DE1072013B - Gasturbinenanlage mit mechanisch voneinander unabhängiger Verdichrerantnebs und Nutzleistungsturbme - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit mechanisch voneinander getrennter Verdichterantriebsund Nutzleistungsturbine sowie mit einer zusätzlichen Kraftmaschine zum Verdichterantrieb. Bei Ansteigen der Umgebungs- bzw. Ansaugtemperatur wird der Wirkungsgrad einer derartigen Turbinenanlage teils infolge Verringerung des Temperaturgefälles, teils infolge Verkleinerung der Luftdichte vermindert, ,so daß die Gesamtleistung der Anlage abfällt. Um die infolge abfallender Luftdichte verminderte Fördermenge wieder zu vergrößern und damit die Gesamtleistung der Anlage wieder anzuheben, wird bekanntlich der Verdichter zusätzlich mit einer Kraftmaschine angetrieben. Hierbei entnimmt diese Kraftmaschine ihr Treibmittel dem Kreislauf der Gasturbinenanlage bei einer unter der höchsten Prozeßtemperatur liegenden Arbeitstemperatur. Hierdurch wird zwar die Verdichtungsleistung bei wechselnden Ansaugtemperaturen etwa konstant gehalten, aber einerseits der Arbeitskreislauf der Gasturbinenanlage durch die Treibgas- »° entnahme gestört und andererseits der Wirkungsgrad nicht verbessert bzw. mit wachsender Ansaugtemperatur nicht ebenfalls konstant gehalten. Mit der Erfindung sollen diese Nachteile des zusätzlichen Verdichterantriebs vermieden werden. »5

Zu diesem^Zwecke wird erfindungsgemäß die zusätzliche Kraftmaschine von einer von der Gasturbinenanlage getrennten Energiequelle derart gespeist, daß durch die der zusätzlichen Kraftmaschine zugeführte Energie die Energiezufuhr in den Hauptturbinen nicht 3« beeinflußt wird.

Dadurch wird die im Hauptkreislauf umgesetzte Energie und die dort erzeugte Nutzleistung nicht vermindert. Der Wirkungsgrad der Nutzleistungserzeugung im Hauptkreislauf bleibt bei ansteigenden Ansaugtemperaturen erhalten. Der Arbeitsvorgang im Hauptkreislauf wird nicht gestört.

Die zusätzliche Verdichterantriebsmaschine kann in Weiterbildung der Erfindung als Gasturbine oder als Dampfturbine ausgebildet sein, die ihren Dampf aus einem besonders befeuerten Kessel oder aus einem der Gaturbinenanlage nachgeschalteten Abhitzekessel erhält. Bei mehrstufiger Verdichtung genügt für eine Niederdruckstufe der zusätzliche Antrieb. Der Dampf aus dem Abhitzekessel reicht vielfach aus, um eine zu- *5 sätzliche Hilfsmaschine anzutreiben. Sollte er nicht ausreichen, dann können die zusätzlichen Hilfsmaschinen bei sehr hohen Ansaugtemperaturen, bei denen aller aus Abhitze erzeugter Dampf zum zusätzlichen Verdichterantrieb benötigt wird, mit einer Dieselmaschine angetrieben werden.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise und schematisch veranschaulicht.

Gasturbinenanlage
mit mechanisch voneinander unabhängiger

Verdichterantriebsund Nutzleistungsturbine

Anmelder:

The British Thomson-Houston Company
Limited, London

Vertreter: Dipl.-Ing. Dr. M. Herzfeld, Patentanwalt,
Düsseldorf, Kreuzstr. 32

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 21. September 1956

Bengt Erik Gustaf Forsling, Rugby, Warwickshire

(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

Fig. 1 zeigt eine offene Gasturbinenanlage, bei welcher zusätzliche Energie zur Welle des Niederdruckverdichters durch eine Hilfsgasturbine geliefert wird.

Die Fig. 2, 3 und 4 beziehen sich" auf Gasturbinenanlagen mit offenem Kreislauf, die mit einem Wärmeaustauscher ausgestattet sind. Hier ist die Lieferung zusätzlicher Energie zum Verdichterantrieb mit einer Wiedergewinnung eines Teiles der Abwärme verbunden, indem man Dampfturbinen in Verbindung mit Abhitzekesseln und Hilfskesseln verwendet.

