Gasturbinenanlage. Die Erfindung bezieht sich auf eine Gas turbinenanlage, in welcher ein sauerstoff haltiger Teil des Arbeitsmittels in einer Brennkammer zur Verbrennung von Brenn stoff mit einem über den Atmosphärendruck erhöhten Druck herangezogen wird und die entstehenden Verbrennungsgase in einem Wärmeaustauscher zur Erhitzung eines an dern Teils des Arbeitsmittels benutzt wer den.
Insbesondere ist sie von Bedeutung für solche Anlagen, bei denen der nicht durch die Brennkammer geleitete Teil des Arbeitsmit tels nach Austritt aus der Turbine noch unter Überdruck steht und rückgekühlt wird, um wieder dem Saugstutzendes Turboverdichters der Anlage zugeführt zu werden. Die Erfin dung besteht darin, dass die an den Wärme austausch anschliessende Expansion der Ver brennungsgase und des erhitzten Teils des Arbeitsmittels in ein und derselben Turbine derart erfolgt, dass die beiden Teile des Ar- beitsmittels konzentrische Teile der Turbinen- schaufelung durchströmen.
Zweckmässig wer den hierbei die Turbinenschaufeln mit Trenn- ansätzen ausgerüstet, die in ihrer Gesamtheit eine Fläche bildend die konzentrischen Strö mungswege der beiden Teile des Arbeitsmit tels trennen. Die ringförmige Fläche, welche durch die Gesamtheit der Ansätze der Schau feln eines Schaufelkranzes gebildet wird, soll in folgendem ass Bandage bezeichnet werden.
Um zu vermeiden, dass :aus demjeni gen Teil der Turbinensehaufelung, der Ver brennungsgas verarbeitet, ein Teil dieses Gases nach dem übrigen Teil der Schaufelung übertritt, kann durch geeignete Proportionie- rung der Schaufeln dafür gesorgt werden, dass jeweils auf der Verbrennungsgasseite der Spalte zwischen den einzelnen Bandagen ein etwas niedrigerer Druck herrscht als: rauf der andern Seite.
Dadurch wird erreicht, dass stets ein kleiner Teil des übrigen Arbeits mittels in den Verbrennungs.gastel der Schau- felung überströmt, so dass umgekehrt ein Gasübertritt aus dem Verbrennungsgasteil in den übrigen Teil verhindert ist.
Im allgemei nen wird das zu verarbeitende Arbeitsmittel Luft sein, so dass im folgenden der Einfach- heit halber von einem Luft bezw. Verbren nungsgas verarbeitenden Teil der Sehaufe- lung gesprochen werden soll. Um die Spalt weite zwischen den einzelnen Bandagen möglichst gering zu halten, werden diese zweckmässig so angeordnet, dass sie einander gegenseitig überdecken.
Dabei kann die Pro- portionierung so getroffen werden, dass der den hintern Rand einer Bandage umschlie ssende vordere Rand der folgenden Bandagre dünner ist als der erstere. Es ist im allge meinen vorteilhaft, das Verbrennungsgas durch den innern, die Luft durch den äussern Teil der Schaufelung strömen zu lassen, wo bei zweckmässig die Wärmeaustauschflächen so bemessen werden, dass .das Verbrennungs gas bei seinem Eintritt in die Turbine eine tiefere Temperatur hat als die erhitzte Luft.
Es kann ferner das Verbrennungsgas derart durch die Turbine geleitet werden, dass seine axiale Geschwindigkeitskomponente kleiner ist aJs diejenige der Luft.
