Gasturbinen-Kraftanlage. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gasturbinen-Kraftanlagen mit einem Haupt kompressor, einem Vorverdiehter, einem von der durch den Hauptkompressor geförderten Luft durehströmten Wärmeaustauscher, einer Verbrennungskammer, der die Luft aus dem Wärmeaustauscher und der in dieser Luft zu verbrennende Brennstoff zugeführt wird, einem Haupt-Turbinenaggregat, das heisse Gase der Verbrennungskammer aufnimmt und sowohl den Hauptkompressor antreibt als auch Nutzleistung abgibt, und einer mit dem Vorverdiehter gekuppelten, durch Ab gase aus dem Haupt-Turbinenaggregat beauf- schlagbaren Abgasturbine.
Bisher war es üblich, den Wärmeaustau- scher heizgasseitig nach der Abgasturbine an zuordnen, so dass die Luft durch die in den Abgasen der Anlage enthaltene Wärme er hitzt wird.
Die Verwendung eines Wärmeaustau sehers verbessert den Wirkungsgrad der An lage, da ein Teil der in den Abgasen enthal tenen Wärme zurückgewonnen wird. Der Ge winn an Wirkungsgrad ist am grössten bei Teillast und vermindert sich, wenn man sich der vollen Leistung nähert, da mit steigender Leistung einerseits das Kompressionsverhält nis und damit die Endtemperatur der kom primierten Luft steigt, anderseits die End- temperatur der entspannten Gase fällt, so dass die aus den Abgasen rückgewinnbare Wärme kleiner wird, Es ist bekannt, dass der Wirkungsgrad einer solchen Anlage in ganzen Leistungs bereich durch Verwendung eines Zwischen kühlers zwischen dem Vorverdichter und dem Hauptkompressor verbessert.
werden kann Es ist ferner bekannt, dass die Leistungs abgabe durch Zwisehenerhitzung der Gase vor Eintritt in eine zweite Turbine erhöht wer den kann. Die Leistungsabgabe kann in einer solchen Anordnung durch Regulierung der Grösse der Brennstoffzufuhr zu den Verbren nungskammern entweder übereinstimmend oder unabhängig gesteuert werden.
Die erfindungsgemässe Gasturbinen-Kraft anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher heizgasseitig zwischen dem Haupt-Turbinenaggregat und der Abgas turbine angeordnet ist, so da.13 die Abgase aus dein Haupt-Turbinenaggregat. durch den Wärmeaustauseher strömen können, um die der Verbrennungskammer zugeführte kom primierte Luft vorwärmen zu können, und dass in der Anlage einstellbare Mittel vor gesehen sind, mittels welcher die totale Wärmemenge der zur Abgasturbine gelan genden Abgase reguliert werden kann,
uni die Drehzahl der Abgasturbine und des Vorver- dichters und somit die sieh durch den Vor- verdiehter iin Betriebe der Anlage ergebende Vorverdiehtung einstellen zu können.
Die einstellbaren Mittel weisen vorzugs weise eine zweite, zwischen dem Wärmeaus- tauseher und der Abgasturbine geschaltete Verbrennungskammer zwecks Nacherhitzung der Abgase mit einem zwecks Regulierung der Brennstoffzufuhr zu dieser zweiten Verbren nungskammer einstellbaren Brennstoffzufuhr organ oder eine den Wärmeaustauscher über- brüekende Umleitung mit einem Ventil, um die durch die Umleitung strömende Abgas menge zu regulieren, oder eine Kombination dieser Mittel auf.
Mit dieser Anordnung kann die Leistungs abgabe in einem weiten Bereich durch Ver ändern des Grade der durch den Vor- verdiehter erzeugten Vorverdichtung regu liert werden und der Grad der Vorverdich tung kann durch Regulierung der den Wärme austauseherumgehenden Abgasmenge und/oder der der Nacherhitzungs-Verbrennungskain mer zugeführten Brennstoffmenge gesteuert, werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung bei einer für Schiffsvortrieb geeigneten Kraftanlage wird nun in bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben.
Die Kraftanlage weist einen Hauptkom pressor 1 auf, der durch einen Wärmeaustau seher 2 in eine Verbrennungskammer 3 för dert, in welcher Brennstoff in der kompri mierten Luft verbrannt wird und von wel- eher die Verbrennungsgase zu einer Hoch- druekturbine 4 für den Antrieb des Haupt- kompressors 1 gefördert werden. Aus der Hoehdruekturbine 4 gelangen die Gase in eine Nutzleistungsturbine 5, die eine Triebwelle 6 für den Antrieb des Schiffspropellers an treibt. Die Hochdruckturbine 4 und die Nutz leistungsturbine 5 bilden zusammen ein Hauptturbinenaggregat.
Es wird vorgezogen, eine Hochdruck turbine für den Antrieb des Hauptkompres- sors, und eine unabhängige Nutzleistungs turbine 5 anzuwenden, da dies Leerlauf bedingungen für die Kompressor-Turbinen gruppe ermöglicht, wenn die Leistungs abnahmewelle stillsteht, und ein hohes Anlass drehmoment gestattet.
