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System der Gasturbinen. für leicht transportable energetische Einrichtungen
Gegenstand der Erfindung ist ein System der Gasturbinen für leicht transportable energetische Einrichtungen, bei dem in wirtschaftlich vorteilhafter Weise das Problem des Anlassens der Hauptanuiebs- einheit und des Inbetriebsetzens der gesamten Einrichtung gelöst ist.
Die Gasturbinen eignen sich wegen ihres kleinen Gewichtes und wegen nicht zu grosser Abmessungen besonders gut zur Verwendung als transportable Energiequellen, die für sehr mannigfaltige Zwecke und unter verschiedenen Betriebsbedingungen benutzt werden können. Als Beispiele können die in Form von Kraftanlagen auf Zügen oder Schiffen gebauten transportablen Kraftwerke, Baukastenzentralen oder Kraftwerke u. ähnl. genannt werden. Für derartige Einrichtungen gestaltet sich das Problem des Anlassens una des Inbetriebsetzens der gesamten Einrichtung in mancher Hinsicht ganz anders als bei den üblichen Energiequellen. Jedenfalls wird ein schnelles Anlassen und Inbetriebsetzen gefordert, wobei diese beiden Vorgänge unabhängig von den äusserenEnergiequellen und auch in denkbar ungünstigen Bedingungen ablaufen müssen.
Die oben erwähnten Probleme waren bisher gewöhnlich derart gelöst, dass zum Anlassen ein zusätzlicher Diesel-Motor verwendet wurde, der mit einem aus einer Akkumulatorenbatterie gespeistenAnlasser versehen war. Das Anlassen des Diesel-Motors kann auch mittels eines Schwungrad-Anlassers verwirklicht werden, der von Hand in Drehung gesetzt wird. Eine derartige Lösung des Problems kann nur dann als befriedigend angesehen werden, wenn die betreffende energetische Einrichtung unter üblichen Temperaturbedingungen in Betrieb gesetzt wird, sie versagt aber bei grösserer Kälte. Die Anwendbarkeit der gesamten Energiequelle wird dadurch natürlich sehr begrenzt.
Um die Bedingungen zum Anlassen der ähnlichen energetischen Einrichtungen zu verbessern, wird in der letzten Zeit die Benützung kleiner Anlassgasturbinen verschiedener Ausführung (z. B. gemäss der Schweizer Patentschrift Nr. 304145 oder der deutschen Patentschrift Nr. 849043) erwogen.
Wenn das Anlassen auch bei ausserordentlich niedrigen Temperaturen gesichert werden soll, muss die Energiequelle samt der Verbrennungsturbine mit einer besonderen Erwärmungsvorrichtung ergänzt werden, die imstande ist, die Temperatur aller Bestandteile der Einrichtung derart zu erhöhen, dass ein zuvorlässiges Anlassen ermöglicht wird. Bekanntlich ist es notwendig, nicht nur den mechanischen Teil des Aggregates, sondern auch seinen elektrischen Teil samt Zubehör beider Art genügend vorzuwärmen. Zu diesen Massnahmen gehört natürlich auch die geeignete Vorwärmung des Brennstoffes und des Schmieröls. Dadurch werden aber zugleich das Gewicht und die Anschaffungskosten der Energiequelle erhöht, abgesehen da von, dass die Bedienung und Erhaltung einer solchen Einrichtung sich viel komplizierter gestalten.
Die eben erwähnten Nachteile und Fehler der bisherigen Einrichtungen werden nach der Erfindung dadurch beseitigt, dass eine leicht transportable energetische Zentrale als ein System zweier Verbrennungturbinen von verschiedener Leistung geschaffen wird. Dabei ist die kleinere Einheit als Hilfsaggregat von niedriger Leistung ausgelegt, die als Quelle der elektrischen, mechanischen und kalorischen Energie zur Erwärmung und zum Anlassen der Haupteinheit dient. Die Niederleistungsturbine ermöglicht leichtes Anlassen sogar bei ausserordentlich niedrigen Temperaturen, das entweder von Hand, oder mittels eines kleinen elektrischen Anwurfmotors oder schliesslich mit Hilfe eines pyrotechnischen Anlassers durchgeführt werden kann.