Ferner wird es im allgemeinen vorteilhaft sein, die Schaufelprofile im Gas verarbeitenden Teil der Schaufelung je .längs einer Schaufel un verändert zu lassen, während sieh im Luft verarbeitenden Teil dieselben längs jeder Schaufel ändern (Verdrehung der Schaufel), und zwar derart,<B>da ss</B> die Konstanz des Pro duktes aus Radius und Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit mindestens angenähert eingehalten ist. Weiter bietet es Vorteile, den ersten Leitkranz des Gas ver arbeitenden Teils einer Turbine oder einer Stufengruppe einer Turbine so zu gestalten.
da.ss ein Strömungsquerschnitt einstellbar ist. Das kann so erreicht werden, da.ss die Schau feln dieses Leitkranzes. aus Blech bestehen und in der Nähe der Ein- und Austritts- kante an verschiedenen Teilen befestigt sind, die gegeneinander verstellt werden können. Zur Verbesserung der mechanischen Eigen schaften der Schaufelung können die Fort sätze an den Schaufeln, welche in ihrer Ge samtheit eine Bandage bilden, miteinander durch Schweissung oder Lötung verbunden werden.
Fig. 1. zeiht schematisch ein Ausführungs beispiel des Erfindungsgegenstandes. Ein Hauptverdichter 1 saugt Luft durch einen Saugstutzen 2 bereits unter Überdruck (z. B. 5 ata) an, komprimiert sie und drückt sie durch den Druckstutzen 3 in einen Wärme austauschapparat 4, den Rehoperator. Durch den Ringkanal 5 des Hauptverdichters. 1 wird einer Zwischenstufe des Verdichters noch Zusatzluft unter Druck zugeführt. Im Rekaperator 4 wird die gesamte Luftmenge vorgewärmt.
Der grössere Teil der Luftmenge (zirka. 3'-4l,) gelant durch die Leitung 6 in einen weiteren Wärmeaustauscher, der aus taschenförmigen Wärmea,ustauschelementen 7 besteht. Der übrige Teil der Luft gelangt durch die Leitung, $ in die Brennkammer 9, -wo durch die Brennstoffdüse 29 Brennstoff zugeführt wird, so dass eine Verbrennung und entsprechende Temperatursteigerung stattfindet. Das Verbrennungsgas,
das in der Brennkammer 9 entsteht, hat eine Tempera tur von beispielsweise<B>1500'</B> C und strömt durch das Innere der Taschen 7. Aussen sind diese Taschen von der durch die Leitung 6 strömenden Luftmenge umspült, und zwar strömt die Luft längs den Taschen 7 in ent- gegen-esetzt:er Richtung wie .das Verbren- nun@sgas. Dadurch gibt das Verbrennungs gas einen grossen Teil seiner Wärme an die Luft ab. die alsdann mit relativ hoher Tem peratur in den Raum 10 gelangt.
Die Tem peratur der Luft im Raum 10 kann durch geeignete Bemessung der Taschen 7 so ge wählt werden, dass die Luft in der nach folgenden Turbinenschaufelung noch ohne eine besondere Kühlung der Schaufelung ver arbeitet werden kann. Das aus den Taschen 7 austretende Verbrennungsgas strömt durch den Kanal 11. in den Raum 12. Die Propor tionen werden zweckmässig so gewählt, dass das Verbrennungsgas nach Austritt aus den Taschen 7 eine etwas tiefere Temperatur hat als die Luft im Raum 10.
Die Luft strömt vom Raum 10 aus durch den äussern Teil der Turbinenschaufelung 13, während das Ver brennungsgas vom Raum 12 aus in den kon zentrisch dazu gelegenen innern Teil der Schaufelung gelangt. Die beiden konzentri schen Partien der SchaufeJung 13 werden durch die Bandagen 14a an den Leitkränzen und 14b an den Laufkränzen voneinander ge trennt. Die aus der Turbine austretende Luft ist wiederum auf einen Druck von etwa 5 ata expandiert worden, während sie bei Eintritt in die Turbine einen bedeutend höheren Druck hatte, z.
B. 25 ata. Der Druck des Verbrennungsgases vor Eintritt in die Tur bine ist, wie man aus der Schaltung ohne weiteres erkennt, im wesentlichen der gleiche, wie derjenige der Luft. Dasselbe gilt vom Druck nach Austritt aus der Turbine. Die aus der Turbinenschaufelung austretende Luft gelangt zunächst in ,den Raum 15 und von hier aus in den Raum<B>16;</B> von hier aus durchströmt sie den Rekup:erator 4 im Ge genstrom, gibt einen grossen Teil ihrer Ab wärme an die verdichtete Luft ab und wird alsdann im nachgeschalteten Kühler 17 wie der auf tiefe Temperatur gebracht.