Die Abgase aus der Nutzleistungsturbine 5 strömen zu dem Wärmeaustauseher 2, welcher so ausgebildet ist, dass die ausnützbare Wärme der Auspuffgase praktisch vollkom men wiedergewonnen wird durch Erhitzen der komprimierten Luft, die zu der Verbren nungskammer 3 gefördert wird, wenn die All- lage ihre maximale unvorverdiehtete Leitung liefert, wodurch ein hoher thermischer Wir kungsgrad und niedriger Brennstoffver- braueh bei dieser Leistungsabgabe erhalten wird.
Die Anlage weist auch einen Vorver dichter 7 auf, welcher zum Hauptkompressor 1 fördert, und welcher durch eine durch die Abgase beaufschlagte Turbine 8 angetrieben wird. Die den Wärmeaustauseher 2 verlas senden Abgase werden zu der durch die Ab gase getriebenen Turbine S über eine Naeh- erhitzungskammer 9 gefördert.
Wenn die oben beschriebene Anlage ihre maximale unvorverdichtete Leistung liefert, so stellen die Abgasturbine 8 und der Vorver dichter 7 entweder still oder laufen leer. Um eine grössere Leistungsabgabe zu erhalten, wird Brennstoff in die Nacherhitzungskam mer 9 gefördert und verbrannt, wodurch die durch die Abgase beaufsehlagte Turbine den Vorverdiehter antreibt. Die Leistungsabgabe kann durch fortschreitende Erhöhung der Brennstoffzufuhr zu der Naeherhitzungskam- mer 9 erhöht werden.
Dabei kann der Wärmeaustauseher 2 ent weder die ganze Zeit von allen Turbinen abgasen durchströmt werden, oder es kann eine Umleitung 10 mit einem Ventil 11 vorgesehen sein, so dass der Wärmeaustauscher fortsehrei tend umgangen werden kann, bis die maxi male Leistung erreicht wird.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Drehzahl des Wärmeaustauschers, wenn er von Rotationsbauart ist, verändert, werden, statt die um den Wärmeaustauscher herum geführte Menge zli regulieren.
Ein Zwischenkühler 12 ist zwischen dem Vorverdichter 7 und dein Hauptkompressor vorgesehen, um die Wirksamkeit der V orver-- dichtung besonders bei hohen Gesamtkoni- pressionsverhältnissen zu erhöhen. Der Zwi schenkühler hat zweekmässig die Form eines Wärmeaustausehers, in welchem die Luft vom Vorverdichter 7 durch Meerwasser ge kühlt wird.
leer Wämeaustauscher kann auch so kon struiert sein, dass die aus ihm strömenden Ab gase genügend Energie enthalten, um die Ab gasturbine 8 mit niedriger Geschwindigkeit anzutreiben und eine niedrige Vorverdichtung zu erzeugen. In solchen Fällen kann gleich gültig, ob eine Nacherhitzungsbrennkammer, eine Umleitung um den Wärmeaustauseher oder beides vorhanden sind, um die maximale Leistung der Anlage durch Erhöhung der Vorverdichtung zu erzielen, eine Umleitung 13 mit einem Ventil 14 vorgesehen sein, um die vom Wärmeaustauseher kommenden Ab gase an der Abgasturbine 8 vorbeizuleiten, so dass der Grad der Vorverdichtung durch Öff nen dieser Umleitung allmählich auf Null herabgesetzt werden kann.
Die Nacherhitzungskammer 9 kann auch weggelassen werden, wenn das gewünschte Mass der Vorverdiehtung durch Vorbeileiten von Arbeitsmittel am Wärmeaustauscher oder Veränderung der Drehzahl des Wärmeaus tausehers erhalten werden kann.
Die Kraftanlage der Erfindung ist beson ders als Schiffsvortriebseinheit geeignet, da sie einen grossen Leistungsbereich mit günsti gem Wirkungsgrad ermöglicht, so dass die An lage sowohl bei der Reisegeschwindigkeit als auch bei maximaler Geschwindigkeit günstig arbeitet.
Gas turbine power plant. The present invention relates to gas turbine power plants with a main compressor, a Vorverdiehter, a heat exchanger through which the air conveyed by the main compressor flows, a combustion chamber to which the air from the heat exchanger and the fuel to be burned in this air is supplied, a main -Turbine unit, which takes up hot gases from the combustion chamber and both drives the main compressor and delivers useful power, and an exhaust gas turbine which is coupled to the pre-compressor and can be acted upon by exhaust gases from the main turbine unit.
Up to now it has been customary to assign the heat exchanger to the hot gas side after the exhaust gas turbine so that the air is heated by the heat contained in the exhaust gases from the system.
The use of a heat exchanger improves the efficiency of the system, as part of the heat contained in the exhaust gases is recovered. The gain in efficiency is greatest at part load and decreases when you approach full power, since with increasing power, on the one hand, the compression ratio and thus the final temperature of the compressed air rises, and, on the other hand, the final temperature of the relaxed gases falls. so that the heat that can be recovered from the exhaust gases is smaller. It is known that the efficiency of such a system is improved in the entire performance range by using an intermediate cooler between the pre-compressor and the main compressor.
It is also known that the power output can be increased by reheating the gases before entering a second turbine. The power output in such an arrangement can be controlled either coincidentally or independently by regulating the size of the fuel supply to the combustion chambers.
The gas turbine power plant according to the invention is characterized in that the heat exchanger on the hot gas side is arranged between the main turbine unit and the exhaust gas turbine, so that the exhaust gases from your main turbine unit. can flow through the heat exchanger in order to be able to preheat the compressed air supplied to the combustion chamber, and that adjustable means are provided in the system by means of which the total amount of heat of the exhaust gases reaching the exhaust gas turbine can be regulated,
in order to be able to set the speed of the exhaust gas turbine and the pre-compressor and thus the pre-compaction resulting from the pre-compaction in operations of the plant.
The adjustable means preferably have a second combustion chamber connected between the heat exchanger and the exhaust gas turbine for the purpose of reheating the exhaust gases with an adjustable fuel supply organ to regulate the fuel supply to this second combustion chamber, or a bypassing the heat exchanger with a valve to regulate the amount of exhaust gas flowing through the bypass, or a combination of these means.
With this arrangement, the power output can be regulated over a wide range by changing the degree of pre-compression generated by the pre-compression and the degree of pre-compression can be regulated by regulating the amount of exhaust gas bypassing the heat and / or that of the post-heating combustion chamber The amount of fuel supplied is controlled.
An embodiment of the invention applied to a power plant suitable for ship propulsion will now be described with reference to the accompanying drawing.
The power plant has a main compressor 1, which by means of a heat exchange 2 into a combustion chamber 3, in which fuel is burned in the compressed air and from which the combustion gases to a high-pressure turbine 4 for driving the main - Compressor 1 is promoted. From the high pressure turbine 4, the gases pass into a power turbine 5, which drives a drive shaft 6 for driving the ship's propeller. The high pressure turbine 4 and the utility power turbine 5 together form a main turbine assembly.
It is preferred to use a high-pressure turbine to drive the main compressor and an independent power turbine 5, since this enables idling conditions for the compressor-turbine group when the power take-off shaft is at a standstill and allows a high starting torque.
The exhaust gases from the power turbine 5 flow to the heat exchanger 2, which is designed so that the usable heat of the exhaust gases is practically completely recovered by heating the compressed air that is conveyed to the combustion chamber 3 when the general situation is at its maximum provides unprepared conduit, whereby a high thermal efficiency and low fuel consumption is obtained with this power output.
The system also has a pre-compressor 7, which conveys to the main compressor 1, and which is driven by a turbine 8 acted upon by the exhaust gases. The exhaust gases leaving the heat exchanger 2 are conveyed to the turbine S driven by the exhaust gases via a sewing heating chamber 9.
When the system described above delivers its maximum uncompressed power, the exhaust gas turbine 8 and the pre-compressor 7 either stop or run idle. In order to obtain a greater power output, fuel is conveyed into the Nacherhitzungskam mer 9 and burned, whereby the turbine, which is acted upon by the exhaust gases, drives the pre-evaporator. The power output can be increased by progressively increasing the fuel supply to the near-heating chamber 9.
The heat exchanger 2 can ent neither all the turbine exhaust gases flow through, or a bypass 10 with a valve 11 can be provided so that the heat exchanger can be bypassed fortsehrei tend until the maximum output is reached.
In a further embodiment, the speed of rotation of the heat exchanger, if it is of the rotary type, can be varied instead of regulating the amount zli passed around the heat exchanger.
An intermediate cooler 12 is provided between the pre-compressor 7 and the main compressor in order to increase the effectiveness of the pre-compression, particularly with high overall compression ratios. The inter mediate cooler has the form of a heat exchanger, in which the air from the supercharger 7 is cooled by sea water.
Empty heat exchanger can also be constructed so that the exhaust gases flowing from it contain enough energy to drive the exhaust gas turbine 8 at low speed and generate a low pre-compression. In such cases, regardless of whether a post-heating combustion chamber, a diversion around the heat exchanger or both are available in order to achieve the maximum performance of the system by increasing the pre-compression, a diversion 13 with a valve 14 can be provided to prevent the exhaust coming from the heat exchanger To pass gases past the exhaust gas turbine 8, so that the degree of pre-compression can be gradually reduced to zero by opening this diversion.
The post-heating chamber 9 can also be omitted if the desired degree of pre-condensation can be obtained by passing working fluid past the heat exchanger or changing the speed of the heat exchanger.
The power plant of the invention is particularly suitable as a ship propulsion unit, since it enables a wide range of performance with a favorable efficiency, so that the system works favorably at both cruising speed and maximum speed.