Beschreibung Strömungsmaschine, insbesondere Turbosatz mit einer Strö- mungsmaschine und mit einer elektrischen Maschine Die Erfindung betrifft einen Turbosatz umfassend eine Strö- mungsmaschine und eine elektrische Maschine. Die Strömungsma- schine weist ein eine Anzahl von Laufschaufeln tragendes ro- tierbares Teil sowie ein eine Anzahl von Leitschaufeln tra- gendes ruhendes Teil auf, wobei zwischen den beiden Teilen ein mit einem Strömungsmedium beaufschlagbarer Strömungskanal gebildet ist. Unter Strömungsmaschine wird hier eine Turboma- schine, insbesondere eine Gasturbine oder eine Dampfturbine, ein Kompressor, ein Verdichter oder dergleichen, verstanden.

Die elektrische Maschine des Turbosatzes ist dabei beispiels- weise ein Elektromotor oder ein Generator.

Eine derartige Strömungsmaschine eines Turbosatzes umfasst ein einzelnes Laufrad oder eine Anzahl von in Axialrichtung hintereinander angeordneten Laufrädern, deren Laufschaufeln im Betrieb von einem gas-oder dampfförmigen Strömungsmedium umströmt werden. Das Strömungsmedium übt dabei auf die Lauf- schaufeln eine Kraft aus, die ein Drehmoment des Lauf-oder Schaufelrades und somit die Arbeitsleistung bewirkt. Dazu sind die Laufschaufeln üblicherweise an einer rotierbaren Welle der Strömungsmaschine angeordnet, deren an entsprechen- den Leiträdern angeordnete Leitschaufeln am ruhenden, die Welle unter Bildung eines Strömungskanals umgebenden Gehäuse, dem Turbomaschinengehäuse, angeordnet sind.

Während bei einem Turboverdichter oder einem Kompressor dem Strömungsmedium mechanische Energie zugeführt wird, wird bei einer Turbine als Strömungsmaschine dem durchfließenden Strö- mungsmedium mechanische Energie entzogen. Bei einer herkömm- lichen Turbomaschine mit einer im Betrieb rotierenden Welle und mit ruhendem Turbomaschinengehäuse erzeugt die Fliehkraft in der oder jeder an der Welle befestigten Laufschaufel eine

Zugbelastung, die einer durch die Strömungskräfte des Strö- mungsmediums hervorgerufenen Biegebelastung überlagert ist.

Damit ergibt sich eine kritische Belastung an denjenigen Stellen am Schaufelfuß und in der Welle, an denen sich die Biegezugspannung und die Zugspannung infolge der Fliehkraft überlagern. Aufgrund dieser kritischen Belastung ist die Schaufelhöhe und damit der Wirkungsgrad der Turbomaschine be- grenzt.

Eine weitere Begrenzung des Wirkungsgrades ist durch die so- genannten Radialspaltverluste bedingt. So ist bei beispiels- weise mit Deckbändern versehenen Schaufeln die statische Druckdifferenz über das entsprechende Schaufelrad in nachtei- liger Weise treibend für den über den Radialspalt zwischen dem Deckband und der Berandung des Strömungsgehäuses geführ- ten Leckmassenstrom. Dieser wiederum ist proportional dem da- durch entstehenden Radialspaltverlust. Bei einer üblichen Turbomaschine mit an der rotierbaren Welle angeordneten Lauf- schaufeln und mit am ruhenden Turbomaschinengehäuse vorgese- henen Leitschaufeln kommt erschwerend hinzu, dass sich der Radialspalt jeweils im Bereich einer vergrößerten Druckdiffe- renz befindet.

In der DE-PS 962 301 ist eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit außenliegendem Läufer beschrieben. Die Strömungsmaschine weist radial nach innen gerichtete kerami- sche Laufschaufeln und einen feststehenden beschaufelten, im Innern des Läufers angeordneten, Stator auf. Die Einspannung der keramischen Laufschaufeln erfolgt mittels radial entlang der Schaufelachse außenliegenden metallischen Befestigungs- ringen (Laufschaufelringe), die von einem radial nach außen gerichteten rotierbaren Stahlmantel umschlossen sind. Dadurch ist eine dauerhafte Befestigung für keramische Laufschaufeln erreicht, welche für die auftretenden Beanspruchungen im Be- trieb der Strömungsmaschine geeignet ist und dabei spezifi- sche Materialeigenschaften der mineralischen Stoffe, nämlich

