Gasturbinenanlage. Es sind Gasturbinenanlagen bekannt, welche aus einem oder mehreren, zur Ver dichtung des frischen Arbeitsmittels (Luft) dienenden Verdichtern., aus einer den Brenn stoff dem Arbeitsmittel zuführenden Ein richtung und aus dem zur Verbrennung die ses Brennstoffes geeigneten Verbrennungs raum, sowie aus der zur Entspannung des verdichteten Arbeitsmittels nach Wärmezu fuhr dienenden Gasturbine bestehen, und bei welchen die Regelung der Leistung der Gas turbine dadurch geschieht,
dass die Tempe ratur des in die Turbine eintretenden Ar beitsmittels bezw. die eingeführte Wärme menge geändert wird. Bei einer Anzahl die ser bekannten Anlagen wird zur Übertra- gung der Wärme der aus der Turbine aus tretenden Gase auf das verdichtete Arbeits mittel auch eine Wärmeaustauschvorrichtung angewendet.
Die Verwirklichung der Leistungsrege lung in dieser Weise ist mit dem Nachteil verbunden, dass mit der Verminderung der eingeführten Wärme auch die Temperatur des sich in der Turbine entspannenden Ar beitsmittels vermindert wird, und deshalb der thermische Wirkungsgrad der Anlage ver schlechtert wird. Die Verschlechterung des Wirkungsgrades ist um so grösser, in je grösserem Masse zwecks Erreichung einer ge wissen Teilbelastung die Temperatur des sich in der Turbine entspannenden Gases vermindert werden muss.
Mit Rücksicht darauf, dass der sich in der Turbine einstellende Druckabfall bei die Turbine in einer gegebenen Zeitdauer durch strömendem Gasgewicht um so kleiner ist, je kleiner der Rauminhalt des in die Turbine einströmenden Gases, d. h. je kleiner die Temperatur des einströmenden Gases ist, entsteht hinsichtlich des Wirkungsgrades der nachteilige Umstand, dass bei verminderter Wärmeeinführung auch der Druckabfall der Turbine, und somit der Gegendruck des Ver- dichters abnimmt, und deshalb das Volumen der mittels des Verdichters minutlich geför derten Luft in hohem Masse zunimmt.
Dem zufolge, obwohl mit Verminderung der ein geführten Wärme die Leistung der Anlage in abnehmendem Sinne beeinflusst werden kann, wird dieser Vorgang durch die Zu nahme der durchströmenden Gasmenge in entgegengesetztem Sinne beeinflusst, d. h. wird zur Erreichung einer begebenen Teil belastung eine Temperaturverminderung höheren Masses erforderlich.
Dieser Umstand wird besonders im Falle der Verwendung von Verdichtern mit der sogenannten flachen Druck - Volumencha.nikteristik unangenehm. worunter solche Verdichter zii verstehen sind, bei welchen im Falle der Verminderung des erzeugten Überdruckes die prozentuale Zunahme des geförderten Gasvolumens grö sser ist, als die prozentuale Ahnahme des L berdrucl,:
es. Es kann auch der Fall vor kommen, da-ss die Verminderung der Leistung mit der Verminderung der eingeführten Wärmemenge tvegen der flachen Charakte ristik des Verdichters nur in sehr geringem Masse gelingt, weshalb bei einer Teil belastung zufolge der unzulässigen Tempe raturabnahme der Wirkungsgrad sehr emp findlich abfällt.
Auf Grund dieser Erkenntnis ist die ci-- findungsgemässe Gasturbinenanlage mit e inein Verdichter versehen, dessen 1)rue kvolunie n charakteristik derart steil ist. dass in der Uni- gebung des normalen Betriebszustandes bei Änderung des Gegendruckes die prozentuale Änderung des geförderten Gasvolumens kleiner als die prozentuale Änderung des Gegendruckes ist.
Die mit. einem derartigen Verdichter ausgerüstete ()'rasturliinenanlage arbeitet bei abnehmenden Belastungen zu folge des geringeren Masses der sich einstel lenden Temperaturabnahme mit einem we sentlich günstigeren 'Wirkungsgrad, als die mit einem Verdichter mit flacher Charakte ristik ausgerüstete Gasturbinenanlage.
