und Druckgefälte von der der Brennkammer bis zu den Turbinenschaufeln in einem großen Leistungsbereich zu ermöglicht, so dass damit hohe thermische Wirkungsgrade erzielbar sind.

Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung bewirkt vorteilhafterweise, dass die thermische Energie und Druckenergie des Gases am Düseneintritt weitgehend in Strömungsenergie am Turbinenstufenaustritt umgewandelt wird. Durch die Impulskraft der Düsen wird das Turbinenlaufrad angetrieben. Das austretende Gas aus den Lavaldüsen besitzt eine sehr hohe Ström ungsge-

BESTÄTIGUNGSKOPIE schwindigkeit oberhalb von Mach 1 und wird auf die Schaufeln des in Strömungsrichtung hinteren Turbinenlaufrades geleitet, wodurch in diesem ein Moment und eine Rotation entsteht, die der Rotationsrichtung des vorderen Turbinenlaufrades entgegengesetzt ist. Die Geschwindigkeit des Gasstrahles ist dabei wesentlich größer als die Umfangsgeschwindigkeit des Turbinenlaufrades. Somit wird die aus der ersten Energiewandlung in den Lavaldüsen im Strömungsstrahl verbleibende kinetische Energie genutzt. Dabei wird das hintere Turbinenlaufrad so ausgelegt, dass die Tangentialgeschwindigkeit am Austritt idealerweise nahezu verschwindet.

Durch eine geeignete Steuerung der Belastung an jedem Laufrad z.B. über Generatoren lassen sich die Drehzahlen der beiden mit den Turbinenlaufrädern gekoppelten Rotoren beliebig einstellen, wodurch die Betriebszustände beider Systeme ohne Verstellsysteme optimal eingestellt werden können.

Durch die Erfindung können die kombinierten Belastungen thermisch, mechanisch und fliehkraftbedingt separiert werden. So erfolgt eine Entspannung in Lavaldüsen, die nahezu die gesamte thermische Energie und Druckenergie abbauen und in kinetische Energie wandeln. Die Materialbeanspruchungen reduzieren sich daher im Wesentlichen auf diesen Bereich. Die Lavaldüsen selber können aus geeigneten, temperaturfesten Materialen wie Keramiken oder Metalllegierungen gefertigt werden und den thermischen Belastungen widerstehen. Die danach noch vorliegende kinetische Energie im Gasstrahl wird durch den Impuls in der zweiten Turbinenstufe vollständig genutzt. Durch das Gegenlauf- prinzip kann die notwendige Drehzahl halbiert werden, was die fliehkraftbedingten Belastungen erheblich reduziert.

Durch das erfindungsgemäße Konzept können sehr hohe Verdichtungsverhältnisse von > 25, hohe Brennkammertemperaturen von > 2.000 °C und dementsprechend große thermische Wirkungsgrade von > 60 % und Gesamtwirkungsgrade der Gasturbine von > 50 % erzielt werden.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Spaltmaß zwischen den Laufrädern keinen wesentlichen Einfluss auf den Wirkungsgrad hat. Ferner können die Bauteile einfacher und preiswerter gefertigt werden als bei herkömmlichen Turbinen, denn es reicht eine einstufige Turbine, um die gesamte Energieumsetzung zu erzielen. Auch ist von Vorteil, dass nur an den Lavaldüsen eine Kühlung nötig ist, während ein zweites Turbinenrad ohne Kühlung auskommt, wodurch die bei herkömmlichen Turbinen durch die erhebliche Zapfluft zur Turbinenkühlung entstehenden Verluste ver- mieden werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst eine Gasturbine einen Innenrotor, auf dem außenseitig mehrere erste Schaufelreihen eines mehrstufigen Axialverdichters und das in Strömungsrichtung hintere Turbinenlaufrad angebracht sind, dass diese Gasturbine ferner eine Hohlwelle umfasst, an der innenseitig mehrere zweite Schaufel reihen des Axialverdichters angebracht sind, die in Axialrichtung alternierend zu den ersten Schaufelreihen angeordnet sind, dass ferner an der Hohlweile mindestens eine Brennkammer sowie das vordere Turbinenlaufrad angebracht sind. Da in axialer Richtung des Verdichters sich die Schaufelkränze der gegeneinander rotierenden Wellen abwechseln, sind nahezu beliebig höhere Stufenzahlen in gegenläufiger Bauweise möglich. Die Drehzahlen der beiden Wellen sind dabei vorzugsweise gleich groß. Bei bestimmten Anwendungsfällen, z.B. in einem Boostermodus, ist aber auch eine Drehzahlvarianz zwischen beiden Wellen möglich.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Zeichnung Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombinatton den Gegenstand der Erfindung, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separaten Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Es zeigen:

Figur 1 einen Axialschnitt durch eine Gasturbine als Stromerzeuger,

Figur 2: einen Querschnitt durch die Gasturbinen gemäß Figur 1 ,

Figur 3: einen Axialschnitt durch eine Gasturbine mit Peltonausführung,

Figur 4: einen Querschnitt durch die Gasturbinen gemäß Figur 3, und

Figur 5: eine perspektivische Darstellung einer Gasturbine mit Axialturbinenstufe.

In Figur 1 ist eine Gasturbine 10a im Axialschnitt dargestellt, die aus einem mehrstufigen Axialverdichter 12, einem einstufigen Radialverdichter 4, einer Brennkammer 16, einem ersten radialen Turbinenlaufrad 18 sowie einem zweiten radialen Turbinenlaufrad 20 besteht. Die beiden radialen Turbinenlaufräder 18, 20 bilden zusammen eine einstufige gegenläufige Turbine. Jeder zweite Schaufelkranz des Axialverdichters 12 sowie das zweite Turbinenlaufrad 20 sind gemeinsam auf einem Innenrotor 22 montiert, der sich über Lager 24 auf einer feststehenden Achse 26 abstützt. Auf dem Innenrotor 22 ist ferner der Läufer 28a eines ersten Generators befestigt, dessen außen liegender Stator nicht dargestellt ist.

Ein hohlwellenförmiger Außenrotor 30 trägt innenseitig die jeweils anderen Schaufelkränze des Axialverdichters 12, ferner den Schaufelkranz des Radialverdichters 14, die Brennkammer 16 sowie das erste Turbinenlaufrad 18. Der Außenrotor 30 stützt sich über ein erstes Lager 32a auf der feststehenden Achse 26 und ein zweites Lager 32b auf dem Innenrotor 22 ab. Dazu ist der Außenrotor 30 über einen ersten Schaufelkranz 34 mit einer Rotornabe 36 verbunden, die über das vordere Lager 32a auf der Welle 26 abgestützt ist. Radial außen ist auf dem Außenrotor 30 ein Läufer 28b eines zweiten Generators befestigt, dessen außen liegender Stator nicht dargestellt ist.

Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch die Gasturbine 10a gemäß Figur 1 in axialer Höhe der Turbinenlaufräder 18, 20, wie durch den Pfeil II dargestellt. In Figur 2 ist ein Kranz von Formteilen 40 des ersten Turbinenlaufrades 18 (Figur 1) dargestellt, die eine Form aufweisen, dass sich zwischen diesen Strömungskanäle 42 jeweils mit dem Querschnitt einer Lavaldüse ausbilden. Die Strömungskanäle 42 umfassen im Wesentlichen radial ausgerichtete Gaseinlässe 43 und im Wesentlichen in Tangential- oder Umfangsrichtung ausgerichtete Gasauslässe 45. Die Laval-Querschnittsform der Strömungskanäle 42 liegt vorzugsweise nur in einer Richtung, nämlich der Umfangsrichtung vor, während in Axialrichtung ein konstanter Querschnitt vorliegt. Alternativ ist es auch möglich, die Form der Formteile 40 so zu gestalten, dass auch in Axialrichtung eine Querschnittsveränderung erfolgt. Die Formteile 40 sind vorzugsweise an einer Endscheibe 41 angeformt, welche den Strömungskanal für den Gasstrom in axialer Richtung abschließt.

