Gasturbinenaggregat. Die Erfindung betrifft Gasturbinenaggre- gate für kontinuierliche Verbrennung in mindestens zwei .Stufen mit Hoch- und Nie derdruckturbinen, von denen eine Nieder druckturbine einen Niederdruckverdichter antreibt, während eine andere Niederdruck turbine Nutzleistung liefert, wobei diese bei den Niederdruckturbinen parallel zueinander in die Treibmittelleitungen des Aggregates eingeschaltet, mechanisch jedoch voneinan der unabhängig sind.
Dadurch, dass bei Teil belastung des Aggregates die erreichbare Leistung der Niederdruckturbine annähernd identisch ist mit der Leistung, die der Nie derdruckverdichter erfordert, kann man das Aggregat in jedem Betriebspunkt mit an nähernd konstanter Temperatur fahren, so bald Beharrungszustand erreicht ist, ohne eine Drosselregelung anzuwenden, die eine starke Verschlechterung des Wirkungsgrades bei Teilbelastung ergeben würde. Auf diese Weise kann man den Wirkungsgrad über einen grossen Belastungsbereich hochhalten. Dieses Verhalten gibt jedoch Anlass zu ge wissen Schwierigkeiten beim Betrieb.
Bei jeder Belastungserhöhung muss, damit eine Erhöhung der Verdichterdrehzahl und damit der das System durchströmenden Luftmenge zustande kommen soll, ein Brennstoffüber- schuss eingespritzt werden, so dass zeitweise Übertemperatur erhalten wird.
Es ist näm lich zu bemerken, dass einer erhöhten Lei stung ein. höherer Luftdurchsatz .entspricht. Derartige Temperaturspitzen bringen einen Nachteil mit sich, da sie die Turbinen be anspruchen und die Mitteltemperatur, die man vor diesen halten kann, in Wirklichkeit herunterdrücken, wodurch der mittlere Wir- kungsgrad des Aggregates geringer wird.
Man kann auch nicht immer die Temperatur bei kontinuierlichem Betrieb und bei einer bestimmten Teilbelastung auf dem höchstzu lässigen Wert halten, da man dann keine völlig richtige Leistungsverteilung zwischen den Turbinen des Aggregates erhält.
Es kann auch eintreffen, dass die Temperatur vor einer der Teilturbinen bei einer gewissen Teilbelastung im Dauerzustand auf einen niedrigeren Wert als bei Vollast eingestellt werden;
muss, dass jedoch bei einer weiteren geringeren Belastung zur richtigen Lei- stungsverteilung zwischen den Turbinen eine neue Temperatur erforderlich ist, die höher als die Temperatur ist, die bei dem genann ten höheren Teilbelastungspunkt notwendig ist. Die Temperaturverläufe hängen teilweise davon 'ab, mit welcher Drehzahl die Maschi nen auf Grund äusserer Umstände (z. B. Pro pellerantrieb oder Generatorantrieb) laufen müssen.
Verläuft die erforderliche Tempera tur in der angegebenen Weise nach einer Kurve mit Minimalwert bei einer gewissen Teilbelastung, so wird der Regelungsverlauf in diesem Bereich unsicher, wenn die Be lastung nur von der Temperatur abhängig ist und von ihr geregelt wird.
Diese Schwierigkeiten lassen sich bei dem Gasturbinenaggregat nach der Erfindung durch Mittel beheben, die an der Treibmit- telzufuhrleitung der erstgenannten Nieder druckturbine angeordnet sind und die Lei stungsabgabe dieser Turbine zwecks Ände rung der vom Aggregat gelieferten Nutz leistung zu ändern gestatten.
Das Gästurbi- nenaggregat kann mit thermostatgeregelter Temperatur gefahren werden, die bei norma lem Betrieb konstant und auf dem höchsten geeigneten Wert gehalten werden kann. Wenn das Aggregat nur eine Hochdrucktur- bine besitzt, so treibt diese zweckmässiger weise den Hochdruckverdichter.
Eine der artige Anlage kann in sehr wirtschaftlicher Weise durch die genannten Mittel geregelt werden, die vorzugsweise entweder ein Dros selventil vor der den Niederdruckverdichter antreibenden Turbine enthalten oder durch Düsenregelung dieser Turbine wirken.
Wenn das Ventil gedrosselt bezw. die Düsen ge schlossen werden;, erhält man zwar Druck verluste vor der in Rede stehenden Nieder druckturbine und damit eine Änderung ihres Wirkungsgrades. Gleichzeitig steigt jedoch der Druck vor der Nutzleistung abgebenden I\Tlederdruckttlrbine, und die Treibmittel menge, die durch diese hindurchgeht, wird grösser, während die Treibmittelmenge durch die andere Turbine geringer wird. Die Dros selung erfolgt somit auf eine Gasmenge, die um so geringer wird, je geringer die Be lastung ist.
Es ist einzusehen, dass, sobald eine solche Teilbelastung erreicht worden ist, dass die Kapazität des Hochdruckverdichters zur Lieferung der erforderlichen Luftmenge ausreichend ist, die Drosselung vor der den Niederdruckverdichter treibenden Nieder druckturbine keine Rolle mehr spielt, da die Gasmenge durch die Turbine dann gleich Null ist.
Die Erfindung wird an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Fig.1 zeigt schematisch ein gemäss der Erfindung ausgeführtes Gasturbinenaggre- gat. Fig. 2 zeigt eine Einzelheit des Gasturbi- nenaggregates im Schnitt in grösserem Mass stab, nämlich einen Regler und eine mit die sem zusammenwirkende Drosselklappe in der Gaszufuhrleitung der den Nieder druckver- dichter treibenden Niederdruckturbine.
Fig. 3 zeigt eine etwas abgeänderte Aus führungsform dieses Reglers.
In den Zeichnungen bezeichnet 10 einen Niederdruckverdichter, der von einer Nieder druckturbine 12 angetrieben wird und einen Frischlufteinlass 14 und einen Auslass 16 für die verdichtete Luft besitzt. Diese Luft wird nach Durchtritt durch einen Kühler 18 über eine Leitung 20 nach einem von einer Hoch druckturbine 24 angetriebenen Hochdruck- v erdiehter 22 geleitet. Die in diesem Ver dichter weiterhin verdichtete Luft wird über eine Leitung 26, einen Wärmeaustauscher 28 und eine Leitung 30 nach einer Hochdruck verbrennungskammer 32 geführt.
Diese be sitzt eine Anzahl Brennstoffdüsen, denen Brennstoff durch Leitungen 34 von einem Ventilgehäuse 36 zugeführt wird, dessen Ventile von einem thermostatgeregelten Servomotor betätigt werden. Die Verbren nungsgase strömen von der Verbrennungs kammer 3.2 durch eine Leitung 38 nach der Hochdruckturbine 24 und bilden somit deren Treibmittel. Nach der -Expansion in der Hochdruckturbine gehen die Gase durch eine Leitung 40 nach einer Niederdruckverbren- nungskammer 44,
deren Brennstoffdüsen mit Brennstoff durch Zufuhrleitungen von einem Ventilgehäuse 36 in gleicher Weise wie bei der Hochdruckverbrennungskammer 32 ge speist werden. Von der Niederdruckverbren- nungskammer 44 gehen parallel zwei Leitun gen ab, eine Leitung 46 nach der oben genann ten Niederdruckturbine 12 und eine Leitung 48 nach einer Niederdruckturbine 50. Die letztere gibt Nutzleistung ab, im vorliegen, den Fall über ein Getriebe 52 an eine Pro pellerwelle 54.
Die in den beiden Nieder druckturbinen expandierten Gase strömen durch einen gemeinsamen Abzugskanal 56 hindurch und dann ins Freie, wobei sie um den in diesem Abzugskanal angebrachten Wärmeaustauscber 28 streichen und somit einen '.feil ihres Wärmeinhaltes an die in ihm strömende Luft abgeben.
Die oben genannten Verdichter und Tur binen können, von jeder beliebigen an sich bekannten Art sein und brauchen daher nicht im einzelnen hier näher beschrieben zu wer den. Mit Hilfe eines Thermostates 58 hinter der Niederdruckverbrennungskammer 44 so wie eines Thermostates 60 in der Leitung 38 wird der oben genannte Servomotor beein- Ilusst, so dass die Temperaturen des Treib- mittels vor seinem Eintritt in die verschie denen Turbinen auf einen bestimmten Wert geregelt werden,
der so hoch gehalten wird, wie es die Turbinenkonstruktion zulässt. Die verschiedenen Turbinen, insbesondere die Niederdruckturbinen 12 und 50, sind in me chanischer Hinsicht voneinander unabhängig.
In der Leitung 46 ist eine Drosselklappe 62 angebracht, die über Hebel 64 mit einem Kolben 66 in Verbindung steht, der in einer Kammer 68 eines Gehäuses 70 un tergebracht ist. Das Gehäuse 70 hat weiter hin eine Bohrung 72, in der ein Schieber 74 läuft. Der Schieber 74 liegt an seinem einen Ende gegen eine Membran 78 an, die durch eine Leitung 76 mit der Druckseite des Nie- derdruckverdichters 10 in Verbindung steht.
Der Schieber 74 ,steht an seinem entgegen- gesetzten Ende unter dem Druckeiner Feder 80, deren Spannung von aussen mittels eines Rades 82 eingestellt werden kann. Wenn der Luftdruck auf der Druckseite des Verdich ters über einen bestimmten gewünschten Wert ansteigt, führt die Membran 78 den Schieber 74 gegen die Wirkung der Feder 80 nach rechts in Fig. 2.
Dies hat zur Folge, dass Drucköl von einer Leitung 84 um eine Eindrehung 86 des Schiebers und weiter durch einen Kanal 88 in den Raum rechts vom Kolben 66 strömt, der dadurch nach links geführt wird, so dass die Drosselklappe 62 den Treibmittelstrom durch die Leitung 46 abdrosselt.
Aus dem links vom Kolben liegenden Raum fliesst gleichzeitig das ver drängte Drucköl ab, indem ein Kanal 90 über die Eindrehung 92 des Schiebers 74 in Verbindung mit einer Ablaufleitung 94 für das Drucköl gebracht wird. Nachdem der Druck in der Druckleitung des Niederdruck verdichters 10 auf den vorausbestimmten Wert zurückgegangen ist, geht der Schieber 74 in seine Mittellage gemäss F'ig. 2 zurück und die Bewegung des Kolbens 66 hört auf.
Sollte der Luftdruck in der Druckleitung des Verdichters 10 dagegen sinken, so überwiegt der Druck der Feder 80 den Gegendruck der Membran 78 und der Schieber 74 bewegt sich dann nach links aus der in Fig. 2 gezeigten Mittelstellung. Dann wird Drucköl durch den Kanal 90 nach der Kammer 68 links vom Kolben geführt, so dass der Kolben 66 das Ventil 62 in die offene Lage führen wird.
Wenn der Regler in dieser Weise ar beitet, geht Drucköl durch den Kanal 88 und um die Eindrehung 96 des Schiebers 74 nach einer Ablaufleitung 98 ab.
Die gesamte Regelung des. Gasturbinen- aggregates erfolgt allein durch Einstellung der Klappe 62. Diese wird zweckmässig bei Ingangsetzung des Aggregates ganz offen gehalten, bei der ein .Startmotor 100 die Hochdruckturbine 24 in Gang :setzt. Solange die Klappe 62 sich in dieser Lage befindet, arbeitet das Aggregat sich auf höhere Lei stung herauf und erreicht nach einer gewis sen Zeit Volleistung.
Wenn dagegen die Klappe 62 mit Hilfe des Handrades 82 in eine etwas abgedrosselte Lage gebracht wird, stellt sich der Niederdruckverdichter 10 auf eine niedrigere Drehzahl ein, als der Voll- leistung entspricht, wobei gleichzeitig die vom Aggregat gelieferte Leistung herab sinkt, da die Leistung bei konstanter Tem peratur vor den Turbinen direkt von der Luftmenge abhängig ist.
Einer bestimmten Luftmenge und einer bestimmten Leistung entspricht auch ein bestimmter Druck zwi schen dem Niederdruck- und dem Hoch- druckverdichter 10 bezw. 22.. Um das Aggre gat auf eine bestimmte gewünschte Leistung einzustellen, wird daher die Klappe 62 so eingestellt,
dass sich ein gewisser bestimmter Druck in der Leitung zwischen den beiden. Verdichtern einstellt. Dies geschieht mittels der oben beschriebenen Regeleinrichtung, die den entsprechenden Druck für eine be- stimmte Betriebslage selbsttätig konstant hält.
Wenn das Gasturbinenaggregat auf einen andern Betriebspunkt eingestellt werden soll, wird die .Spannung der Feder 80 mittels des Handrades 82 geändert. Dann wird der Schieber 74 verschoben und der Kolben 66 in der oben beschriebenen Weise betätigt mit dem Ergebnis, dass die Klappe 62 seine diesem Betriebspunkt entsprechende neue Lage einnimmt.
Der Startmotor 100 kann mittels eines Getriebes 102 entweder auf die Hochdruck turbine 24 oder die Propellerwelle 54 ge schaltet werden. Auf diese Weise kann der Startmotor zum Antrieb des Fahrzeuges bei geringer Geschwindigkeit verwende werden.