Der elektrische Anwurfmotor kann dabei aus einer nicht zu grossen Akkumul8. torenbat-
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terie gespeist werden. Der Brennstoff in der Verbrcnn ngskammer einer solchen Turbine kann entweder elektrisch, oder mit Hilfe einer geeigneten Fackel bzw. Lunte gezündet werden. Das Anlassen kann also auch ohne Benützung der Hilfsakkumulatoren sichergestellt werden. Man soll dabei beachten, dass die Akkumulatoren. für den Betrieb bei sehr niedrigen Temperaturen äusserst ungeeignet sind. Die Gasturbine
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gesamte Einrichtung in Bau und Bedienung vereinfachen. Ausserdem kann man dadurch die verlässliche Inbetriebsetzung des Hauptaggregates auch unter den ungünstigsten Temperaturbedingungen versichern.
Der Erfindungsgegenstand soll nun an Hand der Zeichnung näher erläutert und beschrieben werden.
Fig. 1 zeigt das kalorische Schaltbild des einfachsten Systems zweierGaFturbinen nach der Erfindung.
Der axiale Kompressor 1, die Brennkammer 2 und die Turbine 3 bilden zusammen die Hauptgasturbine, die den elektrischen Generator 4 über die Kupplung 5 treibt. Zur Vorwärmung und zum Anlasser dieses Aggregates dient die Hilfsgasturbine, die aus dem Kompressor 6, der Brennkammer 7 und der Turbine 8 besteht. Dabei kann die Turbine 8 mit der Welle der Hauptgasturbine mittels der Zahnradübersetzung 9 und der ausschiebbaren Kupplung 10 gekuppelt werden. Die aus der Turbine 8 abfliessenden Auspuffgase
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mes, in welchem die energetische Zentrale untergebracht ist. Die Mischung wird auch in den Saugraum des Kompressors 1 geleitet, wodurch die Erwärmung der aus den Einheiten 1, 2 und 3 bestehenden Hauptgasturbine beschleunigt wird.
Die eben beschriebene Anordnung besitzt den Nachteil, dass zur Erwärmung des Raumes, in dem sich die energetische Zentrale befindet, die Mischung der Luft mit der. Auspuffgasen verwendet wird, was hygienisch als sieht einwandfrei zu betrachten ist. Diesen Nachteil beseitigt die in Fig. 2 veranschaulichte Anordnung, in der die Auspuffgase die Heizluft indirekt erwärmen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, besteht die Hauptgasturbine, ähnlich wie in Fig. l, aus dem Kompressor 1, der Brennkammer 2 und Turbine 3.
Die Turbine 3 treibt den elektrischen Generator 4 mittels der Kupplung 5. Die Hilfsgasturbine ist von dem Kompressor 6, der Brennkammer 7 und Turbine 8 gebildet. Mittels der Übersetzung 9 und der Kupplung 10 kann die Hilfsgasturbine zum Zwecke des Anlassens mit der Welle der Hauptga. turbine verbunden werden. Die Wärme der aus der Hilfsgasturbine abfliessenden Auspuffgase wird in dem Wärmeaustauscher i2 zur Erhitzung der Luft verwendet, die den Raum der energetischen Zentrale erwärmt. Durch Einleitung dieser erwärmten Luft in den Kompressor 1, in die Brennkammer'2 und in die Turbine 3 wird die Erwärmung des gesamten Maschinensatzes beschleunigt.
Die Erwärmung des Brennstoffes und des Schmieröls für die Hauptgasturbine wird in den in Fig. l und 2 gezeigten Fällen z. B. durch geeignete Vorwärmer gesichert, zu deren Erhitzung die Auspuffgase der Hilfsgasturbine verwendet werden.