Radial außerhalb der Formteile 40 sind äußere Turbinenschaufeln 44 des zweiten Turbinenlaufrades 20 angeordnet, die von der durch die Strömungskanäle 42 mit Überschall austretenden Gasströmung beaufschlagt werden und dabei in Drehung entgegengesetzt zum ersten Turbinenlaufrad 18 versetzt werden.

Im Betrieb wird bei der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Gasturbine 10a Luft in den am ersten Schaufelkranz 34 befindlichen Einlass gesaugt und durch den Axialverdichter 12 verdichtet. Der Axialverdichter 12 verdichtet über die beiden entgegengesetzt rotierenden Wellen 22 und 30 mit den daran befestigten alternierend angeordneten Schaufelreihen die Luft. Stromabwärts des Axialverdichters 12 wird der Luftstrom nach radial außen umgelenkt und gelangt in den Schaufelkranz des einstufigen Radialverdichters 14, über den der Druck weiter erhöht wird. Hinter dem Austritt des Radialverdichters 14 wird der Luftstrom wieder nach radial innen umgelenkt und gelangt in den Einlass der rotierenden Brennkammer 16, in der Brennstoff eingespritzt und das Luft-Brennstoffgemisch verbrannt wird. Stromabwärts der Brennkammer 16 wird der Gasstrom erneut nach radial außen umgelenkt und gelangt in das erste Turbinenlaufrad 18. Die im Querschnitt Lavaldüsenförmigen Strömungskanäle 42 (Figur 2) des ersten Turbinenlaufrades 18 beschleunigen den Gasstrom auf mehr als Mach 1 , lenken diesen in Umfangsrichtung um und stoßen den Gasstrom dann überwiegend in Umfangsrichtung aus. Durch den entstehenden Drehimpuls wird das erste Turbinenlaufrad 18 in Figur 2 betrachtet entgegen dem Uhrzeigersinn in Drehung versetzt. Der Überschallgasstrom prallt anschließend auf die äußeren Turbinenschaufeln 44 des zweiten Turbinenlaufrades 20 und wird dort umgelenkt, die dementsprechend umgekehrt zum ersten Turbinenlaufrad 18 rotiert.

Die Rotation des ersten Turbinenlaufrades 18 wird über die Außenwelle 30 auf den Radialverdichter 14 sowie die außenrotorseitigen Schaufelreihen der Axialverdichter 12 und den Generatorläufer 28b übertragen. Die entgegengesetzte Rotation des zweiten Turbinenlaufrades 20 wird auf den Generatorläufer 28a und über den Innenrotor 22 auf die in- nenrotorseitigen Verdichterschaufeln des Axialverdichters 12 übertragen.

Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Gasturbine 10a dient zur Erzeugung elektrischer Energie. Alternativ kann diese auch für andere Anwendungen, z.B. als Triebwerk eines Kraftfahr-, See- oder Luftfahrzeugs verwendet werden. Die Generatorläufer 28 können auch als Anlasser für die Wellen 22, 30 betrieben werden.

Die Figuren 3 und 4 zeigen eine Gasturbine 10b, bei der im Gegensatz zur Ausführung gemäß der Figuren 1 und 2 nur eine einstufige Peltonturbine zur Anwendung kommt. Gleiche Bezugszeichen wie in den Figuren 1 und 2 bezeichnen gleiche Bauteile.

