DE1115989B

DE1115989B - System for generating compressed air

Info

Publication number: DE1115989B
Application number: DEW24942A
Authority: DE
Original assignee: Winget Ltd
Current assignee: Winget Ltd
Priority date: 1958-02-03
Filing date: 1959-01-30
Publication date: 1961-10-26

Description

Anlage zum Erzeugen von Druckluft Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Erzeugen von Druckluft mittels einer mit einem Verdichter gekuppelten Gasturbine, bei der ein von der vom Verdichter geförderten Luft durchströmter Zwischenkühler vor dem Einlaß einer zusätzlichen Luftverdrängungsmaschine angeordnet ist, die den Druck der ihr vom Verdichter zugeführten Luft weiter erhöht und aus der die Druckluft zu der Verbraucherstelle gelangt, und zwar derart, daß der Anfangsdruck der dem Verdichter entnommenen Luft von einem relativ niedrigen Wert in einer weiteren Stufe auf einen relativ hohen Wert gesteigert werden kann.Plant for generating compressed air The invention relates to a plant for generating compressed air by means of a gas turbine coupled with a compressor, with an intercooler through which the air conveyed by the compressor flows is arranged in front of the inlet of an additional air displacement machine, which the The pressure of the air supplied to it by the compressor increases further and from which the compressed air reaches the consumer point, in such a way that the initial pressure of the dem Compressor extracted air from a relatively low value in a further stage can be increased to a relatively high value.

Mit kleinen einstufigen Radial- oder Axialverdichtern ist höchstens ein Verdichtungsverhältnis von etwa 2:I möglich. Mit mehrstufigen Maschinen können je nach Bedarf größere Verdichtungsverhältnisse erzielt werden. Mit Druckluft betriebene Arbeitsgeräte, wie Lufthämmer, Straßenbohrer, Betonbrecher usw., benötigen einen Arbeitsdruck von mindestens 'i bis 8 kg/cm2.With small single-stage centrifugal or axial compressors is at most a compression ratio of about 2: 1 is possible. With multi-stage machines you can larger compression ratios can be achieved as required. Powered by compressed air Work tools such as air hammers, road drills, concrete breakers, etc., need one Working pressure of at least 1 to 8 kg / cm2.

Es ist zwar schon vorgeschlagen worden, die Druckluft einem mit einer Gasturbine gekuppelten Radialverdichter zu entnehmen, der aber als einstufige Maschine auch auf einen Druck von etwa 2 kg/cm2 beschränkt ist. So kann beispielsweise eine kleine, mit 33 000 U/min umlaufende Gasturbine mit 60 PS Leistung einen Verdichter antreiben, der in der Minute etwa 3,4 ms Luft mit einem Druck von etwa 2 kg/cm2 liefert, wobei an der Turbinenwelle noch etwa 30 PS abnehmbar sind. Dieser Druck ist aber, wie schon erwähnt, für mit Druckluft betriebene Arbeitsgeräte zu niedrig. Er könnte nur durch eine mehrstufige Ausbildung des Verdichters gesteigert werden, was aber einen hohen Aufwand und eine komplizierte Bauweise erfordert, weil die Anordnung von Zwischenkühlern zwischen den einzelnen Stufen unumgänglich ist.It has already been proposed to use the compressed air with a Gas turbine-coupled centrifugal compressor can be seen, but as a single-stage machine is also limited to a pressure of about 2 kg / cm2. For example, a small, with 33,000 rpm rotating gas turbine with 60 HP power a compressor Propel the air per minute about 3.4 ms with a pressure of about 2 kg / cm2 supplies, whereby about 30 HP can still be removed from the turbine shaft. This pressure however, as already mentioned, it is too low for tools operated with compressed air. It could only be increased by a multi-stage design of the compressor, but which requires a lot of effort and a complicated construction, because the Arrangement of intercoolers between the individual stages is unavoidable.

