Gasturbinenanlage, in welcher mindestens ein Teil des Arbeitsmittels einen Kreislauf ausführt. Die Erfindung bezieht sich auf eine Gas turbinenanlage, in' welcher mindestens ein Teil des Arbeitsmittels einen Kreislauf aus führt, dessen Druckniveau je nach der Be lastung der Anlage verschieden hoch einge stellt wird. Die Erfindung besteht darin, dass das zur Hebung des Druckniveaus bei Be lastungszunahme notwendige Arbeitsmittel mindestens teilweise zwischen zwei Turbinen stufen dem Kreislauf zugeführt wird. Es empfiehlt sich, eine zur Anpassung an eine Belastungsabnahme vorgesehene Umgehungs leitung an die gleiche Stelle des Kreislaufes anzuschliessen wie die zur Zufuhr des Ar beitsmittels dienende Leitung.
Zwei Ausführungsbeispiele des Erfin dungsgen enstandes sind auf der Zeichnung vereinfacht dargestellt. Fig. 1 zeigt eine An lage, bei der die gesamte Arbeitsmittelmenge einen Kreislauf beschreibt, und Fig. 2 eine Anlage, aus deren Kreislauf ständig eine Teilmenge von Arbeitsmittel entnommen und hiefür ständig eine Ersatzmenge von Luft zugeführt wird.
Das vom Niederdruckverdichter 1 (Fig.1) verdichtete Arbeitsmittel gelangt durch den Zwischenkühler 2 in den Hochdruckverdich ter 3 und wird, nachdem es auf den höchsten Betrie'bsdruek verdichtet ist, im Wärmeaus- tauscher 4 vorgewärmt. Aus dem Wärmeaus- tauscher 4 strömt das Arbeitsmittel in den Erhitzer 5 weiter, in welchem es auf die höchste Betriebstemperatur gebracht wird. Das verdichtete und erhitzte Arbeitsmittel strömt dann in die Hochdruckturbine 6 und anschliessend in die Niederdruckturbine 7.
Nach der Entspannung gelangt das Arbeits mittel in den Wärmeaustauscher 4, in wel- ehem es einen Teil seiner Restwärme an das aus dem Hochdruckverdichter 3, kommende Arbeitsmittel abgibt. Ein weiterer Teil der Restwärme wird im Kühler 8 an ein Kühl mittel abgeführt, worauf das Arbeitsmittel von neuem dem Niederdruckverdichter 1 wie der zuströmt. Das gesamte Arbeitsmittel wird somit in einem Kreislauf umgeführt, dessen Druckniveaus je nach der Belastung der An lage verschieden hoch eingestellt werden kann.
Die Verdichter 1 und 2 und die Turbinen 6 und 7 besitzen gemeinsam eine Welle, an selche auch der Stromerzeuger 25 gekuppelt ist, der die Nutzleistung der Anlage nach aussen abgibt.
Dem Gaserhitzer 5 wird durch die Lei tung 30 Brennstoff zugeführt und durch das Gebläse 31 und die Leitung 32 Verbren nungsluft zugeführt. Die Menge des Brenn stoffes kann durch ein Ventil 33 der Be lastung entsprechend eingestellt werden.
Ein durch den Motor 19 angetriebener Verdichter 18 fördert aus der Atmosphäre Luft in einen Speicherbehälter 9, der mit verschiedenen Stellen des Kreislaufes verbun den ist. Über die Leitung 10 besteht eine Verbindung mit der Stelle 12 der von der Hochdruckturbine 6 zur Niederdruckturbine 7 führenden Leitung. Eine weitere Verbin dung kann über die Leitungen 13 und 14 mit einer Stelle des Kreislaufes hergestellt wer den, an welcher der Druck ungefähr den niedrigsten Wert aufweist, während über die Leitungen 13 und 15 eine Verbindung mit der Stelle hergestellt werden kann, an wel cher der Druck ungefähr den höchsten Wert erreicht.
An die Stelle 12 in der die Turbinen 6 und 7 verbindenden Leitung ist noch eine U mgehungsleitung, 20 angeschlossen, welche das im Kreislauf strömende Arbeitsmittel unter Umgehung der Niederdruckturbine 7 unmittelbar in den als Rekuperator arbeiten den Wärmeaustauscher 4 leitet. Zur Ent- iiahme von Arbeitsmittel aus dem Kreislauf ist an den Niederdruckverdichter 1 eine Ent nahmeleitung 22 und an die Hochdrucktur bine 6 eine Entnahmeleitung 23 ange schlossen.
Die in den Verbindungsleitungen 10, 14 und 15 angeordneten Regelorgane 11, 16 und 17, das in der Umgehungsleitung 20 angeord nete Regelorgan 21, das in der Brennstoff leitung 30 angeordnete Regelorgan 33 und die in den Entnahmeleitungen 22 und 23 angeordneten Regelorgane 34 und 35 werden durch den Fliehkraftregler 24 beeinflusst.