Auch die Gasturbinenausführung 10b umfasst einen mehrstufigen Axialverdichter 12, der eine Hohlwelle 30 umfasst, an der in Axialrichtung jede zweite Schaufelreihe befestigt ist. Dazwischen sind Schaufelreihen vorgesehen, die an einem Hauptrotor 52 befestigt sind. Der Hauptrotor 52 ist mittels Lager 24 einerseits an der Achse 26 und andererseits an einem nicht gezeigten Gehäuse gelagert. Am Hauptrotor 52 ist ferner ein Peltonturbinenrad 54 angeformt, das in Figur 4 im Querschnitt dargestellt und weiter unten näher erläutert wird. Am Hauptrotor 52 ist ferner ein Befestigungsflansch 56 zur Abführung der erzeugten Leistung vorgesehen. Die Hohlwelle 30 umfasst einen Schaufelkranz eines Radialverdichters 14 und ist mit einer rotierenden Brennkammer 16 sowie einem Düsenlaufrad 58 verbunden. Ein erster Schaufelkranz 34 verbindet die Hohlwelle 30 mit einer Nabenwelle 60, die wiederum mittels eines vorderen Lagers 32a am nicht gezeigten Gehäuse abgestützt ist. Am anderen Ende stützt sich das Düsenlaufrad 58 mittels des Lagers 32b am Hauptrotor 52 ab. An der Nabenwelle 60 ist in analoger Weise wie am Hauptrotor 52 ein Befestigungsflansch 62 zur Abführung der erzeugten Leistung vorgesehen.

In Figur 4 ist das Düsenlaufrad 58 im Querschnitt dargestellt, das eine Anzahl von Düsen 64 aufweist, die eine überwiegend tangentiale Ausströmungsrichtung aufweisen. Diesen gegenüberliegend weist das Peltonturbinenrad 54 eine Anzahl über dem Umfang verteilte Peltonschaufeln 66 auf, die von den Düsen 64 beaufschlagt werden.

Im Betrieb tritt der Luftstrom durch den ersten Schaufelkranz 34 in den mehrstufigen Axialverdichter 12 ein und wird dort verdichtet. Anschließend erfolgt eine weitere Verdichtung im Radialverdichter 14, von wo der Luftstrom der mitrotierenden Brennkammer 16 zugeführt wird. Dort wird Brennstoff zugefügt und das Gemisch verbrannt. Die Verbrennungsgase strömen durch die Düsen 64 und von dort beaufschlagen diese die Peltonschaufeln 66. Dadurch wird das Düsenlaufrad 58 in Figur 4 gesehen entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht, während das Peltonturbinenrad 54 im Uhrzeigersinn gedreht wird. Die Drehung des Düsenlaufrades 58 wird auf die Hohlwelle 30 übertragen und über den Schaufelkranz 34 und die Nabenwelle 60 auf den Befestigungsflansch 62. Analog wird die Drehung des Peltonturbinenrades 54 über den Hauptrotor 52 auf den Befestigungsflansch 56 übertragen.

Die Figur 5 zeigt eine Gasturbine 10c, bei der im Gegensatz zur Ausführung gemäß der Figuren 1 und 2 die zweite Turbinenstufe 20b als Axialstufe und nicht als Radialstufe ausgebildet ist. Gleiche Bezugszeichen wie in den anderen Figuren bezeichnen gleiche Bauteile. Bei dieser Ausführung ist ein Luftzufuhrkanal 80 vorgesehen, der erhitzte Luft aus einer Brennkammer oder einem Wärmetauscher zuführt und die erste radiale Turbinenstufe 18 beaufschlagt. Im stromabwärtigen Bereich weist die Turbinenstufe 18 eine Kanalkrümmung 82 in die axiale Richtung so dass die Gasströmung die Turbinenstufe 18 mindestens weitgehend ohne radiale Geschwindigkeitskomponente verlässt und die zweite axiale Turbinenstufe 20b beaufschlagt. Die erste Turbinenstufe 18 weist dabei lavaldüsenartige Strömungskanäle 42 auf. Stromab der axialen Turbinenstufe 20b befindet sich ein Gasaustrittskanal 84. In einer Variante kann die Turbinenstufe 18 mit dem Luftzufuhrkanal 80 verbunden sein und in einer zweiten Vanante ist die Turbinenstufe 8 vom Luftzufuhrkanal 80 getrennt und somit bildet der Luftzufuhrkanal 80 auch das Gehäuse der Gasturbine.