Bei einer bekannten Anlage zum Erzeugen von Druckluft, bei der auch eine Gasturbine zum Antrieb eines Verdichters dient, wird ein Teil der von dem Verdichter verdichteten Luft durch eine Leitung zu dem Verbraucher gefördert, während der andere Teil durch eine zweite Leitung, einen Kühler und durch eine dritte Leitung zu eurem Hilfsverdichter gelangt, von dem aus Druckluft durch einen Wärmetauscher zu der Brennkammer und zu dem Verbraucher gefördert wird. Mit den Abgasen der Gasturbine wird der Wärmetauscher beheizt.In a known system for generating compressed air, in which also If a gas turbine is used to drive a compressor, it becomes part of that of the compressor compressed air conveyed through one line to the consumer, while the other Part through a second line, a cooler and through a third line to yours Auxiliary compressor arrives from which compressed air passes through a heat exchanger to the Combustion chamber and is promoted to the consumer. With the exhaust gases from the gas turbine the heat exchanger is heated.

Diese Anlage ist zwar für die Erzeugung großer Druckluftmengen geeignet, wie sie beispielsweise zum Betrieb eines Hochofens benötigt werden, sie ist aber für die Aufgabe, die sich die Erfindung gestellt hat, nämlich die wirtschaftliche Erzeugung von Druckluft für mit Druckluft betriebene Arbeitsgeräte, viel zu umfangreich und aufwendig.Although this system is suitable for generating large amounts of compressed air, as they are needed, for example, to operate a blast furnace, but it is for the task that the invention has set itself, namely the economic one Generation of compressed air for work tools operated with compressed air, much too extensive and laborious.

Die Erzeugung relativ kleiner Druckluftmengen mit einem hohen Wirkungsgrad wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Hauptteil der schnell strömenden Abgase der Gasturbine, ähnlich wie es bei Abgasturbinenanlagen für Brennkraftmaschinen bekannt ist, nach Art eines Injektors in der Weise nutzbar gemacht ist, daß durch den Injektor ein zum Zwischenkühlen dienender Luftstrom durch den Zwischenkühler hindurch und an dessen Bestandteilen vorbei hervorgerufen wird.The generation of relatively small amounts of compressed air with a high degree of efficiency is achieved according to the invention in that the main part of the fast flowing Exhaust gases from the gas turbine, similar to exhaust gas turbine systems for internal combustion engines is known, is made usable in the manner of an injector that by the injector an air flow through the intercooler serving for intermediate cooling is caused through and past its components.

Das Auslaßende des Auspuffrohres der Gasturbine kann hierzu im Inneren eines Abschnittes des Zwischenkühlers, und zwar angrenzend an dessen Kühlluftauslaß angeordnet und als Düse ausgebildet sein, die zusammen mit dem Kühlluftauslaß des Zwischenkühlers den Injektor bildet, der die Luftströmung durch den Zwischenkühler und an dessen Bestandteilen vorbei bewirkt.For this purpose, the outlet end of the exhaust pipe of the gas turbine can be inside a portion of the intercooler, namely adjacent to its cooling air outlet be arranged and designed as a nozzle, which together with the cooling air outlet of the Intercooler forms the injector, which the air flow through the intercooler and causes bypassing its components.

Die Anwendung solcher Injektoren ist bisher bei Gasturbinenanlagen auf deren Gas- und/oder Luftseite nur zum Ausgleich des in Wärmeaustauschem entstehenden Druckverlustes bekannt.The use of such injectors has so far been in gas turbine systems on their gas and / or air side only to compensate for the heat exchange occurring Pressure loss known.

Zum Zwischenkühlen der verdichteten Luft kann das Verdichtergehäuse an einer Stelle, an der die kinetische Energie der Luft vom Verdichter der Gasturbine noch vor ihrem Eintritt in die Brennkammer der Turbine in Druckenergie umgewandelt wird, mittels einer Verbindungsleitung an den Zwischenkühler angeschlossen sein, der außerdem durch eine Verbindungsleitung mit dem Einlaß der Luftverdrängungsmaschine verbunden ist.The compressor housing can be used for intermediate cooling of the compressed air at a point where the kinetic energy of the air from the compressor of the gas turbine converted into pressure energy before it enters the turbine combustion chamber is connected to the intercooler by means of a connection line connected be, which also by a connection line to the inlet of the air displacement machine connected is.

Zum Kühlen des Turbinenluftverdichters und der Luftverdrängungsmaschine können die Gasturbine mit Verdichter und die Luftverdrängungsmaschine in einem Gehäuse angeordnet sein, in das die Zufuhrluft für den Verdichter der Gasturbine durch einen Filter gefördert wird, der an dem der Gasturbine entgegengesetzten Ende des Gehäuses derart angeordnet ist, daß die Zufuhrluft für den Verdichter sowohl die Luftverdrängungsmaschine als auch den Turbinenluftverdichter und deren Bestandteile kühlt.For cooling the turbine air compressor and the air displacement machine the gas turbine with compressor and the air displacement machine in one housing be arranged, in which the supply air for the compressor of the gas turbine by a Filter is promoted at the end of the housing opposite the gas turbine is arranged such that the supply air for both the compressor and the air displacement machine as well as the turbine air compressor and its components.

Als Luftverdrängungsmaschine kann ein Kapselverdichter mit radialen Flügeln, einem Kolben, exzentrischem Rotor, Triebkranz (bzw. Schnecke) oder eine andere für hohe oder niedrige Betriebsdrehzahl geeignete Type dienen.A capsule compressor with radial Vanes, a piston, eccentric rotor, drive ring (or worm) or a other types suitable for high or low operating speeds are used.

Dabei kann die Gasturbine über ein an sich bekanntes Untersetzungsgetriebe mit der Welle des Kapselverdichters verbunden sein.The gas turbine can use a reduction gear known per se be connected to the shaft of the capsule compressor.

Ferner kann das Untersetzungsgetriebe in an sich bekannter Weise aus einer von Hand oder automatisch betätigten Kupplung oder einer anderen Kupplungseinrichtung bestehen oder eine solche Kupplung od. dgl. enthalten.Furthermore, the reduction gear can be made in a manner known per se a manually or automatically operated clutch or another clutch device exist or contain such a coupling or the like.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mit ihr ein Hochleistungsverdichter geschaffen wird, dessen Abmessungen gering sind und dessen Gewicht niedrig ist. Ein weiterer Vorteil ist durch die alleinige Anwendung von Luft als Kühlmittel zum Kühlen der Arbeitsmaschinen und des Zwischenkühlers gegeben.An advantage of the invention is that it is a high-performance compressor is created whose dimensions are small and whose weight is low. Another advantage is through the sole use of air as a coolant for the Cooling of the working machines and the intercooler given.

Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht. Es zeigt Fig. 1 die Anlage in Seitenansicht, teilweise im Schnitt, Fig. 2 die Anlage in Stirnansicht, Fig. 3 die Anlage im Schnitt nach der Linie I-1 der Fig. 2, Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab, Fig.5 einen Schnitt nach der Linie 111-11I der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab, Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab und Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab.The object of the invention is shown in the drawing using an exemplary embodiment illustrated. It shows Fig. 1 the system in side view, partially in section, FIG. 2 shows the system in front view, FIG. 3 shows the system in section along line I-1 FIGS. 2, 4 show a section along the line II-II of FIG. 1 in an enlarged manner Scale, FIG. 5 a section along the line 111-11I of FIG. 1 on an enlarged scale, 6 shows a section along the line IV-IV of FIG. 1 on an enlarged scale and 7 shows a section along the line V-V of FIG. 1 on an enlarged scale.