Bei einer raschen Belastungssteigerung fällt zunächst die Drehzahl, wodurch der Regler 24 die Ventile 11, 16 und 17 je nach der Grösse des Drehzahlabfalles stärker oder weniger stark öffnet, um dem Kreislauf zur Hebung des Druckniveaus Arbeitsmittel zu zuführen. Durch die Leitung 10 wird ein <B>Teil</B> des zuzuführenden Arbeitsmittels an der Stelle 12 zwischen der letzten Stufe der Hocldruckturbine und der ersten Stufe der Niederdruckturbine in den Kreislauf einge führt. Weitere Teilmengen werden durch die Leitung 14 an der Stelle niedrigsten Druckes und durch die Leitung 15 an der Stelle höch sten Druckes in den Kreislauf eingeführt.
Die zwischen den Turbinenstufen eingeführte Teilmenge bewirkt einen sofortigen Druck- anstivg an der Stelle des Arbeitsmittelkreis laufes, an welcher unmittelbar die mecha nische Arbeit zum Antrieb des Verdichters und der Nutzleistungsmaschine erzeugt wird. Die gleichzeitige Zufuhr durch die Leitun gen 14 und 1 5 bewirkt einen Druckanstieg in den übrigen Teilen des Kreislaufs. Nach Massaübe der Drucksteigerung nimmt die durch die Turbinen 6 und 7 entwickelte Lei stung zu, so dass die Drehzahl wieder an steigt. Hat die Drehzahl den vorgeschriebe nen Sollwert wieder erreicht, so ist die Lei stung der Anlage auf das verlangte Mass an gestiegen.
Durch den Fliehkraftregler 24 werden dann die Regelorgane 11, 16 und 17 wieder geschlossen. Durch die gleichzeitige Zufuhr von Luft an mehreren Stellen des Kreislaufes werden vorübergehende Ände- runo,,en der Druckverhältnisse vermieden. Es empfiehlt sich, bei geringeren Drehzahl- abweicliungen, d. h. bei kleinen Änderungen der Belastung die Regelorgane 16 und 17 weniger stark zu öffnen als das Regelorgan 11, um Üherregelungen und damit eintre tende Schwankungen zii vermeiden.
Bei grö sseren Veränderungen der Belastung können alle Regelorgane in gleichem Mass geöffnet werden. Bei einer raschen Belastungsabnahme steigt zunächst die Drehzahl der Maschine. Dadurch werden mit Hilfe des Reglers 24 die Ventile 21, 34 und 35 in der Umgehungs leitung 20 bezw. in den Entnahmeleitungen 22 und 23 geöffnet. Die durch das Ventil 21 hierbei freigegebene Umströmung um die Niederdruckturbine 7 verursacht eine augen blickliche Abnahme der Turbinenleistung, während die Entnahme durch die Ventile 84 und 35 ein allmähliches Absinken des Druckniveaus im Kreislauf zur Folge hat. Nachdem die Drehzahl wieder auf den Soll wert zurückgeführt ist, schliesst der Regler die Ventile 21, 34 und 35.
Bei einem abge senkten Druckniveau wird dann die der ver minderten Belastung entsprechende Leistung erzeugt.
Die Regeleinrichtung wird zweckmässig so ausgelegt, dass die Ventile 11 bezw. 21 vor den Ventilen 16 und 17 bezw. 34 und 35 voll ständig geöffnet sind. Beispielsweise ist das Ventil 11 schon vollständig geöffnet, wenn eine Drehzahlabsenkung von 1,5% der nor malen Drehzahl stattgefunden hat. Die Ven tile 16 und 17 sind dagegen erst vollständig geöffnet, wenn die Drehzahl um 3 % der Normaldrehzahl abgesunken ist. Die Beein flussung der Ventile 11 und 21 erfolgt rascher und in grösserem Mass als die Beein flussung der übrigen Ventile.
In der in Fig. 2 gezeigten Anlage wird das vom Verdichter 40 verdichtete Arbeits mittel in den als Rekuperator arbeitenden Wärmeaustauscher 41 geleitet und hier vor gewärmt. In der Austrittsleitung des Wärme- austauschers an der Stelle 60 wird der Ar beitemittelstrom aufgeteilt. Ein Teil gelangt in das Rohrsystem des Gaserhitzers 42 und wird darin auf die höchste Betriebstempe ratur gebracht.
Das verdichtete und erhitzte Arbeitsmit tel strömt in die Turbine 43, wird dort ent spannt und strömt dann in den Wärmeaus- tauscher 41, wo es einen Teil seiner Rest wärme an das aus dem Verdichter 40 kom mende Arbeitsmittel abgibt. Ein weiterer Teil der Restwärme wird im Kühler 44 an ein Kühlmittel abgeführt, worauf das Arbeits mittel von neuem dem Verdichter 40 wieder zuströmt.
Aus dem Kreislauf wird ständig an der Stelle 60 ein Teil des Arbeitsmittels ent nommen und als Verbrennungsluft dem Bren ner 61 des Gaserhitzers 42 zugeführt. Die Verbrennungsgase strömen aus dem Gas erhitzer in die Turbine 45, aus welcher sie nach Entspannung an weitere nicht gezeich nete Verbrauchsstellen, zum Beispiel in Wärmeaustauscher, oder ins Freie abgeführt werden können. -Als Ersatz für die entnom mene Teilmenge wird durch den Verdichter 46 ständig Luft aus der Atmosphäre dem Kreislauf vor dem Kühler 44 zugeführt.
Zur Hebung des Druckniveaus im Kreis lauf beim Ansteigen der Belastung ist ein Verdichter 5,7 vorgesehen, der durch einen Motor 58 angetrieben wird. Der Verdichter fördert Luft aus der Atmosphäre in den Spei cherbehälter 47. Der Behälter 47 ist durch die Leitung 48 zwischen zwei Stufen der Turbine 43 an den Kreislauf angeschlossen. An die gleiche Stelle des Kreislaufes ist eine Umgehungsleitung 51 angeschlossen. Die Menge des durch die Leitung 48 in die Turbine eingeführten Arbeitsmittels wird durch das Regelorgan 49 und die Menge des durch die Leitung 51 aus der Turbine ent nommenen Arbeitsmittels durch das Regel organ 50 eingestellt.
Der Verdichter 46 besitzt zwei Anzapf- stellen. An die Anzapfstelle niedrigeren Druckes ist die Entnahmeleitung 52 und an die Anzapfstelle höheren Druckes die Ent nahmeleitung 53 angeschlossen. Schliesslich besitzt die Endstufe noch eine Entnahmelei tung 54. Alle Leitungen 5i2, 53 und 54 sind mit einer Abfuhrleitung 55 verbunden.
Zur Regelung der aus dem Verdichter entnom menen Arbeitsmittelmenge sind in den Lei tungen 52-54 die Regelorgane 62, 63 bezw. 64 angeordnet. _ Die Turbomaschinen, sowohl die Turbi nen 43 und 45 als auch die Verdichter 40 und 46, sind miteinander gekuppelt. Die ge- ureinsame Welle treibt den Stromerzeuger 56 an.
Bei rascher Steigerung der Belastung wird durch den Regler<B>55'</B> das Regelorgan 49 in der Leitung 48 so beeinflusst, dass Luft aus dem Speicherbehälter 47 zwischen zwei Stu fen der Turbine 43 in den Kreislauf einge führt wird. Bei raschem Abfallen der Be lastung wird durch den Regler 55 das Regel organ 50 in der Umgehungsleitung 51 ge öffnet, so dass ein Teil des Arbeitsmittels unter Umgehung des restlichen Teils der Turbine 43 unmittelbar in den Wärmeaus tauscher 41 strömt. Dadurch wird die Lei stung der Turbine vermindert.
Zur allmählichen Anpassung des Druck niveaus im gesamten Kreislauf an eine ge änderte Belastung werden anschliessend an die Beeinflussung der Regelventile 49 bezw. 50 durch den Regler 55' die Regelorgane 62-64 in den Entnahmeleitungen 52-54 des Verdichters 46 beeinflusst. Bei höchster Belastung sind alle Regelorgane geschlossen. Der Verdichter fördert dann die ganze Menge der angesaugten Luft in den Kreis lauf, so dass in diesem das höchste Druck niveau entsteht. Durch nacheinanderfolgendes Öffnen der Regelorgane 62, 63 und 64 wird der Förderdruck des Verdichters 46 bei un veränderter Drehzahl stufenweise abgesenkt.
Durch die Beeinflussung des Betriebes des Verdichters 46 wird das Druckniveau im Kreislauf allmählich dem Belastungszustand angepasst und die kleineren, rascher folgen den Änderungen durch die Entnahme bezw. Zufuhr von Arbeitsmittel an der Turbine 43 ausgeglichen.
Bei den beschriebenen Anlagen wird eine rasche und präzise Regelung gesichert. Würde die Luft nur an einer Stelle hinter der Turbine und vor dem Verdichter in den Kreislauf eingeführt, so könnte die Leistung nur langsam erhöht werden, da die Teile des Kreislaufes mit erhöhtem Druck hinter dem Verdichter erst durch den Kreislaufverdich ter in vermehrtem Mass Arbeitsmittel zuge führt erhielten. Eine Drucksteigerung vor und in der Turbine würde erst stattfinden, wenn der Druck im Niederdruckteil des Kreislaufes bereits angestiegen ist. Das grosse Volumen des Kreislaufes würde die zur Lei stungssteigerung notwendige Erhöhung des Druckniveaus erst recht verlangsamen.
Wird g o emäss der Erfindung Arbeitsmittel zwischen zwei Stufen der Turbine eingeführt, so steigt der Druck unmittelbar an einer Stelle, an der die Umsetzung der Strömungsenergie des Arbeitsmittels in mechanische Energie an die Welle stattfindet. Die Leistung der Turbinen kann dadurch erhöht werden, bevor an grö sseren Teilen des Kreislaufes der Druck an gestiegen ist oder gar das Druckniveau des ganzen Kreislaufes angehoben ist.