Nach Austritt aus dem Kühler 17 wird die Luft von neuem angesaugt durch den Saugstutzen 2. Das Verbrennungsgas hingegen gelangt nach Expansion in,der Schaufelung zunächst in den Raum 18, um alsdann nach Durch strömen der Leitung 19 in einer Turbine 20, genannt Ladeturbine, bis auf den atmosphä rischen Druck expandiert zu werden. Das Verbrennungsgas verlässt durch die Abgas leitung 21 die Anlage. Die Ladeturbine 20 treibt den Ladekompressor 22, der Luft durch die Leitung 23 aus der äussern Atmo sphäre ansaugt, sie verdichtet und durch eine Leitung 24 in einen Kühler 25 fördert.
Hier wird die verdichtete Luft rückgekühlt, um alsdann durch die Leitung 26 in den anfangs erwähnten Ringkanal 5 geleitet zu werden, wo sie als Zusatzluft dem übrigen Luftstrom zugeführt wird. Derjenige Teil der gesamten Arbeitsluf t, der durch die Leitung 8 vom übrigen Teil getrennt wird, um als Verbren nungsluft zu dienen, muss, weil er die An lage als Verbrennungsgas verlässt, fortwäh rend ersetzt werden. Dies geschieht in der eben dargestellten Weise mit Hilfe des Lade verdichters 22. Die Anlage lässt sich auf sehr zweck mässige Weise regeln.
Dadurch, dass man die Drehzahl des Ladeaggregates 20, 22 je nach der Leistungsabgabe der Anlage verändert, kann erreicht werden, dass das Druckniveau der ganzen übrigen Anlage ein höheres oder tieferes ist. Lässt man alsdann die Maschinen der Hauptanlage mit einer konstanten Dreh zahl laufen, und reguliert die Brennstoffzu fuhr mit Hilfe des Regulierorganes 29ader- art, dass sich unabhängig vom Druckniveau an den verschiedenen Stellen des Arbeits prozesses ungefähr die gleiche Temperatur einstellt,
so ist eine Regelung geschaffen, die einen vom Belastungszustand nahezu unab hängigen Anlagewirkungsgrad gewährleistet. Die Anpassung der Drehzahl des Aggregates 20, 22 an (den Belastungszustand kann hier bei auf verschiedenste Weise erzielt werden. Beispielsweise kann ein Bypassventil 27 vor gesehen werden, welches gestattet, Gas di rekt von der Leitung 19 in die Leitung 21 überströmen zu lassen, also unter Umgehung der Turbine 20.
Dieses Bypassventil 27 kann beispielsweise durch einen Kolben 28a be tätigt werden, der sich in einem Zylinder 28 bewegt und einerseits einem ,Öldruck, ander seits der Kraft der Feder 28b unterworfen ist. Durch Einstellen des öldruckes kann das Bypassventil 27 verstellt und damit die Dreh zahl des Aggregates 20, 22 beeinflusst wer- den.. Gleichzeitig ist der Brennstoff. entspre chend zu regeln.
Durch den F'lanseh 30 der Hauptwelle der Anlage wird der anzu treibende Leistungsverbraucher (Generator, Schiffspropeller) angetrieben.
Fig. 2 stellt einen Ausschnitt aus der Schaufelung in grösserem Massstab -dar. Mit 31 sind dabei die Leitschaufeln bezeichnet, mit 32 die Laufschaufeln. 14a bezw. 14b sind Fortsätze an den Schaufeln, die in ihrer Ge samtheit die Bandagen bilden. 33 ist der Turbinenrotor, 34 das Gehäuse. Die Banda gen überdecken einander gegenseitig und sind so ausgebildet, dass jeweils der vordere Rand einer Bandage dünner ist als der hintere Rand der vorhergehenden Bandage, den sie umschliesst.
