DE1100388B

DE1100388B - Gas turbine plant

Info

Publication number: DE1100388B
Application number: DEL27112A
Authority: DE
Inventors: Konrad Link
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1957-03-12
Filing date: 1957-03-12
Publication date: 1961-02-23

Description

Gasturbinenanlage Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage, die eine Nutzleistungsturbine, eine mechanisch von der Nutzleistungsturbine unabhängige Verdichterantriebsturbine, getrennte Brennkammergruppen für die beiden Turbinen sowie einen Wärmeaustauscher zur Vorwärmung der verdichteten Verbrennungsluft mittels der Abgase der Verdichterantriebsturbine aufweist.Gas turbine system The invention relates to a gas turbine system which a power turbine, one that is mechanically independent of the power turbine Compressor drive turbine, separate combustion chamber groups for the two turbines as well as a heat exchanger for preheating the compressed combustion air by means of the exhaust gases from the compressor drive turbine.

Die bisher bekannten Anlagen der vorbeschriebenen Art betreibt man aus Festigkeitsgründen so, daß die Temperatur der heißen Gase vor jeder Turbine nicht mehr als etwa 800° C beträgt. Dies erreicht man mit einem Luftüberschuß, der etwa dem Fünf- bis Sechsfachen des stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnisses entspricht. Die Folge des hohen Luftüberschusses bzw. der niedrigen Heißgastemperatur von etwa 800° C ist ein verhältnismäßig hoher Brennstoffverbrauch. Außerdem erfordert der hohe Luftüberschuß einen großen Verdichter mit einem entsprechenden Kraftbedarf. Auch dies wirkt sich ungünstig auf den Brennstoffverbrauch der Gesamtanlage aus.The previously known systems of the type described above are operated for reasons of strength so that the temperature of the hot gases in front of each turbine is no more than about 800 ° C. This is achieved with an excess of air, the about five to six times the stoichiometric air-fuel ratio is equivalent to. The consequence of the high excess of air and the low hot gas temperature of about 800 ° C is a relatively high fuel consumption. Also requires the high excess of air requires a large compressor with a corresponding power requirement. This also has an unfavorable effect on the fuel consumption of the entire system.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die vorgenannten Nachteile der bisher bekannten Anlagen in einfacher und betriebssicherer Weise zu vermeiden. Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß 1. die mit heißen Abgasen in Berührung kommenden Teile der Gasturbinenanlage in an sich bekannter Weise mit einer feuerfesten Ausfütterung versehen sind und daß 2. der Wärmeaustauscher als verstellbarer Luftverteiler ausgebildet ist. Und zwar soll dessen Strömungsquerschnitt für die Luftzufuhr zur Brennkamtnergruppe der Verdichterantriebsturbine bei der Verstellung unverändert bleiben und dessen Strömungsquerschnitt für die Luftzufuhr zur Brennkammergruppe der Nutzleistungsturbine sich bei der Verstellung verändern.The invention has set itself the task of eliminating the aforementioned disadvantages to avoid the previously known systems in a simple and reliable manner. To solve this problem, the invention proposes that 1. those with hot exhaust gases coming into contact with parts of the gas turbine system in a manner known per se a refractory lining are provided and that 2. the heat exchanger as adjustable air distributor is formed. And that should be its flow cross-section for the air supply to the combustion chamber group of the compressor drive turbine at the Adjustment remain unchanged and its flow cross-section for the air supply to the combustion chamber group of the power turbine change during the adjustment.

Zweckmäßig können die Verdichterantriebsturbine und die Nutzleistungsturbine als Rückdruckturbinen ausgebildet sein, in deren Laufrädern je ein mit der zugehörigen Brennkammergruppe in offener Verbindung stehender Verteilraum angeordnet ist, an den mehrere Rückdruckdüsen angeschlossen sind.The compressor drive turbine and the power turbine can expediently be designed as back pressure turbines, in their impellers each one with the associated Combustion chamber group is arranged in open communication with the distribution space to which several back pressure nozzles are connected.

Gegebenenfalls kann die Nutzleistungsturbine zwei auf einer gemeinsamen Welle angeordnete Laufräder für verschiedene Drehrichtungen aufweisen, deren Rückdruckdüsen entgegengesetzt gerichtet sind und die wahlweise mit Treibgas beaufschlagbar eingerichtet sind.If necessary, the power turbine can be two on a common Have impellers arranged on the shaft for different directions of rotation, their back pressure nozzles are directed in opposite directions and which can optionally be supplied with propellant gas are.

Weitere Einzelheiten der Erfindung seien an Hand von mehreren in der Zeichnung in vereinfachter Darstellungsweise veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine nicht umsteuerbare Gasturbinenanlage, Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine umsteuerbare Gasturbinenanlage sowie im vergrößerten Maßstab, Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Turbinenlaufrad, Fig. 4 einen Schnitt durch eine Rückdruckdüse entsprechend der Linie IV-IV in Fig. 3 und Fig. 5 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht eines Turbinenlaufrades.Further details of the invention are based on several in the Drawing in a simplified representation illustrated embodiments explained in more detail. 1 shows a longitudinal section through a non-reversible Gas turbine system, FIG. 2 shows a longitudinal section through a reversible gas turbine system and on an enlarged scale, FIG. 3 shows a cross section through a turbine runner, FIG. 4 shows a section through a back pressure nozzle according to the line IV-IV in FIG. 3 and 5 are a partially sectioned side view of a turbine runner.

Eine im ganzen mit 1 bezeichnete Gasturbinenanlage weist einen Turboluftverdichter 2, einen als verstellbarer Luftverteiler ausgebildeten Wärmetauscher 3, eine Verdichterantriebsturbine 4, eine Nutzleistungsturbine 5 sowie Brennkammern 6 und 6a auf. Die vom Verdichter 2 kommende Luft streicht an einer Wand 7 und an Rippen 8 des Wärmetauschers 3 vorbei und gelangt je nach dessen Einstellung ganz oder teilweise in die zu der Verdichterturbine 4 gehörigen Brennkammern 6, wo sie sich mit Brennstoff vermischt und verbrennt. Die in den Brennkammern 6 entstehenden heißen Gase strömen in einen Verteilraum 9 des Laufrades 10 der Verdichterantriebsturbine 4 und treten durch Rückdruckdüsen 11 dieses Laufrades aus. Dabei treffen sie zum Teil von der Abgasseite her auf die Wand 7 des Wärmetauschers 3, geben einen Teil ihrer Restwärme ab und entweichen durch einen Abgaskanal 12.A gas turbine system designated as a whole by 1 has a turbo air compressor 2, a heat exchanger 3 designed as an adjustable air distributor, a compressor drive turbine 4, a power turbine 5 and combustion chambers 6 and 6a. The one from the compressor 2 incoming air sweeps past a wall 7 and ribs 8 of the heat exchanger 3 and depending on its setting, it reaches the compressor turbine in whole or in part 4 associated combustion chambers 6, where it mixes with fuel and burns. The hot gases produced in the combustion chambers 6 flow into a distribution space 9 of the impeller 10 of the compressor drive turbine 4 and pass through back pressure nozzles 11 of this impeller. In doing so, they partially meet the from the exhaust side Wall 7 of the heat exchanger 3, give off some of their residual heat and escape through an exhaust duct 12.

Bei der in der Fig. 1 dargestellten Anlage gelangt je nach Einstellung des als verstellbarer Luftverteiler ausgebildeten Wärmetauschers 3 ein entsprechender Teil der verdichteten und vorgewärmten Luft zu den Brennkammern 6 a und von dort in den Verteilraum des Laufrades 13 der Nutzleistungsturbine 5. Durch dessen Rückdruckdüsen 11 treten die Gase aus und gelangen in einen Abgasstutzen 14, in den auch der Abgaskanal 12 mündet. Die Übertragung der Nutzleistung von der Turbine 5 erfolgt über eine Arbeitswelle 15. Bei der in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsform einer Gasturbinenanlage 1 a ist die Nutzleistungsturbine 5 mit zwei auf einer gemeinsamen Welle 16 sitzenden Laufrädern 17 und 17a mit je einem Verteilraum 9 und Rückdruckdüsen 11 versehen, die von der zugehörigen Brennkammergruppe 6 a aus mittels eines Verteilers 18 wechselweise beaufschlagt werden können und die Welle 16 in einem entsprechenden Drehsinn antreiben. Das Laufrad 10a der Verdichterantriebsturbine 4 hat nur axial orientierte Rückdruckdüsen, so daß alle dort austretenden Gase an der Wand 7 des Wärmetauschers 3 vorbeiströmen. Diese Wand kann zur Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche natürlich auch wie ihre Vorderseite mit Rippen besetzt sein.In the system shown in FIG. 1, depending on the setting of the heat exchanger 3 designed as an adjustable air distributor is a corresponding one Part of the compressed and preheated air to the combustion chambers 6 a and from there into the distribution space of the impeller 13 of the power turbine 5. Through its back pressure nozzles 11 the gases emerge and enter an exhaust gas nozzle 14, which also contains the exhaust gas duct 12 opens. The transmission of the useful power from the turbine 5 takes place via a Working shaft 15. In the embodiment shown in FIG a gas turbine system 1 a is the power turbine 5 with two on a common Shaft 16 seated impellers 17 and 17a, each with a distribution chamber 9 and back pressure nozzles 11 provided, from the associated combustion chamber group 6 a by means of a distributor 18 can be acted upon alternately and the shaft 16 in a corresponding one Drive direction of rotation. The impeller 10a of the compressor drive turbine 4 has only axial oriented back pressure nozzles, so that all gases escaping there on the wall 7 of the Flow past the heat exchanger 3. This wall can increase the heat transfer surface of course, like its front, it can also be ribbed.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen ein im ganzen mit 17 b bezeichnetes Turbinenlaufrad in etwas geänderter Ausführung. Sein Verteilraum 9 und seine Rückdruckdüsen 11 sind mit einer feuerfesten Ausfütterung 19 versehen. In der Fig. 5 wird das Laufrad 17b zum Teil durch den zugehörigen Verteiler 18 verdeckt.3 to 5 show a turbine runner designated as a whole by 17 b in a slightly different version. Its distribution space 9 and its back pressure nozzles 11 are provided with a refractory lining 19. In Fig. 5, the impeller 17b partially covered by the associated distributor 18.

Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage spielen sich folgende Vorgänge ab. Beim Anlassen treibt zunächst ein Hilfsmotor den Verdichter 2 an. Die gesamte von diesem gelieferte Luftmenge wird durch entsprechende Einstellung des als verstellbaren Luftverteilers ausgebildeten Wärmeaustauschers 3 in die Brennkammern 6 der Verdichterturbine 4 geleitet, wo ihr eine hinreichende Kraftstoffmenge zugeführt und die Verbrennungsvorgänge durch Fremdzündung eingeleitet werden. Dabei herrscht in der Brennkammer 6 ein gewisser beabsichtigter Luftüberschuß. Die dort entstehenden Heißgase beaufschlagen die Verdichterantriebsturbine 4, die allmählich den Antrieb des Verdichters 2 übernimmt.During the operation of the gas turbine system according to the invention, they play out the following operations. When starting, an auxiliary motor first drives the compressor 2 on. The total amount of air supplied by this is adjusted accordingly of the heat exchanger 3 designed as an adjustable air distributor into the combustion chambers 6 of the compressor turbine 4, where it is supplied with a sufficient amount of fuel and the combustion processes are initiated by spark ignition. There is in the combustion chamber 6 a certain intended excess air. The ones that arise there Hot gases act on the compressor drive turbine 4, which gradually turns the drive of compressor 2 takes over.

Nunmehr wird der Luftverteiler so eingestellt, daß eine genügend große Menge der vom Verdichter 2 gelieferten Verbrennungsluft in die Gruppe der Brennkammern 6 a der Nutzleistungsturbine 5 gelangt, wo die Verbrennung in ähnlicher Weise wie vorher bei der Verdichterturbine 4 eingeleitet wird. Während des Anlassens und der Leerleistung der Nutzleistungsturbine 5 braucht sich deren Laufrad 13 bzw. 17 oder 17a nicht unbedingt zu drehen. Es genügt, wenn die Brennkammergruppe 6 a der Nutzleistungsturbine 5 mit Selbstzündung arbeitet. Durch Abzweigen einer Teilmenge der Verbrennungsluft zu dieser Brennkammergruppe 6 a vermindert sich der Luftüberschuß in der Brennkammer 6 der Verdichterantriebsturbine 4 in erwünschter Weise.Now the air distributor is set so that a sufficiently large Amount of the combustion air supplied by the compressor 2 into the group of combustion chambers 6 a of the power turbine 5 arrives, where the combustion in a similar manner to is initiated beforehand at the compressor turbine 4. During starting and the Empty power of the power turbine 5 needs its impeller 13 or 17 or 17a does not necessarily turn. It is sufficient if the combustion chamber group 6 a of the power turbine 5 works with compression ignition. By branching off part of the combustion air the excess air in the combustion chamber is reduced for this combustion chamber group 6 a 6 of the compressor drive turbine 4 in a desired manner.

Wenn die Nutzleistungsturbine 5 effektive Leistung, d. h. ein Drehmoment an ihre Welle 15 bzw. 16 abgeben soll, wird eine größere Kraftstoffmenge in die Brennkammer 6 eingespritzt und dadurch die Verdichterantriebsturbine 4 höher beaufschlagt, was zu einer Drehzahlerhöhung und entsprechenden Mehrleistung des Luftverdichters 2 führt. Dazu ist der vorerwähnte beabsichtigte Luftüberschuß in der Brennkammer 6 nützlich, weil er für die zusätzlich eingespritzten Kraftstoffteilchen den momentan zur Verbrennung notwendigen Sauerstoff zur Verfügung stellt, wodurch in allerkürzester Zeit die gewünschte Drehzahl erreicht wird. Durch entsprechende Einstellung des Luftverteilers 3 kann man die vom Verdichter 2 zusätzlich geförderte Luftmenge der Brenn= kammergruppe 6a der Nutzleistungsturbine 5 zuleiten und hier mit einer größeren Kraftstoffmenge verbrennen.When the power turbine 5 has effective power, i. H. a torque to deliver to their shaft 15 or 16, a larger amount of fuel is in the Combustion chamber 6 is injected and the compressor drive turbine 4 is thereby subjected to higher pressures, which leads to an increase in speed and a corresponding increase in the performance of the air compressor 2 leads. For this purpose, the aforementioned intended excess air is in the combustion chamber 6 useful because it is the momentary for the additionally injected fuel particles provides the oxygen necessary for combustion, which in the shortest possible time Time the desired speed is reached. By setting the Air distributor 3 can be the amount of air additionally conveyed by the compressor 2 Combustion chamber group 6a of the power turbine 5 and here with a larger one Burn amount of fuel.

Es liegt auf der Hand, daß man die Beaufschlagung der Verdichterantriebsturbine 4 und die der Nutz-Leistungsturbine 5 mit Heißgasen durch entsprechende Regelung der Kraftstoffzufuhr zu den Brennkammern 6 und 6 a und entsprechende Einstellung des Luftverteilers 3 so aufeinander abstimmen kann, daß die Nutzleistungsturbine 5 jeweils das gewünschte Drehmoment erzeugt.It is obvious that one can act on the compressor drive turbine 4 and that of the useful power turbine 5 with hot gases through appropriate control the fuel supply to the combustion chambers 6 and 6 a and corresponding setting of the air distributor 3 can coordinate so that the power turbine 5 generates the desired torque in each case.

Der Luftverteiler 3 ist erfindungsgemäß so ausgebildet, daß er in jeder Stellung den vom Luftverdichter 2 zur Brennkammergruppe 6 der Verdichterantriebsturbine 4 führenden Luftweg vollständig freigibt. Er läßt sich ferner so einstellen, daß in Abstimmung mit der Beaufschlagung der Verdichterantriebsturbine 4 und der dadurch bedingten Leistung des Luftverdichters 2 eine regelbare Teilmenge der von dem Verdichter 2 gelieferten Verbrennungsluft zu den Brennkammern 6a der Nutzleistungsturbine 5 abgezweigt wird.The air distributor 3 is designed according to the invention so that it is in each position that of the air compressor 2 to the combustion chamber group 6 of the compressor drive turbine 4 Completely releases leading airway. It can also be adjusted so that in coordination with the application of the compressor drive turbine 4 and thereby conditional performance of the air compressor 2 a controllable subset of the compressor 2 supplied combustion air to the combustion chambers 6a of the power turbine 5 is branched off.

Bei der vorbeschriebenen Anlage ist neben einem Organ für die Luftverteilung auch noch ein Wärmeaustauscher notwendig, und zwar um die Gesamtmenge der ankommenden Verbrennungsluft durch mittelbaren Wärmeaustausch mit heißen Turbinenabgasen vor Eintritt in die verschiedenen Brennkammern 6 und 6 a möglichst weitgehend vorzuwärmen. Denn dann verringert sich der Kraftstoffbedarf der Brennkammern und erhöht sich der Wirkungsgrad der Gesamtanlage.In the system described above, there is also an organ for air distribution a heat exchanger is also necessary, namely for the total amount of the incoming Combustion air through indirect heat exchange with hot turbine exhaust gases To preheat as much as possible entry into the various combustion chambers 6 and 6 a. Because then the fuel consumption of the combustion chambers decreases and increases the efficiency of the overall system.

Durch die erfindungsgemäße Kombination eines Wärmeaustauschers mit einem Regelorgan für die Luftverteilung lassen sicht die sonst bei Ventilen, Schiebern od. dgl. und bei Wärmeaustauschern getrennt auftretenden Drosselverluste an einer Stelle zusammenfassen und damit verringern. Außerdem werden die bei Schiebern od. dgl. unvermeidbar auftretenden Turbulenzerscheinungen der durchströmenden Luft an den sich unmittelbar daran anschließenden Wärmeaustauscherflächen noch zur Verbesserung des Wärmeübergangs ausgenutzt.The inventive combination of a heat exchanger with A regulating device for the air distribution can be seen otherwise in the case of valves and slides Od. Like. And in heat exchangers separately occurring throttle losses at one Summarize and thus reduce the position. In addition, the od with sliders. Like. Inevitably occurring turbulence phenomena of the air flowing through the directly adjoining heat exchanger surfaces for improvement of the heat transfer exploited.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Gas turbine system with a power turbine, with a compressor drive turbine that is mechanically independent of the power turbine, with separate groups of combustion chambers for the two turbines and with a heat exchanger for preheating the compressed combustion air by means of the exhaust gases from the compressor drive turbine, characterized in that firstly the hot exhaust gases contact coming parts of the gas turbine plant (1 and l a) in are provided in known manner with a refractory lining (19) and, secondly, that the heat exchanger (3) is designed as an adjustable air manifold, the flow cross section for the air supply to the combustion chamber group (6) the compressor drive turbine (4) remains unchanged during the adjustment and its flow cross-section for the air supply to the combustion chamber group (6a) of the power turbine (5) changes during the adjustment.

2. Gas turbine plant according to claim 1, characterized in that the compressor drive turbine (4) and the power turbine (5) are designed as back pressure turbines, in their impellers (10, 10 a, 13, 17, 17 a or 17 b) each with the associated one Combustion chamber group (6 or 6a) is arranged in an openly communicating distribution space (9) to which a plurality of back pressure nozzles (11) are connected.

3. Gas turbine plant according to claim 2, characterized in that the power turbine (5) has two identical impellers (17 and 17a) arranged on a common shaft (16) for different directions of rotation, the back pressure nozzles (11) are directed in opposite directions and optionally with propellant gas are set up to be charged. Considered publications: German Patent Nos. 554 602, 688 312, 941240; Swiss patents No. 267 195, 269 975; French Patent Nos. 943 332, 955 994, 1 120 821; British Patent Nos. 587 612, 759 606; USA. Patent No. 1,945,608. Journal "Lastauto und Omnibus", Vol. 29, 1956, No. 8, pp. 359 to 361; "La Vie Automobile" magazine, vol. 56, 1956, no. 1502, p. 170; Magazine "The Motor Ship", Vol. 33, 1953, No. 396, pp. 520 and 521; Journal "Airplane", Vol. 89, 1955, No. 2309, p. 630; "Flight" magazine, vol. 70, 1956, no. 2492, pp. 680 to 682.