Der Gegenstand der Erfindung besteht aus einer einstufigen Radialgasturbine 1, die auch mehrstufig oder als ein- oder mehrstufige Axialgasturbine ausgebildet sein kann. Die Turbine kann in an sich bekannter Weise zusammen mit einem einstufigen Radialverdichter 3 auf einer Welle 2 angeordnet sein. Das aus der Turbine 1 und dem Verdichter 3 bestehende Aggregat ist in einem Gehäuse 4 untergebracht, das an einem Ende mittels eines angeflanschten Deckels 5 abgeschlossen ist. Das Verdichterrad 6 und die Turbinenscheibe 7 berühren sich mit ihren rückwärtigen Flächen. Die Luft wird den Radschaufeln 8 durch aus den Fig. 1 und 3 ersichtliche Lufteinlaßkanäle 9 zugeführt, die in dem Flanschende 10 des Deckels 5 und in dem Flansch 11 eines Getriebekastens 12 vorhanden sind. Durch die Drehung des Verdichterrades 6 wird die Luft durch die Einlaßkanäle 9 von den Radschaufeln 8 angesaugt und unter hohem Druck nach außen in eine ringförmige Ausströmkammer 13 gefördert, die sich zwischen dem Deckel 5 und einer ringförmigen Trennwand 14 befindet, die von mit ihr einstückigen radialen Leitblechen 15 getragen wird.The subject matter of the invention consists of a single-stage radial gas turbine 1, which can also be designed as a multi-stage or as a single-stage or multi-stage axial gas turbine. The turbine can be arranged in a manner known per se together with a single-stage radial compressor 3 on a shaft 2. The unit consisting of the turbine 1 and the compressor 3 is accommodated in a housing 4 which is closed at one end by means of a flanged cover 5. The compressor wheel 6 and the turbine disk 7 touch with their rear surfaces. The air is supplied to the wheel blades 8 through air inlet ducts 9 which can be seen in FIGS. 1 and 3 and which are present in the flange end 10 of the cover 5 and in the flange 11 of a gear box 12. As a result of the rotation of the compressor wheel 6, the air is sucked in through the inlet channels 9 by the wheel blades 8 and conveyed under high pressure to the outside into an annular discharge chamber 13, which is located between the cover 5 and an annular partition 14, which is radially integral with it Baffles 15 is worn.

Die verdichtete Luft strömt zwischen den Leitblechen 15 hindurch und gelangt teilweise in eine auch aus der Fig. 4 ersichtliche Brennkammer 16, die aus inneren Prallwänden 16A gebildet ist und in die Brennstoff eingeführt wird.The compressed air flows between the baffles 15 and partially arrives in a combustion chamber 16 which can also be seen in FIG. 4 and which is formed from inner baffle walls 16A and into which fuel is introduced.

Der durch Rohre 17 zugeführte Brennstoff wird in an sich bekannter Weise durch eine oder mehrere Brennstoffdüsen 18 eingespritzt, durch eine Zündvorrichtung 19 gezündet und verbrennt in der Brennkammer 16. Ein Teil der luftarmen Brenngase strömt zwischen der Trennwand 14 und einem Leitring 19' zwischen die Turbinenschaufeln 20, wodurch die Turbinenscheibe 7 mit ihren Schaufeln 20 und damit auch die Welle 2 mit hoher Geschwindigkeit gedreht werden.The fuel supplied through pipes 17 is injected in a manner known per se through one or more fuel nozzles 18 , ignited by an ignition device 19 and burns in the combustion chamber 16. Some of the air-poor combustion gases flows between the partition 14 and a guide ring 19 'between the turbine blades 20, whereby the turbine disk 7 with its blades 20 and thus also the shaft 2 are rotated at high speed.

Die Gasturbine 1 und der Verdichter 3 sind in einem Gehäuse 21 untergebracht, in das die Luft für den Verdichter durch einen Filter 22 an dem Gehäuseende eingelassen wird, das dem Ende gegenüberliegt, an dem das Turbinenaggregat angeordnet ist. An der Oberseite des Gehäuses 21 ist ein Zwischenkühler 23 angeordnet, dessen Einlaß 24 über dem Filter 22 liegt. Wie aus den Fig. 1 und 5 ersichtlich ist, hat der Zwischenkühler einen teils ausgebauchten, teils zylindrischen, aufwärts gerichteten Auslaß 25, der auf der Seite des Turbinenaggregates über dem Gehäuse 21 angeordnet ist. Die Welle 2 des Turbinenaggregates treibt über das im Getriebekasten 12 untergebrachte Untersetzungsgetriebe die aus der Fig. 6 ersichtliche Welle 26 einer Luftverdrängungsmaschine 27 an, die aus einem mit radialen Flügeln 33 ausgestatteten Kapselverdichter bekannter Konstruktion bestehen kann, vorzugsweise der aus der Fig. 6 ersichtlichen exzentrischen Kapselbauart mit Flügeln. Bei dieser bekannten Konstruktion ist die Welle 26, auf die der Rotor 29 aufgekeilt ist, exzentrisch zur Achse der bearbeiteten Bohrung 30 des Gehäuses 31 angeordnet, wobei der Rotor eine Anzahl Schlitze 32 aufweist, in denen die Flügel 33 gleiten.The gas turbine 1 and the compressor 3 are accommodated in a housing 21 into which the air for the compressor is admitted through a filter 22 at the end of the housing which is opposite the end on which the turbine unit is arranged. An intercooler 23, the inlet 24 of which is above the filter 22, is arranged on the upper side of the housing 21. As can be seen from FIGS. 1 and 5, the intercooler has a partly bulged, partly cylindrical, upwardly directed outlet 25 which is arranged above the housing 21 on the side of the turbine unit. The shaft 2 of the turbine unit drives the shaft 26, shown in FIG. 6, of an air displacement machine 27 via the reduction gear housed in the gear box 12, which can consist of a capsule compressor of known construction equipped with radial blades 33, preferably the eccentric one shown in FIG. 6 Capsule type with wings. In this known construction, the shaft 26 on which the rotor 29 is keyed is arranged eccentrically to the axis of the machined bore 30 of the housing 31, the rotor having a number of slots 32 in which the vanes 33 slide.

Das Untersetzungsgetriebe kann aus einer von Hand oder automatisch betätigbaren, nicht dargestellten Kupplung oder aus einer sonstigen Kuppelvorrichtung, beispielsweise einem Freilauf oder aus einer Vorrichtung mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten, durch eine Anlasserhandkurbel 32' zu betätigenden Anlasser bestehen.The reduction gear can be made either manually or automatically actuatable coupling, not shown, or from another coupling device, for example a freewheel or from a device with one in the drawing starter motor, not shown, to be actuated by a starter crank handle 32 ' exist.

An der Stelle, an der die kinetische Energie der vom Radialverdichter 3 geförderten Luft vor ihrem Eintritt in die Brennkammer 16 in Druckenergie umgewandelt wird, ist das Verdichtergehäuse 4 mittels einer Verbindungsleitung 34 an den Zwischenkühler 23 über eine Verbindungsleitung 35 angeschlossen, die über eine Verbindungsleitung 36 mit dem Einlaß 37 der Luftverdrängungsmaschine 27 verbunden ist. Die Aufgabe des Zwischenkühlers 23 besteht darin, einen Teil der vom Radialverdichter erzeugten Wärme abzuleiten, so daß die der Luftverdrängungsmaschine 27 zugeführte verdichtete Luft eine hinreichend niedrige Temperatur für ein wirksames weiteres Verdichten hat und daß die der Luftverdrängungsmaschine 27 entströmende Druckluft die gewünschte Temperatur nicht überschreitet.At the point where the kinetic energy of the centrifugal compressor 3 conveyed air is converted into pressure energy before it enters the combustion chamber 16 is, the compressor housing 4 is by means of a connecting line 34 to the intercooler 23 connected via a connecting line 35, which via a connecting line 36 is connected to the inlet 37 of the air displacement machine 27. The task of the intercooler 23 consists in a part of the generated by the centrifugal compressor Dissipate heat so that the air displacement machine 27 supplied to the compressed Air is a sufficiently low temperature for effective further compression and that the compressed air flowing out of the air displacement machine 27 has the desired Temperature does not exceed.