Gemäß Fig. 1 wird atmosphärische Luft durch eine Einlaßleitung 1 eingeführt und in einem Niederdruckverdichter 2 komprimiert. Von hier geht die Luft durch einen Zwischenkühler 3 zu einem Hochdruckverdichter 4 und wird alsdann in die Brennkammer 5 geleitet. Das Gas aus der Brennkammer beaufschlagt die Hochdruckturbine 6, welche lediglich einen Hochdruckverdichter treibt, undgelangt dann in eineMitteldruckturbine 7, welche die Nutzleistung erzeugt, indem sie eine Wechselstrommaschine 8 treibt. Das Gas fließt alsdann durch eine Niederdruckturbine9, welche den Niederdruckverdichter2 treibt, und strömt zum Schluß in die Atmosphäre ab. Zusätzliche Energie wird der Welle des Niederdruckverdichters 2 vermittels einer Hilfsgasturbine zugeführt, welche einen Verdichter

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10, eine Brennkammer 11 und eine Turbine 12 umfaßt, welche zusätzlich den Verdichter 2 über ein Getriebe 13 antreibt. Eine lösbare Kupplung 14, z. B. eine hydraulische Kupplung, ist zwischen dem Getriebe 13 und dem Verdichter 2 vorgesehen, so daß die Hilfsgasturbine gegebenenfalls abgeschaltet werden kann.

Die Brennstoffzufuhr zu der Hilfsgasturbine wird am besten von Hand eingestellt, um die gewünschte Anlaßtemperatur zu erhalten.

Normalerweise dient die Hilfsgasturbine dazu, ihre Maximalleistung nur während weniger Stunden an jedem Tage während der heißesten Zeit des Jahres anzugeben. Ihre gesamte Laufzeit bei maximaler Turbinentemperatur wird infolgedessen verhältnismäßig kurz sein. Deshalb kann sie mit geringen Kosten für eine kurze Lebensdauer gebaut werden.

Fig. 2 veranschaulicht eine Schiffs-Gasturbine mit einem Wärmeaustauscher und mit Erzeugung von Dampf zum zusätzlichen Verdichterantrieb aus Abwärme des Gasturbinenkreislaufes.

Atmosphärische Luft wird durch eine Einlaßleitung 101 eingeführt und im Verdichter 102 komprimiert. Die komprimierte Luft geht durch eine Luftleitung 103 zum Luftsammler 104 eines Wärmeaustauschers 105, fließt durch Rohre des Wärmeaustauschers 105 »5 nach dem Auslaßluftsammler 106 und alsdann durch eine kurze Leitung 107 zur Brennkammer 108. Die Gase aus der Brennkammer gehen zuerst durch eine Hochdruckturbine 109, welche den Verdichter 102 antreibt und anschließend durch eine Niederdruckturbine 110, welche eine nicht dargestellte Schiffsschraube über ein Reduziergetriebe 111 treibt.

Die Gase gehen alsdann durch den Wärmeaustauscher, indem sie auf der Außenseite der Rohre 105 fließen. Nachdem sie den Wärmeaustauscher verlassen haben, dienen die Gase dazu, einen Dampfkessel 112 zu erhitzen, der mit einem Überhitzer 113 ausgestattet ist, um alsdann gegebenenfalls durch einen Schornstein in die Atmosphäre zu entweichen. Die Dampfanlagc ist ferner mit einem besonders beheizten Kessel 114 ausgestattet.

Der Dampf "wird in zwei Dampfturbinen nutzbar gemacht. Die eine treibt als Hilfsturbine 115 einen Hilfsgenerator oder eine Wechselstrommaschine 116 über ein Getriebe 117. Die Dampfzufuhr zu dieser Turbine wird durch einen Drehzahlregler 118 gesteuert, welcher die Dampfzufuhr entsprechend der erforderlichen Hilfskraft reguliert. Der restliche Teil des Dampfes wird in einer Turbine 119 verwandt, die den Verdichter 102 der Hauptantriebsanlage zusatzlieh antreibt. Die Dampfzufuhr zu dieser Turbine wird durch einen Druckregler 120 eingestellt, welcher den Dampfdruck konstant hält. Zusätzlich sind ein oder mehrere von Hand betätigte Dampfzuführungsventile 121 vorgesehen. Diese Ventile werden nur benutzt, wenn Dampf für zusätzliche Leistung erforderlich ist. Der ganze, nicht für die Hilfsturbine 115 erforderliche Dampf geht durch die Antriebshilfsturbine 119. Beide Turbinen 119 und 115 lassen den Dampf in einem gemeinsamen Kondensator 122 aus.Drehzahl- undDruckregler sind nicht Gegenstand der Erfindung.

