Verfahren zum Betrieb von Gasturbinenanlagen. Die Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren zum Betrieb von Gasturbinenanlagen; die zum Antrieb von Fahrzeugen, insbeson dere Schienenfahrzeugen mit mechanischer Kraftübertragung, dienen und bei denen Wasser im Arbeitsmittel verdampft wird. Die Erfindung besteht darin, dass die Erzeu gung der Leistung in der Weise aufgeteilt wird, dass in einem ersten Entspannungs abschnitt des erhitzten Arbeitsmittels nur die Leistung für die Verdichtung des noch nicht erhitzten Arbeitsmittels und in einem zwei ten Entspannungsabschnitt nur die Nutz leistung erzeugt wird.
Es wurde schon vorgeschlagen, bei Gas turbinenanlagen, die zum Antrieb von Fahr zeugen dienen und bei denen Wasser im Arbeitsmittel verdampft wird, die Erzeu gung der Leistung derart aufzuteilen, dass in einem ersten Entspannungsabschnitt des Arbeitsmittels die Leistung nur für die Hochdruckverdichtung und in einem weite ren Entspannungsabschnitt nicht allein die Nutzleistung, sondern zusätzlich noch die Leistung für die Niederdruckverdichtung erzeugt wird.
Mit dieser Aufteilung der Lei stungserzeugung kann wohl auf einfachere Art das Wasser dem Arbeitsmittel nach der Verdichtung oder frühestens in einer Zwi schenstufe der Verdichtung - nämlich zwi schen Niederdruck- und Hochdruckverdichter - dem schon erwärmten Arbeitsmittel zu geführt werden.
Es war weiter mit der ge nannten Aufteilung auch möglich, in einem weiten Teillastbereich das Verhältnis der Leistungen in den nacheinanderfolgenden Entspannungsabschnitten ohne besondere Vorkehrungen praktisch unveränderlich zu halten. Diesem Vorschlag haftet aber ein schwerer Nachteil an, weil die Erzeugung der Nutzleistung und die Erzeugung der Ver- dichterleistung untrennbar miteinander ver knüpft sind.
Gasturbinen, welche nach die sem bekannten. Vorschlag betrieben werden, lassen sich z. B. für den Antrieb von Fahr zeugen. mit direkter Kraftübertragung gar nicht verwenden und auch bei Fahrzeugen mit anderer Kraftübertragung entstehen Be- triebsstörungen bei plötzlichem Betriebs unterbruch. Wenn z. B. bei Stillstand des Fahrzeuges die Nutzleistung vollständig unterbrochen und die Nutzleistungsturbine stillgesetzt werden sollte, können die Ver dichter nicht selbständig im Betrieb gehalten werden.
Ein Leerlaufbetrieb der Anlage und eine Bereitschaftstellung für die sofortige Anfahrt des Fahrzeuges ist also nicht mög- lieh. - Durch die gemäss der Erfindung vor geschlagene Lösung zur Leistungsaufteilung wird es möglich, das Turbinenverdichter aggregat unabhängig vom Betriebszustand der Nutzleistungsturbine selbständig im Leerlauf zu betreiben, während die Nutz leistungsturbine stillsteht.
Anlagen, die nach dem Verfahren gemäss Erfindung betrieben werden, eignen sich ins besondere für Schienenfahrzeuge mit direk tem mechanischem Antrieb. Sie können jedoch auch für Fahrzeuge mit mittelbarer Kraft übertragung, z. B. durch elektrische oder hydraulische Getriebe, verwendet werden.
Schliesslich lässt sich die Erfindung auch anwenden bei Antriebsanlagen für Wasser- und Luftfahrzeuge, insbesondere solche, bei denen die Propellerwelle mechanisch ange trieben wird.
Zwei Gasturbinenanlagen zur Ausfüh rung des Verfahrens nach der Erfindung sind auf der Zeichnung vereinfacht dar gestellt, an Hand welcher das Verfahren bei spielsweise erläutert wird.
Dem Verdichter 1 strömt durch die Lei tung 2 Luft z. B. aus der Atmosphäre zu, welche in verdichtetem Zustand durch die Leitung 3 in die Brennkammer 4 gelangt. Ein Teil dieser Luft strömt zur Verbrennung des durch den Brenner 5 zugeführten flüssi gen Brennstoffes unmittelbar in den Brenn- raum 6. Ein anderer Teil strömt durch den Ringraum 7 dem Mantel des Brennraumes entlang und mischt sich im Raum 8 mit den aus dem Brennraum ankommenden hoch erhitzten Verbrennungsgasen. Das Gas gemisch, dessen Temperatur nach der Mi schung auf einen für die Baustoffe zulässi gen Wert gesenkt ist, strömt durch die Lei- tung 9 in die Hochdruckturbine 10 weiter und gelangt aus dieser durch die Leitung 11 in die Niederdruckturbine 12.
In der Leitung 11 befindet sich ein Absperrorgan 13. Ausser dem ist an diese Leitung 11 eine Abström- leitung 14 mit einem Abblaseventil 15 an geschlossen, welches durch den Servomotor 16 gesteuert wird. Nach Entspannung des Arbeitsmittels in den beiden Turbinen ver lässt es die Anlage durch die Leitung 17 und kann dann noch an weitere nicht gezeichnete Verbrauchsstellen, z. B. in Wärmeaustauscher oder unmittelbar ins Freie, geführt werden.
Mittels einer Wasserpumpe 20 wird durch die Leitungen 21 den Düsen 22 und 23 Was ser zugeführt. Das in die Luft eingespritzte Wasser verdampft während ihrer Verdich tung und trägt so zur Vermehrung der Ar beitsmittelmenge unter gleichzeitiger Küh-. lung des Verdichters bei. Die Menge -des ein gespritzten Wassers wird durch ein Regel organ 24 in der Leitung 21 eingestellt.
In den Brennraum 6 der Brennkammer 4 ist eine Düse 25 eingebaut, welcher von der Pumpe 20 durch die Leitung 26 Wasser zugeführt werden kann. Die -Menge dieses in den Brennraum eingespritzten Wassers kann mit Hilfe des Regelorganes 27 den aus dem Betrieb sich ergebenden Bedürfnissen ent sprechend eingestellt werden.
Die Hochdruckturbine 10 treibt den Ver dichter 1. Zur Abführung eines Leistungs überschusses oder einer Ergänzung einer feh lenden Leistung und zum Anlassen ist die aus der Hochdruckturbine 10 und dem Ver dichter 1 bestehende -Maschinengruppe ausser dem noch mit einer elektrischen Maschine 18 gekuppelt. Die Niederdruckturbine 12 führt ihre Leistung an eine Welle 19 ab, die zum Getriebe eines Schienenfahrzeuges führt.
Dadurch, dass die Turbine 10, in welcher der erste Entspannungsabschnitt des erhitzten Arbeitsmittels .sich abspielt, nur zur Verdich tung des noch nicht erhitzten Arbeitsmittels im Verdichter 1. und die Niederdruckturbine 12, auf die der zweite Abschnitt der Arbeits- mittelentspannung entfällt, nur zur Erzeu- gung der Nutzleistung herangezogen wird, kann die Anlage zum Antrieb von Fahr zeugen, insbesondere solchen mit mecha nischer Kraftübertragung, verwendet werden.
Zur Inbetriebsetzung der Anlage wird die Niederdruckturbine 12 durch die Absperr klappe 13 von der Anlage abgeschaltet und das Arbeitsmittel aus der Hochdruckturbine unmittelbar durch das Abblaseventil 15 und die Leitung 14 aus der Anlage abgeführt. Die aus dem Verdichter 1 und der Turbine 10 bestehende Maschinengruppe wird zu nächst durch die elektrische Hilfsmaschine 18 angetrieben, so dass die Brennkammer 4 verdichtete Luft erhält, worauf in deren Brennraum Brennstoff zur Entzündung ge bracht werden kann. Die Verbrennungsgase der Brennkammer treiben dann die Turbine 10, wonach die elektrische Hilfsmaschine 18 ausgeschaltet werden kann und die Anlage sich somit im Leerlauf befindet. Zum Übergang auf Nutzleistung wird die Absperrklappe 13 geöffnet und das Abblase ventil 15 geschlossen.
Die Abgase der Hoch druckturbine 10 strömen dann durch die Lei tung 11 in die Niederdruckturbine 12, die ihre Leistung an die Nutzleistungswelle 19 ibt. Die Einstellung der Leistung erfolgt durch Einstellen der Brennstoffmenge. Hier durch wird zunächst die Leistung der Hoch druckturbine 10 und damit die durch den Verdichter 1 geförderte Luftmenge beein flusst. Die hieraus sich ergebende Einstellung der Arbeitsmittelmenge legt entsprechend die Leistung der Nutzleistungsturbine 12 fest. Bis zur Normalleistung der Gesamtanlage wird nur durch die Düsen 22 und 23 Wasser in das Arbeitsmittel eingespritzt.
Dieses Wasser wird schon im Verdichter 1 und gegebenenfalls noch in der Brennkammer 4 verdampft und überhitzt und strömt als überhitzter Dampf mit dem gasförmigen Arbeitsmittel gemeinsam durch die beiden Turbinen. Soll die Leistung über die Normal leistung hinaus gesteigert werden, so wird auch durch die Düse 25 Wasser in den Brennraum 6 eingespritzt und dem Brenner 5 in vermehrtem Mass Brennstoff zugeführt. Hierbei entsteht eine um die Dampfmenge vermehrte Arbeitsmittelmenge, welche die Leistung bis ungefähr auf den 1,5 fachen Wert der Normalleistung zu steigern ge stattet.
Soll die Leistung sofort unterbrochen werden, so wird das Abblaseorgan 15 geöff net und die Absperrklappe 13 geschlossen. Die aus der Turbine 10 und dem Verdichter 1 bestehende Maschinengruppe kann an schliessend auf Leerlaufbetrieb übergehen und die Nutzleistungsturbine 12 kann, wenn notwendig, stillgesetzt werden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Anlage wird das dem Arbeitsmittel zugeführte Was ser nicht beim Durchströmen des Arbeits mittels durch die Verdichterschaufelung ver dampft, sondern in besonderen Verdamp- fungskammern 28 und 29, welche ringförmig um den Verdichter herum gelegt sind. Die Wasserpumpe 20 führt das Wasser durch die Leitungen 21 zu den Düsen 30 und 31.
Im Strom der durch die Verdichtung erhitzten Luft wird das Wasser zerstäubt und an schliessend in den Räumen 28 und 29 ver dampft und gegebenenfalls überhitzt. Es können auf diese Weise Einflüsse auf die Turbinenschaufeln verhindert werden.
Die dargestellten Gasturbinenanlagen haben den Vorteil,. dass infolge der beson- deren Aufteilung der die Nutzleistungsturbine mit Arbeitsmittel von niedriger Temperatur beaufschlagt wird.
Da im Fahrzeugbetrieb die Nutzleistung oft aussergewöhnlich rasch verändert werden muss, können infolge der ohnehin schon geringen Temperaturen keine gefährlichen Temperaturspannungen im Läufer und im Gehäuse entstehen.
Process for the operation of gas turbine plants. The invention relates to a method for operating gas turbine plants; which are used to drive vehicles, in particular rail vehicles with mechanical power transmission, and in which water is evaporated in the working medium. The invention consists in that the generation of the power is divided in such a way that only the power for compressing the not yet heated working fluid is generated in a first expansion section of the heated working medium and only the useful power is generated in a second expansion section.
It has already been proposed that in gas turbine systems that are used to drive vehicles and in which water is evaporated in the working medium, the generation of the power should be divided in such a way that in a first expansion section of the working medium, the power only for the high-pressure compression and in a wide area ren relaxation section not only the useful power, but also the power for the low pressure compression is generated.
With this division of the power generation, the water to the working fluid after compression or at the earliest in an intermediate stage of compression - namely between the low-pressure and high-pressure compressor - can be led to the already heated working fluid.
With the division mentioned, it was also possible to keep the ratio of the performances in the successive relaxation sections practically unchangeable in a wide partial load range without special precautions. There is a serious disadvantage to this proposal, however, because the generation of the useful power and the generation of the compressor power are inextricably linked.
Gas turbines, which are known after the sem. Proposal can be operated, for. B. testify for the drive of driving. with direct power transmission do not use at all and also with vehicles with other power transmission malfunctions arise in the event of a sudden interruption in operation. If z. B. when the vehicle is at a standstill, the useful power is completely interrupted and the useful power turbine should be shut down, the Ver denser can not be kept independently in operation.
An idle operation of the system and a readiness for the immediate start of the vehicle is therefore not possible borrowed. - By the proposed solution according to the invention for power distribution, it is possible to operate the turbine compressor unit independently of the operating state of the power turbine idling, while the power turbine is at a standstill.
Systems that are operated by the method according to the invention are particularly suitable for rail vehicles with direct mechanical drive systems. However, you can also transfer for vehicles with indirect power, z. B. by electrical or hydraulic transmission, can be used.
Finally, the invention can also be used in propulsion systems for watercraft and aircraft, in particular those in which the propeller shaft is mechanically driven.
Two gas turbine plants for the execution of the method according to the invention are shown in simplified form on the drawing, on the basis of which the method is explained for example.
The compressor 1 flows through the Lei device 2 air z. B. from the atmosphere, which passes through the line 3 in the combustion chamber 4 in a compressed state. Part of this air flows directly into the combustion chamber 6 for the combustion of the liquid fuel supplied by the burner 5. Another part flows through the annular chamber 7 along the jacket of the combustion chamber and mixes up in the chamber 8 with the incoming air from the combustion chamber heated combustion gases. The gas mixture, the temperature of which is reduced to a value permissible for the building materials after mixing, flows on through line 9 into high-pressure turbine 10 and passes from there through line 11 into low-pressure turbine 12.
A shut-off element 13 is located in the line 11. In addition, an outflow line 14 with a blow-off valve 15, which is controlled by the servomotor 16, is connected to this line 11. After relaxation of the working medium in the two turbines ver it leaves the system through line 17 and can then still to other consumption points not shown, z. B. in heat exchangers or directly into the open air.
By means of a water pump 20 is fed through the lines 21 to the nozzles 22 and 23 What water. The water injected into the air evaporates during its compaction and thus contributes to the increase in the amount of work medium while cooling at the same time. the compressor. The amount of the sprayed water is set by a rule organ 24 in line 21.
A nozzle 25 is built into the combustion chamber 6 of the combustion chamber 4, to which water can be supplied by the pump 20 through the line 26. The amount of this water injected into the combustion chamber can be adjusted accordingly with the help of the control element 27 to the needs arising from the operation.
The high-pressure turbine 10 drives the Ver denser 1. To dissipate excess power or to supplement a missing power and for starting, the machine group consisting of the high-pressure turbine 10 and the Ver denser 1 is also coupled to an electric machine 18. The low-pressure turbine 12 transfers its power to a shaft 19 which leads to the transmission of a rail vehicle.
Because the turbine 10, in which the first expansion section of the heated working fluid takes place, is only used to compress the not yet heated working fluid in the compressor 1, and the low-pressure turbine 12, to which the second section of the working fluid expansion occurs, only for When generating the useful power is used, the system can be used to drive vehicles, especially those with mechanical power transmission.
To start up the system, the low-pressure turbine 12 is switched off by the shut-off valve 13 from the system and the working fluid from the high-pressure turbine is discharged directly through the relief valve 15 and line 14 from the system. The machine group consisting of the compressor 1 and the turbine 10 is first driven by the electrical auxiliary machine 18, so that the combustion chamber 4 receives compressed air, whereupon fuel can be ignited in its combustion chamber. The combustion gases from the combustion chamber then drive the turbine 10, after which the electrical auxiliary machine 18 can be switched off and the system is thus idling. To transition to useful power, the butterfly valve 13 is opened and the blow-off valve 15 is closed.
The exhaust gases from the high-pressure turbine 10 then flow through the Lei device 11 into the low-pressure turbine 12, which transmits its power to the useful power shaft 19. The output is adjusted by adjusting the amount of fuel. Here, the performance of the high pressure turbine 10 and thus the amount of air conveyed by the compressor 1 is first influenced. The resulting setting of the amount of working fluid determines the output of the useful power turbine 12 accordingly. Up to normal performance of the entire system, water is only injected into the working fluid through nozzles 22 and 23.
This water is already evaporated and superheated in the compressor 1 and possibly also in the combustion chamber 4 and flows as superheated steam together with the gaseous working medium through the two turbines. If the output is to be increased beyond the normal output, water is also injected through the nozzle 25 into the combustion chamber 6 and an increased amount of fuel is supplied to the burner 5. This creates an increased amount of working fluid by the amount of steam, which enables the output to be increased to approximately 1.5 times the normal output.
If the power is to be interrupted immediately, the vent element 15 is geöff net and the butterfly valve 13 is closed. The machine group consisting of the turbine 10 and the compressor 1 can then switch to idling operation and the power turbine 12 can, if necessary, be shut down.
In the system shown in FIG. 2, the water supplied to the working medium is not evaporated when it flows through the working medium through the compressor blades, but in special evaporation chambers 28 and 29 which are placed in a ring around the compressor. The water pump 20 guides the water through the lines 21 to the nozzles 30 and 31.
In the stream of air heated by the compression, the water is atomized and subsequently evaporated in the spaces 28 and 29 and possibly overheated. In this way, influences on the turbine blades can be prevented.
The gas turbine systems shown have the advantage. that due to the special division of the power turbine is acted upon with working fluid at a low temperature.
Since the useful power often has to be changed extremely quickly during vehicle operation, the already low temperatures mean that no dangerous temperature stresses can arise in the rotor and in the housing.