eine relativ geringe Zereißfestigkeit aber ausreichend große Druckfestigkeit, berücksichtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Turbosatz mit einer Strömungsmaschine und einer elektrischen Maschine eine Strömungsmaschine anzugeben, deren strömungsmechanischen Verluste möglichst gering sind, so dass ein möglichst hoher Wirkungsgrad erzielbar ist. Dabei soll der Turbosatz zugleich hinsichtlich einer möglichst effizienten Übertragung der Lei- stung zwischen der Strömungsmaschine und der elektrischen Ma- schine ausgestaltet sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Turbo- satz umfassend eine Strömungsmaschine und eine elektrische Maschine, wobei die Strömungsmaschine ein eine Anzahl von Laufschaufeln tragendes rotierbares Teil sowie ein eine An- zahl von Leitschaufeln tragendes ruhendes Teil aufweist, wo- bei zwischen den beiden Teilen ein mit einem Strömungsmedium beaufschlagbarer Strömungskanal gebildet ist, wobei das ro- tierbare Teil das ruhende Teil koaxial umgibt und das rotier- bare Teil eine Rotorwicklung der elektrischen Maschine auf- weist.

Mit der Erfindung wird erstmals ein Turbosatz angegeben, bei dem sowohl ein hoher Wirkungsgrad der Strömungsmaschine als auch eine effiziente Energieübertragung von der Strömungsma- schine zu einer elektrischen Maschine oder umgekehrt erziel- bar ist. Dabei kann die Energie beispielsweise von einem elektrischen Generator aufgenommen werden. Besonders vorteil- haft erweise sich hierbei die mögliche Realisierung des Tur- bosatzes in einer Platz sparenden Kompaktbauweise, wobei die elektrische Maschine, z. B. ein Motor oder ein Generator, da- durch an die Strömungsmaschine angekoppelt wird, daß eine Ro- torwicklung der elektrischen Maschine radial außerhalb des Strömungskanals an dem rotierbaren Teil angeordnet ist. Im Gegensatz hierzu wird bei herkömmlicher Bauweise eine axial hintereinander geschaltete Anordnung von Strömungsmaschine

und elektrischer Maschine gewählt, was mit deutlich größeren Axialdimensionen des Turbosatzes einhergeht sowie mit zusätz- lichen Trag-oder Koppeleinrichtungen für das System aus elektrischer Maschine und Strömungsmaschine.

Mit dem hier angegebenen Turbosatz wird ein integriertes Sy- stem realisierbar, wobei die Vorteile eines außenliegenden Läufers wirkungsvoll ausgenutzt werden. Neben einer erhebli- chen Kosteneinsparung durch den Wegfall von Komponenten im Vergleich zu den bisher üblichen Turbosätzen (Materialeinspa- rung etc.) wird eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads des integrierten Systems aus Turbomaschine und elektrischer Ma- schine erreicht.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist dabei die elektrische Maschine, insbesondere ein Motor oder ein Genera- tor, radial außerhalb der Strömungsmaschine angeordnet. Mit dieser Ausgestaltung sind sowohl eine Rotorwicklung als auch eine Statorwicklung der elektrischen Maschine in das System vollständig integrierbar und eine sehr kompakte Bauweise des Turbosatzes wird erreicht.

Zweckmäßigerweise sind bei der Strömungsmaschine die Lauf- schaufeln an einem am ruhenden Teil drehbar gelagerten Ge- häuse, dem Turbomaschinengehäuse, befestigt. Durch Anordnung der Laufschaufeln am rotierbaren Gehäuse, dem Turbomaschinen- gehäuse, ruft beim Betrieb der Strömungsmaschine die Flieh- kraft eine Druckbelastung in der jeweiligen Laufschaufel her- vor. Die durch die Druckkraft hervorgerufene Druckspannung kompensiert wiederum zumindest teilweise die durch die Biege- belastung des Strömungsmediums hervorgerufene Biegezugspan- nung im Bereich des Schaufelfußes. Diese Kompensation führt zu einer Vergrößerung der beherrschbaren Biegebelastung, so dass insgesamt eine Vergrößerung der Schaufelhöhen realisiert werden kann.