Die Fig. 3a und 4a zeigen Schnitte durch den Luft verarbeitenden Teil der Scha.ufelung. Der Schnitt Fi--. 3a schnei det die äussern Partien dieses Teils der Schaufelung, der Schnitt Fi--. 4a die innern Partien. Fig. 3b und 4b zeigen die entspre chenden Geschwindigkeitsdreiecke.
Es be deuten hierbei: c, die absolute Au3trittsge- schwindigkeit .aus dem Leitrad, ir, die rela tive Eintrittsgeschwindigkeit ins Laufrad, w:
, die relative. Austrittgesch-,vindigkeit aus dem Laufrad und e. die absolute Austritts geschwindigkeit aus- dem Laufrad. Die 'Um fangskomponente der Geschwindiolzeit e", ist wie ersichtlich im äussern Teil der Sehaufe- lung kleiner als im innern, und zwar sind die Verhältnisse so zu wählen, dass das Pro dukt r . c", in jedem Radius denselben Wert hat. (r bezeichnet den Radius). Dementspre chend sind die Profile der Schaufeln gestal tet.
Sie müssen also in den äussern Partien andere Formen aufweisen als in den innern.
Fi--. 5a zeigt hingegen einen Schnitt durch den Gas verarbeitenden Teil der Sehau- felung. In diesem Teil sind ,die Schaufel profile überall längs der Schaufel die glei chen.
Fig. 5b zeizt wiederum die zugehörigen Geschwindio,keitsdreieelz.e. Aus dem Vergleich der Geschwindigkeitsdreiecke nach Fi-. 3b, 4b und 51) geht hervor, dass die Axialkompo- nenten der Gesehwin:
digheiten im Gas ver arbeitenden Teil kleiner sind als im Luft ver arbeitenden Teil der Sehaufelung. Dadurch wird es ermöglicht, dem Gas verarbeitenden Teil eine genügend grosse radiale Ausdeh nung zu geben, die im Interesse eines guten Wirkungsgrades anzustreben ist.
In Fig. 4a sind die Bandagen 14a und 14b ebenfalls eingezeichnet. Zudem sind dort Schweissnähte 14e. angedeutet, durch welche die einzelnen Fortsätze an den Schaufeln, welche die Bandagen bilden, miteinander vereinigt sind.
Fig. 6 zeigt eine besondere Ausbildung des -ersten Leitkranzes des Gas verarbeiten den Teils der Schaufeleng. Korrekterweise hat nämlich die Bemessung der Strömungs- querschnitte der Schaufelung so zu erfolgen, dass auf der Luftseite der Spalte 35 zwischen den einzelnen Bandagen ein etwas höherer Druck herrscht als auf der Gasseite, so dass ein Durchtritt von Gas nach dem Luftteil der Schaufeleng vermieden. wird.
Durch kleine, oft unvermeidliche Fehler in der Berechnung und Herstellung der Schaufeleng kann es aber vorkommen, dass diese Bedingung an einer ausgeführten Maschine nicht eingehal ten ist. Bildet man aber den ersten Leit- kranz des Gas verarbeitenden Teils der Scha.ufelung gemäss Fig. 6 aus, so lässt sieh dieser Leitkranz aueli in der fertigen Ma. sehine stets so einstellen. dass die genannte Bedingung erfüllt ist.
In Fig. 6 bezeichnet t"-iederum 33 den Turbinenrotor, 34 das Tur binengehäuse. 36 ist der radia,ldurchströmte erste Leitkranz des Luft verarbeitenden Teils der Schaufelunb. Das Gas hingegen tritt durch die Üffnung 37 ein, um dann durch die Leitschaufeln 38 umo-elenkt zu werden. Die Leitschaufeln 38 bestehen aus dünnem Blech und sind in der Nähe der Ein- und Austritts kante mit Ansätzen 38ca versehen.