Fig. 1 der Zeichnung zeigt schematisch einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Gasturbinenanlage; in Kurve<B>C</B> der Fig. ? ist die Druck-Volu- inencharakteristik eines gewöhnlichen Zen trifugalverdichters, und in Kurve C" der selben Figur die Druck-Volumencharakte- ristik des zur Anlage gehörenden Verdichters ersichtlich; schliesslich stellt Fig. 3 einen Querschnitt der Schaufeln des Verdichters dar.
Bei der Anlage gemäss Fig. 1 ist 1 das Gehäuse des Verdichters. dessen Läufer in den Lagern ? und 3 gelagert ist. Der Ver- dichterrotor ist durch die -N#@'ellenl#.tippltin" 5 mit dem in den Lagern 7 und 8 des Tur binengehäuses 6 gelagerten Turbinenläufer 9 gekuppelt. Im Verdicht.ergehäuse 1 befin den sich die Leitschiiufelkr*,inze 10 des Ver dichters, während die Arbeitsschaufelkränze 11 desselben am Verdichterläufer 4 befestigt sind.
Die Leitschaufelkränze 1? der Turbine sind im Turbinengehäuse 6. die Arbeits- schaufelkränze 13 dagegen am Turbinen liiufer 9 angebracht. Die Nutzleistung kann ain Wellenende<B>14</B> abgenommen werden.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Brennstoff mit Hilfe der Brenner oder Zerstäuber 1 5 in die Brennkammer 16 eingefiihrt, wo die Verbrennung stattfindet. Zur Ausnutzung der noch in den aus der Turbine austretenden entspannten Gasen enthaltenen Wärme ist die Wärmeaustausch- v orrichtung 177 vorgesehen. mittels welcher die Wärme auf das verdichtete Arbeitsmittel iibertragen wird. Mit Hilfe des Drosselventils 18 wird die in den Verdichter eintretende Luftmenge geregelt.
Diese Anlage arbeitet in der folgenden Weise: Die Luft tritt in den Verdichter durch den Saugstutzen 19 ein, und verlässt den selben in verdichtetem Zustande beim Druck stutzen ?0. Die Luft durchströmt danach den Wärmeaustauscher 17, in welchem sie einen Teil des Wärmeinhaltes der aus der Turbine austretenden entspannten Gase übernimmt. hie Luft gelangt sodann in die Brennkammer 16, in welcher der eingeführte Brennstoff, wenigstens zum Teil, verbrennt; die Verbrennung kann eventuell auch noch in der Turbine fortgesetzt werden. Die Brennprodukte treten beim Eintrittsstutzen 21 in die Turbine ein und verlassen sie nach Entspannen durch den Austrittsstutzen 22.
Das aus der Turbine austretende Gas ge langt danach in den Wärmeaustauscher 17, wo es seine Wärme der verdichteten Luft abgibt, und entweicht schliesslich durch den Kanal 23 ins Freie. Die Regelung der Lei stung dieser Gasturbinenanlage findet durch Änderung der eingeführten Brennstoffmenge statt, und dementsprechend ist im Falle ver minderter Nutzleistung auch die Tempera tur des in der Turbine sich entspannenden Gases niedriger als bei Vollast. Wird als Verdichter ein üblicher Zentrifugalverdichter angewendet, so zeigt die Charakteristik des selben den an der Kurve C' der Fig. 2 er sichtlichen Verlauf.
Auf der Ordinatenachse dieser Charakteristik ist das Verhältnis des durch den Verdichter erzeugten Überdruckes (p p() zum Anfangsdruck p", auf der Abszissenachse dagegen das Volumen der sekundlich geförderten Luft aufgetragen; im folgenden wird unter "Druckverhältnis" immer der entsprechende Wert des in bezug auf den Überdruck angegebenen Verhältnis ses verstanden. Die eingezeichnete Kurve be zieht sich auf eine konstante Umlaufzahl des Verdichters.