Wie die Fig. 7 zeigt, ist das Innenrohr 35 des Zwischenkühlers 23 mit Kühlrippen 35 a für eine bessere Wärmeübertragung auf die es umgebende Luftströmung versehen. Das Gehäuse der Luftverdrängungsmaschine 27 wird durch nicht dargestellte Kühlrippen mittels der Luft gekühlt, die durch den Filter 22 und das Gehäuse 21 zu dem Verdichter 3 des Turbinenaggregates strömt. Die durch die Luftverdrängungsmaschine 27 infolge der Drehung des Rotors 29 und der Bewegung der Flügel 33 verdichtete Luft strömt aus der Luftverdrängungsmaschine 27 durch einen Auslaß 38 aus, der mit der Druckluftverbraucherstelle verbunden ist.As FIG. 7 shows, the inner tube 35 of the intercooler 23 is provided with cooling fins 35 a for better heat transfer to the air flow surrounding it. The housing of the air displacement machine 27 is cooled by cooling fins (not shown) by means of the air which flows through the filter 22 and the housing 21 to the compressor 3 of the turbine unit. The air compressed by the air displacement machine 27 as a result of the rotation of the rotor 29 and the movement of the blades 33 flows out of the air displacement machine 27 through an outlet 38 which is connected to the compressed air consumer point.

Um die hohe Geschwindigkeit der Abgase der Gasturbine auszunutzen, wird der größte Teil der Abgase durch ein aufwärts gekrümmtes Auspuffrohr 39 geleitet, dessen oberes Ende 40 im Inneren der Ansaugleitung 41 des Zwischenkühlers 23 angeordnet ist und eine Düse bildet, so daß zusammen mit einer Einschnürung 42 des nach oben erweiterten Auslasses 25 ein Venturirohr entsteht, das den erforderlichen Unterdruck zum Ansaugen der Luft in den Zwischenkühler 23 erzeugt.In order to take advantage of the high speed of the exhaust gases from the gas turbine, most of the exhaust gases are passed through an upwardly curved exhaust pipe 39, the upper end 40 of which is arranged in the interior of the suction line 41 of the intercooler 23 and forms a nozzle, so that together with a constriction 42 of the outlet 25, which is widened upwards, a Venturi tube is created, which generates the negative pressure required to suck the air into the intercooler 23.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. System for generating compressed air by means of a gas turbine coupled to a compressor, in which an intercooler through which the air conveyed by the compressor flows is arranged in front of the inlet of an additional air displacement machine, which further increases and decreases the pressure of the air supplied by the compressor of the compressed air passes to the point of use, in such a way that the pressure of the withdrawn to the compressor air from a relatively low value can be increased in a further stage or in a plurality of further stages to a relatively high value, characterized in that the majority of the fast-flowing exhaust gases of the gas turbine (1) is made usable in the manner of an injector in such a way that the injector produces an air flow serving for intermediate cooling through the intercooler (23) and past its components.

2. Plant according to claim 1, characterized in that the outlet end (40) of the exhaust pipe (39) of the gas turbine (1) in the interior of a section of the intercooler (23), namely adjacent to its cooling air outlet (25) and designed as a nozzle which, together with the cooling air outlet (25) of the intercooler (23), forms the injector which causes the air flow through the intercooler (23) and past its components.

3. Plant according to claim 1, characterized in that the compressor housing at a point where the kinetic energy of the air from the compressor (3) of the gas turbine (1) is still converted into pressure energy before it enters the combustion chamber (16) of the turbine (1) is connected to the intercooler (23) by means of a connecting line (34) which is also through a connection line (36) to the inlet of the air displacement machine (27) is connected.

4. Plant according to one of the preceding claims, characterized in that the gas turbine (1) with compressor (3) and the air displacement machine (27) are arranged in a housing (21) into which the supply air for the compressor (3) of the gas turbine (1) is conveyed through a filter (22) which is arranged at the end of the housing (21) opposite the gas turbine (1) in such a way that the supply air for the compressor (3) both the air displacement machine (27) and the turbine air compressor (3) and its components cools.

5. Plant according to one of the preceding claims, characterized in that the gas turbine (1) as a single or multi-stage radial turbine or as a single or multi-stage axial turbine is trained.

6. Plant according to one of the preceding claims, characterized in that that the compressor (3) coupled to the gas turbine (1) is a single-stage or multi-stage Radial or axial compressor is.

7. Announcement according to one of the preceding claims, characterized in that a capsule compressor with radial vanes, a piston, eccentric rotor, drive ring (or screw) is used as the air displacement machine (27). Considered publications: German Patent Nos. 897 634, 941241, 967201.