. Falls die Hauptgasturbine mit dem Wärmeaustauscher versehen ist, kann das erfindungsgemässe System zweier Gasturbinen vorteilhaft nach Fig. 3 angeordnet werden. In Fig. 3 bedeutet 1 den Kompressor, i4
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Die Hilfsgasturbinegasturbine bei ihrer Erwärmung gedreht werden oder kann der Anlauf der Turbine 3 bei dem Anlassvorgang gesichert werden. Die aus der Turbine 8 abfliessenden Auspuffgase werden in den Hilfsyorwärmer 12 eingeführt, in dem die zur Erwärmung des Raumes der energetischen Zentrale und zur Vorwärmung der elektrischen Anlage nötige Luft erhitzt wird. Aus dem Vorwärmer 12 strömen die Auspuffgase durch die Rilck- schlagklappe oder durch eine andere geeignete Sperrvorrichtung13 in den Wmeaustauscher14derHaupt- gasturbine. Der Erw.
rmnngs- und Anlaufvorgang des soeben beschriebenen Systems ist folgender :
Zuerst wird der Anlauf der aus dem Kompressor 6, der Brennkammer 7 und der Turbine 8 bestehenden Hilfsgasturbine eingeleitet. Nach dem Anlauf dieses Teiles des Aggregates bewirkt die Zentrifugal-Kupp lung 15 das Einschalten des Generators 16, so dass für die gesamte Einrichtung der elektrische Strom zur Verfügung steht. Der elektrische Strom dient einerseits zur Erwärmung des Schmieröls und des Brennstoffes für die Hauptgasturbine, anderseits zum Antrieb der Ventilatoren, die den Umlauf der Heizluft sichern.
Die Heizluft wird von den Auspuffgasen der Hilfsgasturbine erhitzt, was in dem Wärmeaustauscher 12 geschieht. Zugleich erwärmt sich der Wärmeaustauscher 14 der Hauptgasturbine. Nachdem das Schmieröl genügend erwärmt wurde, kann die Hilfsschmierpumpe der Hauptgasturbine in Betrieb gesetzt werden, wonach das Aufdrehen und die Erwämnmg der Hauptgasturbine 3 beginnen kann. Zu diesem Zwecke wird die Kupplung 10 eingeschaltet, so dass die teilweise belastete Hilfsgasturbine mittels der Übersetzung 9 die Welle der Hauptturbine'3Jn Drehung setzt. Nun beginnt der Kompressor 1 die in dem Vorwärmer 12 er-
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wärmte Luft aufzusaugen. Die Luft wird dann noch in dem Wärmeaustauscher 14 weiter erhitzt, wodurch die schnelle Vorwärmung der Brennkammer 2 und der Turbine 3 gesichert wird.
Nachdem die gesamte Einrichtung in genügendem Masse vorgewärmt wurde (wobei die Vorerwärmung durch Zündung eines ge- eigneten Hilfsbrenners in der Brennkammer2 gesteigert werden kann), ka n der eigen. e Anlaufvorgang be - ginnen, wozu die volle Leistung der Hilfsgasturbine ausgenutzt wird.
Die in den vorherigen Abschnitten erwähnten Anordnungen stellen nur einige Beispiele der praktischen
Durchführung des erfindungsgemässen Systems zweier Gasturbinen dar, die natürlich alle Möglichkeiten der für einzelne Fälle am meisten geeigneten Kombinationen bei weitem nicht erschöpfen. So z. B. kann die Hauptgasturbine mittels einen Hilfselektromotors gedreht werden, während das Anfahren an die Anlassgeschwindigkeit durch mechanische Verbindung der Hilfsgasturbine mit der Welle der Hauptgasturbine, und zwar mit Hilfe einer geeigneten Zahnrad-Übersetzung und der Kupplung, geschieht. Die Hilfsgasturbine kann auch als ein Aggregat mit zwei Wellen ausgelegt werden, das aus einer oder mehreren selbstständigen Nutzleistungsturbinen besteht.
Weder die zuletzt erwähnten noch die andern, an sich bekannten Modifikationen der konstruktiven Gestaltung oder der kalorischen Schaltung der gesamten Einrichtung und ihrer Einzelteile haben natürlich einen Einfluss auf das Wesen der Erfindung, das auf der Verbindung zweier Gasturbinen verschiedener Leistung beruht, wobei die kleine Einheit als Hilfsquelle der mechanischen, elektrischen und kalorischen Energie zum Erhitzen und Anlassen der Haupteinheit dient. In der Regel ist die Le. istung der Hilfseinheit kleiner als 20% der Leistung der Haupteinheit.
PATENTANSPRÜCHE :
1. System der Gasturbinen für leicht transportable energetische Einrichtungen, wie z. B. für auf Zügen, Schiffen od. dgl. befindlichen Kraftanlagen, für Baukastenzentralen oder Kraftwerke u. ähnl., die aus zwei Einheiten bestehen, deren Leistungsverhältnis mindestens 1 : 5 beträgt, wobei die kleinere der beiden Einheiten zum Anlassen der grösseren dient, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinere Einheit gleichzeitig als Quelle der kalorischen Energie ausgebildet ist, die zum Vorwärmen der ganzen Einrichtung vor dem Anlassen der grösseren Einheit nötig ist.
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System of gas turbines. for easily transportable energetic facilities
The subject of the invention is a system of gas turbines for easily transportable energetic devices, in which the problem of starting the main operating unit and starting up the entire device is solved in an economically advantageous manner.
The gas turbines are particularly suitable because of their low weight and because their dimensions are not too large for use as transportable energy sources which can be used for a wide variety of purposes and under different operating conditions. Examples include the portable power plants, modular centers or power plants built in the form of power plants on trains or ships. similar to be named. For such facilities, the problem of starting and putting the entire facility into operation is in some respects quite different from that of the usual energy sources. In any case, a quick start-up and start-up is required, whereby these two processes must take place independently of the external energy sources and also in the most unfavorable conditions.
The above-mentioned problems have hitherto usually been solved by using an additional diesel engine, which was provided with a starter powered by a storage battery, for starting. The diesel engine can also be started by means of a flywheel starter that is set in rotation by hand. Such a solution to the problem can only be regarded as satisfactory if the energetic device in question is put into operation under normal temperature conditions, but it fails when it is very cold. The applicability of the entire energy source is of course very limited.
In order to improve the conditions for starting similar energetic devices, the use of small starting gas turbines of various designs (e.g. according to Swiss patent specification No. 304145 or German patent specification No. 849043) has recently been considered.
If starting is to be ensured even at extremely low temperatures, the energy source together with the combustion turbine must be supplemented with a special heating device that is able to increase the temperature of all components of the device in such a way that preliminary starting is possible. As is known, it is necessary not only to preheat the mechanical part of the unit, but also its electrical part, including accessories of both types. These measures naturally also include suitable preheating of the fuel and the lubricating oil. This also increases the weight and the cost of the energy source, apart from the fact that the operation and maintenance of such a device are much more complicated.
The above-mentioned disadvantages and faults of the previous devices are eliminated according to the invention in that an easily transportable energy center is created as a system of two combustion turbines of different power. The smaller unit is designed as an auxiliary unit of low power, which serves as a source of electrical, mechanical and caloric energy for heating and starting the main unit. The low-power turbine enables easy starting even at extremely low temperatures, which can be carried out either by hand or by means of a small electric starter motor or finally with the help of a pyrotechnic starter.
The electric starter motor can use a battery that is not too large. torenbat-
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be fed. The fuel in the combustion chamber of such a turbine can be ignited either electrically or with the aid of a suitable torch or fuse. Starting can therefore also be ensured without using the auxiliary accumulators. It should be noted that the accumulators. are extremely unsuitable for operation at very low temperatures. The gas turbine
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Simplify the entire facility in terms of construction and operation. In addition, the reliable start-up of the main unit can be ensured even under the most unfavorable temperature conditions.
The subject of the invention will now be explained and described in more detail with reference to the drawing.
Fig. 1 shows the caloric circuit diagram of the simplest system of two gas turbines according to the invention.
The axial compressor 1, the combustion chamber 2 and the turbine 3 together form the main gas turbine, which drives the electric generator 4 via the clutch 5. The auxiliary gas turbine, which consists of the compressor 6, the combustion chamber 7 and the turbine 8, serves to preheat and start this unit. The turbine 8 can be coupled to the shaft of the main gas turbine by means of the gear transmission 9 and the extendable coupling 10. The exhaust gases flowing out of the turbine 8
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mes, in which the energetic center is housed. The mixture is also passed into the suction chamber of the compressor 1, whereby the heating of the main gas turbine consisting of the units 1, 2 and 3 is accelerated.
The arrangement just described has the disadvantage that to heat the room in which the energetic center is located, the air is mixed with the. Exhaust gases are used, which is hygienic to be regarded as flawless. This disadvantage is eliminated by the arrangement illustrated in FIG. 2, in which the exhaust gases indirectly heat the heating air. As can be seen from FIG. 2, the main gas turbine consists, similarly to FIG. 1, of the compressor 1, the combustion chamber 2 and the turbine 3.
The turbine 3 drives the electric generator 4 by means of the clutch 5. The auxiliary gas turbine is formed by the compressor 6, the combustion chamber 7 and the turbine 8. By means of the translation 9 and the clutch 10, the auxiliary gas turbine for the purpose of starting with the shaft of the main gas. turbine to be connected. The heat of the exhaust gases flowing out of the auxiliary gas turbine is used in the heat exchanger i2 to heat the air which heats the room of the energy center. By introducing this heated air into the compressor 1, into the combustion chamber 2 and into the turbine 3, the heating of the entire machine set is accelerated.
The heating of the fuel and the lubricating oil for the main gas turbine is carried out in the cases shown in FIGS. B. secured by suitable preheaters, the exhaust gases of the auxiliary gas turbine are used to heat them.
. If the main gas turbine is provided with the heat exchanger, the inventive system of two gas turbines can advantageously be arranged according to FIG. In Fig. 3, 1 denotes the compressor, i4
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The auxiliary gas turbine gas turbine can be rotated when it is heated or the startup of the turbine 3 can be ensured during the starting process. The exhaust gases flowing out of the turbine 8 are introduced into the auxiliary heater 12, in which the air required to heat the room of the energy center and to preheat the electrical system is heated. The exhaust gases flow from the preheater 12 through the non-return valve or through another suitable locking device 13 into the heat exchanger 14 of the main gas turbine. The adult
The starting and starting process of the system just described is as follows:
First, the start-up of the auxiliary gas turbine consisting of the compressor 6, the combustion chamber 7 and the turbine 8 is initiated. After this part of the unit has started up, the centrifugal hitch 15 causes the generator 16 to be switched on, so that the electrical current is available for the entire facility. The electrical current is used on the one hand to heat the lubricating oil and the fuel for the main gas turbine, on the other hand to drive the fans that ensure the circulation of the heating air.
The heating air is heated by the exhaust gases of the auxiliary gas turbine, which happens in the heat exchanger 12. At the same time, the heat exchanger 14 of the main gas turbine is heated. After the lubricating oil has been sufficiently heated, the auxiliary lubrication pump of the main gas turbine can be put into operation, after which the cranking and heating of the main gas turbine 3 can begin. For this purpose, the clutch 10 is switched on, so that the partially loaded auxiliary gas turbine sets the shaft of the main turbine in rotation by means of the transmission 9. Now the compressor 1 starts the process in the preheater 12
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sucking in warm air. The air is then further heated in the heat exchanger 14, whereby the rapid preheating of the combustion chamber 2 and the turbine 3 is ensured.
After the entire device has been sufficiently preheated (whereby the preheating can be increased by igniting a suitable auxiliary burner in the combustion chamber2), this can happen. e Start the start-up process, for which the full power of the auxiliary gas turbine is used.
The arrangements mentioned in the previous sections are just a few examples of practical ones
Implementation of the system according to the invention of two gas turbines, which of course by no means exhaust all the possibilities of the combinations most suitable for individual cases. So z. B. the main gas turbine can be rotated by means of an auxiliary electric motor, while the starting speed is started by mechanically connecting the auxiliary gas turbine to the shaft of the main gas turbine, using a suitable gear ratio and the clutch. The auxiliary gas turbine can also be designed as a unit with two shafts, which consists of one or more independent power turbines.
Neither the last mentioned nor the other known modifications of the structural design or the caloric circuit of the entire device and its individual parts naturally have an influence on the essence of the invention, which is based on the connection of two gas turbines of different power, the small unit as The auxiliary source of mechanical, electrical and caloric energy is used for heating and tempering the main unit. Usually the Le. The auxiliary unit is less than 20% of the main unit's output.
PATENT CLAIMS:
1. System of gas turbines for easily transportable energy facilities such. B. for on trains, ships od. Like. Located power plants, for modular centers or power plants u. Similar., which consist of two units, the power ratio of which is at least 1: 5, the smaller of the two units being used to start the larger one, characterized in that the smaller unit is simultaneously designed as a source of caloric energy that is used to preheat the whole Setup is necessary before starting the larger unit.