Wenn der normale Betriebs punkt eines solchen Verdichters der auf der Kurve mit A bezeichnete Punkt ist, so wird im Falle einer flachen Druck- Volumencharakteristik in der Umgebung des normalen Betriebszustandes bei einer Ver minderung des erzeugten Druckverhältnisses um etwa 10 vH das geförderte Volumen z. B. um 20 vH der normalen Förderung zuneh men.
Dieser Fall tritt im Laufe der Rege lung der Gasturbinenanlage ungefähr dann ein, wenn die Temperatur des in die Turbine eintretenden Gases von 450 C auf 375 C fällt; demzufolge nimmt die Nutzleistung der Turbine in einem wesentlich geringeren Masse als erwünscht ab, wodurch eine weitere Temperaturerniedrigung erforderlich wird.
Auf Kurve C" der Fig. 2 ist die Cha- rakteristik eines Verdichters mit steiler Cha- rakteristik ersichtlich. Die Ordinaten stellen auch in diesem Falle das erzeugte Druck verhältnis, und die Abszissen das angesaugte Volumen dar. In der Umgebung des dem normalen Betriebszustand entsprechenden Punktes A verursacht in diesem Falle eine Druckverhältnisänderung von 10 vH im vom Verdichter eingesaugten Volumen nur eine sehr geringe Änderung, z.
B. eine Änderung von 5 vH. Als solche Verdichter mit steiler Charakteristik eignen sich z. B. diejenigen Verdichter, bei welchen die aufeinanderfol genden Schaufelkränze unmittelbar neben einander angeordnet sind und der mittlere Durchmesser irgend eines Leit- oder Arbeits schaufelkranzes mindestens angenähert dem Mittelwert der mittleren Durchmesser der be nachbarten Schaufelkränze gleich ist, und bei welchen die Schaufeln den aus der Aero- dynamik bekannten Flügelprofilen ähnlichen Querschnitt haben,
da bei diesen Verdichtern die Möglichkeit besteht, die Form der Cha rakteristik durch entsprechende Einstellung der Schaufeln beeinflussen zu können. Ein. derartiger Verdichter kann von der achsial durchströmten Type sein, wie beispielsweise auch in Fig. 1 dargestellt ist, jedoch kann der Verdichter auch von der radial durch strömten Type sein; es können auch solche Verdichter .sein, welche zwischen diese zwei Grenzfälle fallen.
Fig. 3 zeigt den Querschnitt der Schaufe- lung eines derartigen, achsial durchströmten Verdichters mit steiler Charakteristik. Die Pfeile I und II stellen die Richtung der Umlaufgeschwindigkeit der Arbeitsschaufel kränze 24 bezw. 25 dar, während Pfeilrich tung III die Richtung der Meridiankompo- nente der Durchströmungsgeschwindigkeit ist.
Die Schaufelkränze 26 und 2 7 sind Leit- schaufelkränze. Versuche haben gezeigt, dass ein Verdichter mit steiler Charakteristik dann einen guten Wirkungsgrad aufweist, wenn die Winkel ss, bezw. ss2 zwischen der Sehne C-C bezw. <B>D -D</B> der Profile der Leit- und Arbeitsschaufelkränze (die zur konkaven Seite der Schaufelprofile gelegte Tangente)
und der Umlnufxichtung grösser als<B>30',</B> jedoch kleiner als 75 sind. Zweck- mässiger-weise werden die Winkel ss, und ,B_ gleich gross gemacht. Bezüglich der Steilheit ist die Verwendung vieler Stufen und grosser Umfangsgeschwindigkeit vorteilhaft, jedoch kann eine Charakteristik von genügender Steilheit bereits mit vier Stufen erreicht wer den.
Ein weiterer Vorteil derartiger Verdichter besteht darin, dass dieselben auch als selbstän- dige Maschine mit einem sehr guten Wir kungsgrad hergestellt werden können, wel- eher Umstand besonders bei Crasturbinen- anlagen eine erstrangige Wichtigkeit besitzt.
Eine Regelung mit sehr befriedigendem Wir kungsgrad kann erhalten werden, wenn die Charakteristik des Verdichters von solcher Steilheit ist, dass bei einer Abnahme des dem normalen Betriebszustand entsprechenden Druckverhältnisses um 10 vH die Zunahme des vom Verdichter angesaugten Volumens 5 vH nicht überschreitet.