Gleichzeitig wird dann. das Gasturbinen aggregat mittels einer Freilaufkupplung 104 von der Propellerwelle abgeschaltet. 116 be zeichnet ein Schnellschlussventil zur Unter brechung der Treibmittelzufuhr nach der Arbeitsturbine 50.
- \ Zwischen. der Hochdruckverbrennungs- kamm.er 32 und der Zufuhrleitinmg zur Nutz- leistung abgebenden Niederdruckturbine 50 ist eine Verbindungsleitung 106 mit einem Absperrorgan 108 angeordnet.
Durch Öffnen dieses Organes ,sowie Schliessen eines Ab sperrorganes 110 in der Leitung 40 zwischen der Hochdruckturbine24 und der Niederdruck- verbrennungskammer 44 sowie durch Öffnen eines Absperrorganes 111 in einer den Aus lass der HD-Turbine zweckmässig mit dem Abzugskanal 56 verbindenden Leitung 113 kann das Aggregat auch mit völlig abge- schaltetem Niederdruckverdichter 10 gefah ren werden,
sofern auch die Klappe 62 ge schlossen, ist. Die Hochdruckturbine 24 und die Niederdruckturbine 50 arbeiten dann parallel zueinander statt wie sonst in Reihe miteinander. Man kann auf diese Weise noch eine erhebliche Leistung erzielen, auch wenn der Niederdruckverdichter 10 abge stellt werden muss. Die Luft wird in diesem Betriebsfall dadurch eingeführt,
dass ein Rückschlagventil 112 m einer von der Saug seite des Verdichters 10 abgehenden Leitung 114 sich öffnet.
Die Ausführungsform des Reglers gemäss Fig. 3 unterscheidet sich von der gemäss Fig.2 nur dadurch, da.ss der Schieber 74 so- -#vohl vom Druck hinter dem Hochdruckver dichter 22 als auch vom Druck hinter dem Niederdruckverdichter 10 beeinflusst wird.
Die Druckleitungen beider Verdichter stehen über Leitungen 76 bezw. 118 je mit einer Membran 78 bezw. <B>79</B> in Verbindung, die über einen Waagebalken 120 und eine Ge- lenklasche 122 an den Schieber 74 ange schlossen sind.
Wenn nun während des Re gelvorganges der Niederdruckverdichter zu fällig mit einer geringeren Drehzahl als der gewünschten fährt, während der Hochdruck verdichter eine höhere Drehzahl hat, als dem Betriebspunkt entspricht, für den die Klappe 62 eingestellt ist, während die mittlere Dreh zahl der beiden Verdichter annähernd der ge wünschten entspricht, wird der zu hohe Druck hinter dem Hochdruckverdichter über die Membran 79 dagegenwirken,
dass die Membran 78 die Klappe 62 unnötig öffnet und somit die Erreichung des Gleichgewichts zustandes beim Regelungsverlauf verzögert.
Die Niederdruckturbinen 12 und 50 kön nen auch, im Gegensatz zum gezeichneten Ausführungsbeispiel, je mit einer Nieder- druckverbrennungskammer 44 mit Brenn stoffzufuhrdüsen zur individuellen Regelung der Temperatur der zu den betreffenden Turbinen geführten. Treibmittelströme in Verbindung stehen.
Wenn die Temperatur individuell geregelt wird, werden auch die den Turbinen zugeführten Gasmengen ge regelt, da die Menge Q in kg/s = k .
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ist, wobei<I>p</I> der Druck,<I>T'</I> die absolute Tem peratur und R die Gaskonstante ist. Die Lei- stung der Turbine wird proportional
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Eine derartige Ausführungsform wird er halten, wenn man an<U>nimm</U>t, dass in Fig. 1 eine weitere Kammer 44 hinter der dort ge zeichneten liegt. Die Leitungen 46 und 48, werden dann also je von ihrer Kammer 44 gespeist, die ihrerseits beide mit der Leitung 40 von der Hochdruckturbine 24 in Verbin dung stehen.
Auch in diesem Falle soll die Verteilung der Mreibmittelmengen durch die beiden Niederdruckturbinen durch Drosse lung mittels des Ventils 62 und also nicht durch Änderung der Temperatur erfolgen. Die Temperatur des Treibmittels folgt näm lich nicht genügend schnell mit einer Min derung der zugeführten Brennstoffmenge, da das Treibmittel bedeutende Wärmemengen von den heissen Wänden der Verbrennungs kammer und des Wärmeaustauschers aufneh men kann.