Mit Hilfe dieser Ansätze sind die Leitschaufeln an der Eintrittseite mit einem Doppelringstücl@ 39 verbund@ii. auf der Austrittsehe mit den Ringstricken 40 und 41 (z. B. durch Ein giessen der Ansätze). Das Doppelringstück 39 besteht aus einem äussern Ring 39a, einem innern Ring<B>391)</B> und radialen Verbindungs stegen 39c. Durch Bolzen 42 ist das Doppel- 39 mit dem Ringstück 41 einstell bar verbunden.
Das Doppelringstück 39 kann durch die Bolzen 42 in axialer Richtung ge- -enüber dem Ringstück 41 verstellt werden. Dadurch werden aber sämtliche Leitschau- feln 38 entsprechend der Stellung des Stückes 39 verbogen, und zwar derart, dass zwischen den Leitschaufeln ein um so kleinerer Durch trittsquersehnitt freibleibt, je näher das Stück 39 an das Strick 41 herangebracht wird. Dies ist aus Fi--. 7 zu erkennen. Je kleiner dieser Durchtrittsquerschnitt, desto kleiner wird der Druck des.
Verbrennungs gases vor dem ersten Laufkranz und damit werden auch sämtliche Verbrennungsgas- drücke innerhalb der Sehaufelung im glei chen Sinne beeinflusst. Zur weiteren Beein flussung des Druckverlaufes kann auch der erste Leitkranz der Ladeturbine mit einer solchen einstellbaren Schaufel versehen wer <I>den.</I>
Fig. 8 zeigt noch eine besondere Ausbil dungsform eines Leitkranzes. Die Leitschau- feln 45 zur Verarbeitung des Gases bilden mit den Fortsätzen 14a jeweils ein Stück und sind durch Nietung an den für sich her gestellten Leitschaufeln 46 des Luftteils be festigt. Mit 44 ist der Schaufelfuss der Schaufel 46 bezeichnet. Durch diese spezielle Ausführung wird die Herstellung dieser Leitkränze fabrikatorisch bedeutend erleich tert.
Da nämlich die Leitschaufeln 46, wie bereits erwähnt, zweckmässig verdreht ausge führt werden, hat man ein Interesse daran, die Fortsätze 14a und de Leitschaufeln 46 unabhängig voneinander herstellen zu kön nen, da das Vorhandensein von Fortsätzen, die mit den Schaufeln 46 aus einem Stück beständen, die Herstellung dieser Schaufeln bedeutend erschweren würde. Denn es ist bei der Herstellung verdrehter Schaufeln wün schenswert, dass wenigstens ein Ende der Schaufel frei ausläuft, das heisst nicht in einen Körper, wie zum Beispiel einen Schau felfuss oder einen Fortsatz, übergeht. Diese Bedingung ist bei den Laufschaufeln von vornherein erfüllt.
Anlagen, die gemäss der in Fig. 1 darge stellten so arbeiten, dass ein grosser Teil des Arbeitsmittels einen (allerdings nicht ge schlossenen) Kreislauf unter Überdruck be schreibt, sind bekannt; bisher hat man aber vorgeschlagen, das Verbrennungsgas und die Luft in verschiedenen Turbinen expandieren zu lassen. Die vorliegende Erfindung ge stattet nun aber in diesem Fall, eine zusätz liche Turbine zur Verarbeitung des Gases zu umgehen, was eine bedeutende Vereinfachung der Anlage mit sich bringt und zudem ihren Wirkungsgrad verbessert. Gleichzeitig ergibt sich noch die Möglichkeit, die Temperaturen des Arbeitsprozesses günstiger zu legen.
Lässt man das Gas mit tieferer Temperatur in die Turbine einströmen als die Luft, so nimmt der Rotor der Turbine, welcher der höchst beanspruchte Teil ist und in erster Linie die zulässige Höchsttemperatur bestimmt, nur die Temperatur des Gases, nicht aber die jenige,der Luft an. Die Luft bildet aber den wesentlich grössern Anteil des Arbeitsmittels, so dass aus der Tatsache, dass die Luft mit einer etwas höheren Temperatur verarbeitet werden kann, als dies sonst möglich wäre, ein beträchtlicher Gewinn an Anlagewir kungsgrad folgt.