Die Gasturbinenanlage ist für eine mittlere Umgebungstemperatur von z. B. 18° C ausgelegt, wobei normale Dampfzufuhr von dem Abhitzekessel in Betracht gezogen wird. Bei niedrigeren Umgebungstemperaturen arbeitet diese Gasturbinenanlage bei verringerter Turbineneinlaßtemperatur, so daß die Gasturbine nicht mit ihrer vollen Kapazität ausgenutzt wird. Wenn die Umgebungstemperatur über einen bestimmten Wert anwächst, kann die Hilfsdampfturbine 115 des Schiffes abgesperrt und dieHilfsmaschine 116 von einer unabhängigen Kraftmaschine, z. B. einer Dieselmaschine angetrieben werden. Hieraus sich ergebende Erhöhungen der Dampfzufuhr zur Turbine 119 setzt die Schiffsgasturbinenanlage instand, die erforderliche Leistung bei irgendwelchen höheren Umgebungstemperaturen, z. B. bis zu 27° C, aufrechtzuerhalten, ohne daß die zulässige maximale Turbineneinlaßtemperatur überschritten wird. Bei noch höheren Umgebungstemperaturen muß der Dampfkessel 114 zwecks weiterer Erhöhung der Dampfzufuhr zur zusätzlichen Verdichterantriebs-Dampfturbine 119 in Betrieb genommen werden. Um einen unzweckmäßig großen Hilfskessel zu vermeiden, kann die Dampfleistung beschränkt werden. Dabei kann dann nur während der allerhöchsten Umgebungstemperaturen, die nur selten und im allgemeinen in Küstennähe eintreten, ein Absinken der nutzbaren Leistung in Kauf genommen werden. Bei der Auslegung des Kessels sollte auch ein gewisses Absinken der Strömungswirkungsgrade infolge von Ablagerungen oder Korrosionserscheinungen an den Schaufeln berücksichtigt werden.

Da die Umgebungstemperatur im allgemeinen nur langsam sich ändert und da im allgemeinen ein gewisser Spielraum für die Leistung vorgesehen ist, braucht das Anlassen und Absperren der Hilfsturbine 115 und/oder des Hilfskessels 114 nicht häufig stattzufinden. Kleinere Änderungen in den Umgebungstemperaturen werden am besten berücksichtigt, indem man eine Änderung der Turbineneinlaßtemperatur innerhalb eines annehmbaren Bereichs zuläßt.

Bei der in Fig. 2 veranschaulichten Anordnung wird die Abwärme hinter dem Wärmeaustauscher in einem Abhitzekessel für den zusätzlichen Verdichterantrieb nutzbar gemacht.

Die Gasturbinenanlage wird durch die Dampfturbine 119 in Gang gesetzt, welche von dem Hilfskessel 114 mit Dampf beliefert wird.

Fig. 3 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform des Hilfskessels 214 und der Dampfturbinen 215 und 219, ist indes in gleicher Weise wie die Anlage gemäß Fig. 2 ausgebildet. Nach Fig. 3 ist der Hilfskessel 214 so angeordnet, daß seine Auslaßgase durch eine Leitung 223 in den Abgasstrom der Gasturbine hinter dem Wärmeaustauscher gelangen. Zwei Wege zur Lieferung von Verbrennungsluft für den Hilfskessel sind veranschaulicht:

a) durch ein Gebläse 224 und

b) durch Entnahme von Gas aus dem Arbeitskreislauf der Gasturbine nach der Niederdruckturbine, weil die Abgase einen ausreichenden Sauerstoffgehalt haben, der zur Verbrennung dient.

Diese Anordnung bietet den Vorteil, daß der Hilfskessel mit einer genügend hohen Gasaustrittstemperatur betrieben werden kann. Die Anordnung erfordert infolgedessen eine geringere Heizfläche. Wenn Gase aus dem Gasturbinenkreislauf für die Verbrennung verwendet werden, wird der gesamte Schornsteinverlust geringer. Indes wird die Anordnung eines Ventils 225 zur Entnahme von Gasen aus dem Gasturbinenkreislauf und/oder eines weiteren Ventils 226 nach dem Gebläse 224 erforderlich.