Eine deutliche Kompensation der (Biege-) Zugspannung ermög- licht unter Umständen sogar die Verwendung neuartiger, bei- spielsweise keramischer Werkstoffe bei Hochtemperaturanwen- dungen, die aufgrund deren ausgeprägter Empfindlichkeit ge- genüber Zugspannungen bei konventioneller Bauweise nicht ein- setzbar sind. Eine Überlagerung der Druckspannung infolge der Fliehkraft und der Biegedruckspannung ist nämlich wesentlich weniger kritisch, da bei nahezu allen Werkstoffen Druckspan- nungen bis zu deutlich höheren Beträgen ertragbar sind als Zugspannungen.

Andererseits führt die Anordnung der Laufschaufeln am die Leitschaufeln umgebenden rotierbaren Teil, insbesondere am Turbomaschinengehäuse, dazu, dass sich der Radialspalt je- weils im Bereich des geringsten Druckabfalls über dem Schau- felrad befindet. Bei der Anordnung der Leitschaufeln am vom rotierbaren Gehäuse, insbesondere am Turbomaschinengehäuse, umgebenen Teil ist der Leckmassenstrom sowohl über die Leit- schaufelreihen als auch über die Laufschaufelreihen redu- ziert. Eine dadurch bedingte Verminderung der Radialspaltver- luste führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist das rotierbare Teil von einem mit dem ruhenden Teil verbundenen Außengehäuse umgeben, das sich vorzugsweise auf einem Fundament abstützt und das ruhende Teil trägt. Die Einströmung und die Abströmung des Strömungsmediums kann über einen am Strömungskanal stirnsei- tig vorgesehenen Einlaß bzw. über einen abströmseitig am Strömungskanal vorgesehenen Auslaß erfolgen. Alternativ kann das ruhende Teil nach Art einer Hohlwelle ausgebildet sein und einen Einlaß sowie einen Auslaß für das Strömungsmedium aufweisen. Diese münden dann jeweils über eine Anzahl von am Umfang des stehenden Teils verteilt angeordneten radialen Durchgangsöffnungen in den Strömungskanal ein.

Wie bereits weiter oben angesprochen, ist bei der Strömungs- maschine mit ruhender Welle und rotierbarem Turbomaschinenge-

hausse im Gegensatz zur konventionellen Bauweise mit einer auf derselben rotierenden Welle axial zur Turbine versetzt ange- ordneten elektrischen Maschine, beispielsweise ein Generator oder ein Motor, eine besonders vorteilhafte kompakte Bauweise möglich. Dazu trägt das rotierbare Teil, d. h. das rotierbare Turbomaschinengehäuse, die Rotorwicklung der elektrischen Ma- schine, während die Statorwicklung der elektrischen Maschine radial außerhalb an einem ruhenden Außengehäuse angeordnet ist. Dadurch wird im Vergleich zur herkömmlichen Bauweise eine erhebliche Reduzierung der axialen Baulänge erreicht.

Insbesondere bei einem Turbosatz geringer Leistung, bei- spielsweise einer Industrieturbine, und damit vergleichsweise geringen radialen Abmessungen, bei denen Fliehkräfte keine einschränkenden Festigkeitsauswirkungen hervorrufen, ist diese integrierte Kompaktbauweise von erheblichem Vorteil.

Vorzugsweise weist die elektrische Maschine eine Statorwick- lung auf, welche am ruhenden Außengehäuse angeordnet ist.

In bevorzugten Ausgestaltungen ist die elektrische Maschine ein elektrischer Motor oder ein elektrischer Generator.

Weiter bevorzugt ist in dem Turbosatz die Strömungsmaschine als eine Turbomaschine, insbesondere als eine Gasturbine, eine Dampfturbine, ein Kompressor oder ein Verdichter, ausge- staltet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson- dere darin, dass bei einer Strömungsmaschine, deren die Lauf- schaufeln tragendes rotierbares Teil das die Leitschaufeln tragende ruhende Teil umgibt, vergleichsweise große Schaufel- höhen und damit geringer Randzonenverluste im allgemeinen so- wie geringe Radialspaltverluste durch den günstigen Druckver- lauf im speziellen realisierbar sind, so dass insgesamt ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird. Diese Anordnung mit rotier- barem Turbomaschinengehäuse eignet sich sowohl für eine Tur- bine und einen Verdichter, insbesondere für eine Gasturbine,

bei der die Turbine und der Verdichter auch ein gemeinsames rotierbares Gehäuse aufweisen können, als auch für einen Ven- tilator oder dergleichen. Auch die Anwendung in einer Dampf- turbine ist möglich.

Darüber hinaus ist eine kompakte integrierte Bauweise für ei- nen Turbosatz mit einer Turbomaschine und mit einer elektri- schen Maschine bereitgestellt.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen : FIG 1 im Längsschnitt schematisch einen Turbosatz umfas- send eine Strömungsmaschine mit ruhender Hohlwelle und mit rotierbarem Gehäuse sowie mit einem radial außerhalb angeordneten Generator als elektrische Maschine, FIG 2 einen Turbosatz gemäß FIG 1 mit stabilem Einlaß- und Auslaßgitter am Strömungskanal, FIG 3 einen Ausschnitt III aus FIG 1 in größerem Maßstab mit einer Pfeildarstellung der Belastungen am Schaufelfuß, und FIG 4 einen weiteren Ausschnitt IV aus FIG 1 mit einem Radius/Druck-Diagramm entlang einer Lauf-und Leit- schaufel.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Strömungsmaschine 1 gemäß FIG 1 umfasst ein als Hohlwelle ausgeführtes ruhendes Teil 2 mit an dessen Umfang verteilt angeordneten und radial nach außen gerichteten Leitschau- feln 3. Diese sind in Leiträder 4 zusammengefasst, die ent- lang einer zentralen Achse 5 zueinander beabstandet angeord- net sind. Analog weist ein drehbar gelagertes Teil 6 radial nach innen gerichtete Laufschaufeln 7 in beabstandet zueinan- der angeordneten Laufrädern 8 auf. Dieses umgibt das ruhende

Teil 2 koaxial als rotierbares Gehäuse 6'und stutzt sich am ruhenden Teil 2 über Lager 9 ab.

Die Laufräder 8 sind zwischen den Leiträdern 4 angeordnet, so dass die Laufschaufeln 7 und die Leitschaufeln 3 in einem ge- meinsamen Strömungskanal 10 liegen. Der Strömungskanal 10 ist ein zwischen dem ruhenden Teil 2 und dem rotierbaren Teil 6 gebildeter Ringraum, durch den beim Betrieb der Strömungsma- schine 1 ein Strömungsmedium M, beispielsweise Gas bei einer Gasturbine, Dampf bei einer Dampfturbine oder Luft bei einem Verdichter, hindurchströmt.

Dazu ist beim Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1 das ruhende Teil 2 nach Art einer Hohlwelle ausgebildet, die einströmsei- tig einen Einlaß 11 und abströmseitig einen Auslaß 12 für das Strömungsmedium M aufweist. Über am Umfang des ruhenden Teils 2 verteilt angeordnete Durchlaßöffnungen 13 wird das Strömungsmedium M in Richtung der dargestellten Pfeile in den Strömungskanal 10 hineingeführt und stromabwärts aus diesem wieder abgeführt. Dabei wird das unter hohem Druck stehende heiße Strömungsmedium M arbeitsleistend entspannt und treibt dabei das drehbar gelagerte Teil 6 in eine Rotationsbewegung um die zentrale Achse 5 an.

Das rotierbare Teil 6 trägt die Rotorwicklung 14 einer elek- trischen Maschine, hier eines Generators 15, wobei die Sta- torwicklung 16 des Generators 15 radial nach außen versetzt an einem ruhenden Außengehäuse 17 angeordnet ist. Das Außen- gehäuse 17 ist mit dem ruhenden Teil 2 verbunden und steht auf einem Fundament 18, das einen kompakten Turbosatz umfas- send die Strömungsmaschine 1 und den Generator 15 trägt.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß FIG 2 ist das die Leitschau- feln 3 tragende Teil 2 nach Art einer ruhenden Welle ausge- führt, während das rotierbare Teil 6, d. h. das rotierbare Turbinengehäuse, analog zur FIG 1 aufgebaut ist. Das Außenge- häuse 17 stützt sich auf dem Fundament 18 über ein stabiles

Einlaßgitter 19 und ein stabiles Auslaßgitter 20 ab. Ebenso stützt sich das drehbar gelagerte Teil 6 über entlang der Achse 5 einander an gegenüberliegenden Seiten des Strömungs- kanal 10 vorgesehene Einlaß-und Auslaßgitter 19'bzw. 20'am ruhenden Teil 2 ab. Das Strömungsmedium M strömt beim Betrieb der Strömungsmaschine 1 über die Einlaßgitter 19,19' in den Strömungskanal 10 ein und verlässt diesen in abgekühltem und entspanntem Zustand über die Auslaßgitter 20,20'.

FIG 3 zeigt anhand eines Ausschnitts aus FIG 1 (vergl. III in FIG 1) mit einem Gehäuseteil des rotierbaren Teils 6 und ei- ner daran befestigten Laufschaufel 7 die mechanische Bela- stung in Form von mit Pfeilen gekennzeichneten Spannungen am Fußpunkt 21 der Laufschaufel 7. Dabei ist mit Tz die maximal vom Werkstoff ertragbare und damit zugelassene Zugspannung bezeichnet. Mit Tf ist die durch die Fliehkraft bei der Rota- tion des rotierbaren Teils 6 hervorgerufene Druckspannung be- zeichnet. Mit Tb ist die durch die Biegebelastung, die sich vereinfacht durch eine am Freiende der Schaufel 7 angreifende und durch das Strömungsmedium M hervorgerufene Kraft F reprä- sentieren läßt, maximal zulässige Biegezugspannung bezeich- net. Wie durch die Pfeile angedeutet, ergibt sich diese aus Tz und Tf.

Wie mit der Pfeildarstellung veranschaulicht, gilt : Tb=Tz-Tf und lxbW zl+lxfl. D. h., die maximal zulässige Biegezugspannung Tb ist betragsmäßig um den Betrag der entgegengesetzt gerich- teten Fliehkraft-Druckspannung If größer als die maximal vom Werkstoff ertragbare Zugspannung Tz. Die Fliehkraftbelastung kompensiert damit zumindest teilweise die Biegebelastung. Da- durch sind betragsmäßig deutlich höhere Biegezugspannungen und damit bei gleicher Kraft F deutlich größere Schaufelhö- hen h realisierbar als bei konventioneller Bauweise, bei der die maximale Biegezugspannung betragsmäßig um die Flieh- kraftspannung kleiner als die vom Werkstoff maximal ertrag- bare Zugspannung sein muß.

FIG 4 zeigt anhand eines Ausschnitts aus FIG 1 (vergl. IV in FIG 1) mit der dort beispielhaft dargestellten Turbine als Strömungsmaschine 1 ein Radius/Druck-Diagramm des statischen Druck p vor, zwischen und hinter einer Leit-und Laufschau- fel 3 bzw. 7 mit einem Deckband 22 entlang der lichten Weite oder dem Radius R des Strömungskanals 10. Der Bereich A re- präsentiert den Zustand der nahezu drallfreien Statorzuströ- mung auf die Leitschaufel 3, während der Bereich B den Zu- stand der drallbehafteten Statorabströmung hinter der Leit- schaufel 3 und vor der Laufschaufel 7 repräsentiert. Der Be- reich C repräsentiert den Zustand der Strömung hinter der Laufschaufel 7. Die entsprechenden Druckverläufe po, pi bzw. p2 sind in dem Radius/Druck-Diagramm unterhalb des Ausschnitts dargestellt.

Im Betrieb der Strömungsmaschine 1 führt die Drallströmung im Bereich B zwischen der Leitschaufel 3 und der Laufschaufel 7 zu einer Absenkung des statischen Drucks p am ruhenden Teil 2 (Reaktionsabsenkung an der Nabe) und zu einer Erhöhung des statischen Drucks p am rotierbaren Teil 7 (Reaktionsanstieg am Gehäuse). Dadurch befindet sich der Radialspalt 23 zwi- schen dem Freiende der jeweiligen Schaufel 3,7, d. h. dem je- weiligen Deckband 22 und der entsprechenden Berandung des Strömungskanals 10 im Bereich des geringsten Druckabfalls Aps über das Schaufelfreiende. Dies führt zu einer Reduzierung des Leckmassenstroms in den Schaufelreihen 4,8 und aufgrund der dadurch bedingten geringen Radialspaltverluste zu einem erhöhten Wirkungsgrad.