Di'l- Hilfsturbine 215 ist eine Gegendruckturbine, deren Dampf einer Zwischenstufe der zusätzlichen Verdichterantriebs-Dampfturbine219 zugeführt wird. Die Dampfzufuhr zu der Verdichterantriebs-Dampfturbine wird durch einen Druckregler 220 gesteuert, der den Druck vor den beiden Turbinen 215 und 219 auf einem bestimmten Wert hält. Wenn der Druck

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sich erhöht, so öffnet sich das Ventil 220, wenn er fällt, so schließt sich das genannte Ventil, so daß der für die Hilfsturbine215 für die Schiffshilfsmaschinen der erforderliche Dampf zugeführt wird. Der übrige Teil des Dampfes wird der ersten Stufe der Verdichterantriebs-Dampfturbine219 zugeführt. Der Abdampf der Turbinen 215 und 219 wird dem Kondensator 222 zugeleitet. Es sind ferner Dampfzuführungsventile 221 vorgesehen, die von Hand betrieben werden. Die Verbindung einer Gegendruck-Hilfsturbine und einer mit Frisch- und Abdampf in verschiedenen Stufen beaufschlagten Verdichterantriebsturbine bietet den Vorteil, daß die niederen Druckstufen in beiden Turbinen nicht verdoppelt werden. Dies führt zu verbessertem Wirkungsgrad und zurVerringerung des Gewichts der beiden Turbinen, wie auch der Kosten der Dampf turbinen installation. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, kann die Verdichterantriebsturbine 219 zum Anlassen der Gasturbinenanlage verwandt werden, wenn zum Anfahren Dampf in dem Hilfskessel 214 erzeugt wird. Nach dem Anlassen wird der Hilfskessel unter Belastung gehalten, bis der mit Abgas betriebene Kessel 212 genügend Dampf für normalen Bedarf erzeugt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 erzeugen as die Gasturbine und eine Dampfturbine im Parallelbetrieb Nutzleistung. Die Gasturbinenanlage ist die gleiche wie in Fig. 2, mit der Ausnahme, daß eine Niederdruckturbine 310 cine Wechsplstrommaschine327 treibt. In normalem Betrieb wird der im Kessel 312 erzeugte Dampf in der Turbine 319 zum zusätzlichen Verdichterantrieb nutzbar gemacht. Die Dampfanlage umfaßt weiterhin einen oder mehrere selbständig befeuerte Kessel 328 und einen oder mehrere Dampfturbogeneratoren 329. P ATENTANS IMt UC. Uli:

1. Gasturbinenanlage mit mechanisch voneinander unabhängiger Verdichterantriebs- und Nutzleistungstifrbine sowie mit einer zusätzlichen Kraftmaschine zum Verdichterantrieb, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Kraftmaschine von einer von der Gasturbinenanlage getrennten Energiequelle derart gespeist wird, daß durch die der zusätzlichen Kraftmaschine zugeführte Energiezufuhr zu den Hauptturbinen nicht beeinflußt wird.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Verdichterantriebsmaschine als Gasturbine ausgebildet ist, die bei höherem Druck arbeitet als die Nutzleistungsturbine.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichterantriebs- und Nutzleistungsturbine hintereinander in Reihe geschaltet sind.

4. Anlage nach Anspruch 1 mit mehrstufiger Verdichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Verdichterantriebsmaschine einen Verdichter einer niedrigen Druckstufe antreibt.

5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Verdichterantriebsmaschine als Gasturbine mit einer von der Hauptturbinenanlage getrennten Einrichtung zur Erzeugung ihres Treibgases ausgebildet ist.

6. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Verdichterantriebsmaschine als Dampfturbine ausgebildet ist.

7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf für die zusätzliche Verdichterantriebs-Dampfturbine von einem mit besonderer Feuerung ausgestatteten Kessel geliefert wird.

8. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf für die zusätzliche Verdichterantriebsturbine in einem mit dem Abgas der Gasturbinenanlage beheizten Abhitzekessel erzeugt wird.

9. Anlage nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsmaschinen der Gasturbinenanlage, z. B. ein Wechselstromerzeuger, wahlweise mit Dampf aus dem Abhitzekessel oder mit einer Diesclmaschine angetriel>en werden.

10. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfturbine als Anlasser für die Gasturbinen-Kraftanlage ausgebildet ist.

11. Anlage nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Verwendung der sauerstoffhaltigen Abgase der Mutzleistungsturbine als Brennluft für die besondere Feuerung.

12. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Verdichterantriebs-Dampfturbine in ihrer ersten Stufe mit Frischdampf und in den Zwischendruckstufen mit dem Abdampf der die Hilfsmaschinen antreibenden Dampfturbine beaufschlagt wird, und daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, mit welcher das Verhältnis der Dampfmengen zu den Dampfturbinen für Verdichter- und Hilfsmaschinenantrieb einstellbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 921 655, 916 482,
915517, 872415;

schweizerische Patentschrift Nr. 250 742;
USA.-Patentschrift Nr. 2 231 912.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen