DE1258193B - Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

F02c

Deutsche Kl.: 46 f-3/70

Nummer: 1258 193

Aktenzeichen: A 447331 a/46 f

Anmeldetag: 7. Dezember 1963

Auslegetag: 4. Januar 1968

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer zur Deckung großer Überlast eingerichteten Gasturbinenanlage, mit Verstellbarkeit der Fördermenge des Luftverdichters und mit Verwendung eines Zusatzmediums zur Leistungssteigerung der Anlage.

Zur Regelung thermischer Strömungsmaschinen, worunter Verdichter und Turbinen zu verstehen sind, ist es bekannt, verstellbare Leit- oder Laufschaufeln anzuwenden. Es ist dadurch möglich, bei einem Verdichter trotz gleichbleibender Drehzahl die Druck-Volumen-Charakteristik oder bei einer Turbine das Schluckvermögen zu ändern. Ebenso ist es bekannt, die Druck-Volumen-Charakteristik eines Verdichters durch Verstellen der Drehzahl zu ändern. Durch diese Regelmöglichkeiten kann die Druckhöhe oder das Fördervolumen des Verdichters oder die Leistungsabgabe der Turbine den Erfordernissen angepaßt werden.

Ferner ist es bei Gasturbinen bekannt, durch Einführung eines vorzugsweise gasförmigen Mediums in das Arbeitsmittel der Turbine, wofür z. B. Wasserdampf, Luft oder Stickstoff in Frage kommt, die Nutzleistung der Anlage zu erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, trotz Verwendung eines Luftverdichters und einer Gasturbine von gegebener Normalleistung und unter Ausnutzung der bekannten Regelmöglichkeiten einen noch höheren Grad von Mehrleistung zu erhalten. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Fördermenge und somit die Leistungsaufnahme des Luftverdichters verkleinert wird, wenn das Zusatzmedium dem Arbeitsmittel beigemischt wird.

Durch das Einführen des Zusatzmediums in das Arbeitsmittel der Gasturbine, was sowohl vor als auch nach der Brennkammer erfolgen kann, nimmt bei gleichbleibender Druck-Volumen-Charakteristik des Luftverdichters die Durchflußmenge durch die Turbine und daher auch der Druck vor der ersten Schaufelreihe zu. Der Druck nach dem Verdichter wird ebenfalls höher und nähert sich der Pumpgrenze. Die maximal zulässige Menge des Zusatzmediums wird dadurch begrenzt.

Um diese Menge möglichst groß halten zu können, wird gemäß der Erfindung gleichzeitig mit dem Einführen des Zusatzmediums die Fördermenge des Verdichters und damit auch seine Leistungsaufnahme verkleinert. Dies kann durch entsprechende Verstellung der Schaufeln des Verdichters oder durch Herabsetzung seiner Drehzahl erfolgen. Der Druck vor der Turbine kann durch diese Maßnahme konstant gehalten werden, er kann auch ansteigen oder sogar etwas absinken. Demgemäß wird auch die Leistung Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage

Anmelder:

Aktiengesellschaft Brown, Boveri& Cie.,
Baden (Schweiz)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,

8000 München, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:

Andre Marque, Paris;

Rene Charpentier,

Le Plessis-Trevise, Seine-et-Oise (Frankreich);

Dipl.-Masch.-Ing. Tadeusz Zaba,

Wettingen (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 11. Dezember 1962 (1 340 751)

der Turbine gleichbleiben, größer werden oder zurückgehen. In allen genannten Fällen ergibt sich durch den verkleinerten Leistungsbedarf des Verdichters ein Mehrbetrag an resultierender Nutzleistung, dessen Ausmaß von der Menge des Zusatzmediums abhängt. Die Regelung der drehbaren Verdichterschaufeln wird vorzugsweise so eingestellt, daß der Abstand zwischen dem Druck an der Pumpgrenze und dem Betriebsdruck einen bestimmten Minimalwert nicht unterschreitet. Ähnlich läßt sich auch die Drehzahlregelung eines Verdichters durchführen. Diese Lösungen haben den Vorteil, daß der Luftverdichter bei Betrieb der Anlage mit und ohne Zusatzmedium in seinem Bestpunkt arbeitet.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist auch die Turbine mit drehbaren Schaufeln ausgestattet. Gleichzeitig mit dem Beimischen des Zusatzmediums und der Verkleinerung der Fördermenge des Verdichters werden die Schaufeln der Turbine so verstellt, daß ihre Strömungsquerschnitte vergrößert werden. Durch diese Maßnahme bleibt der Druck vor der Turbine trotz der größeren Durchflußmenge annähernd konstant, ihr

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Wirkungsgrad bleibt ungefähr gleich, ihre Leistung nimmt zu und die resultierende Nutzleistung erreicht einen hohen Betrag.

Die Gasturbinenanlage arbeitet normalerweise in ihrem Bestpunkt, d. h., die Turbine und der Verdichter sind optimal belastet. Auch das Verdrehen der Verdichter- und Turbinenschaufeln bewirkt praktisch keine Änderung der Maschinenwirkungsgrade.

Die Beimischung des Zusatzmediums in das Arbeitsmittel, worunter sowohl die Druckluft als auch die heißen Verbrennungsgase zu verstehen sind, kann an einer beliebigen Stelle zwischen dem Luftverdichter und der Gasturbine erfolgen, bei hoher Temperatur desselben zweckmäßigerweise nach der Brennkammer. Ist die Temperatur des Zusatzmediums jedoch tief, dann ist es vorteilhafter, es in die Druckluft einzuführen und dieses Gemisch der Brennkammer zuzuleiten. Man vermeidet auf diese Weise, die Flamme abzukühlen, wie es bei den bekannten Einrichtungen der Fall ist, bei denen das Zusatz- so medium direkt in die Brennkammer eingeleitet wird. Überdies kann dasDruckluft-Zusatzmedium-Gemisch zur Kühlung der. Brennkammer und der Gasturbine verwendet werden. Dies erlaubt, die Temperatur der heißen Gase vor der Turbine zu erhöhen, was in Kombination mit den vorher genannten Möglichkeiten die größte Mehrleistung der Gasturbinenanlage ergibt.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens dargestellt, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Gasturbinenanlage mit den für das Verständnis wichtigsten Teilen;

Fig. 2 ist eine Variante davon;

F i g. 3 bis 5 zeigen die Ausführung der Beimischvorrichtung.

In den Fig. 1 und 2 bedeutet 1 die Einspritzvorrichtung und 2 die Luftleitung, welche den Luftverdichter 3 mit der Brennkammer 12 verbindet. Das Druckluft-Zusatzmedium-Gemisch strömt zwischen der Außenwand 4 der Brennkammer und deren Innenwand 5, welche den Brennraum bildet. So kühlt es diese Innenwand, bevor es durch Öffnungen 6 unterhalb der Flamme in den Brennraum eintritt, wo die Verbrennung erfolgt. Gleicherweise kann das Gemisch zur Kühlung der Wände des Gasturbineneinlasses 7 dienen, ebenso des Rotors und der Schaufeln, wie es bei 8 durch einen Pfeil angedeutet ist.

Andererseits kann es von Interesse sein, die Wände des Turbineneinlasses 7 und gegebenenfalls den Rotor und die Schaufehl der Gasturbine 13 vorwiegend mit dem Zusatzmedium selbst zu kühlen. Eine Verwirklichung dieses Konzepts zeigt Fig. 2, in welcher 10 die Beimischvorachtung für das Zusatzmedium in den Kühlmittelweg der Rohrverbindung 14 zwischen Brennkammer 12 und Turbineneinlaß 7 bedeutet.

In den Gasturbinenanlagen, die in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht sind, wird die für die Verbrennung notwendige Luft dem Druckluft-Zusatzmedium-Gemisch entnommen. Wird durch die Beimischung des Zusatzmediums bei 1 der Sauerstoffgehalt des Gemisches zu sehr herabgesetzt, was eine Verschlechterung der Verbrennung zur Folge hätte, so kann nach Fig. 2 eine eigene Luftzuführung 15 zum Brenner vorgesehen werden, die direkt vom Verdichter 3 kommt oder von der Luftleitung 2 abgezweigt wird. Sinngemäß darf die Beimischung des Zusatzmediums erst nach der Entnahme der Verbrennungsluft erfolgen. Soll zur Steigerung der Temperatur der Verbrennungsgase dem Prozeß vermehrt Brennstoff zugeführt werden, so kann um so eher Sauerstoffmangel eintreten. In diesem Falle ist es vorteilhaft, ein regelbares Drosselorgan 16 in der Luftleitung 2 nach der Entnahmestelle für die Verbrennungsluft vorzusehen. Bei Drosselung wird der Brennkammer über die Luftzuführung 15 vermehrt Verbrennungsluft zugeführt.

Um eine sehr gleichmäßige Einführung des Zusatzmediums sicherzustellen, ist eine regelbare Vorrichtung vorgesehen, welche es erlaubt, die Einblasrichtung zu ändern, ohne die Düse zu wechseln.

Die in Fig. 3 dargestellte Beimischvorrichtung 1 ist folgendermaßen ausgeführt: Eine Anzahl Düsen 9 ist auf einer Scheidewand 11, die die Form eines Kegelstumpfes mit 90° Spitzenwinkel hat, angebracht. Die Düsen sind mit einer Bohrung versehen, deren Achse XX' unter 45° zur Körperachse YY' geneigt ist. Man kann so durch eine einfache Drehung um die Achse YY' den Luftstrahl mit der allgemeinen Richtung F unter beliebigem Winkel treffen, wie es die F i g. 4 und 5 zeigen. Sobald der richtige Einblaswinkel gefunden ist, genügt es, die Drehmöglichkeit der Düsen durch Schweißung oder ein anderes Fixiermittel zu unterbinden.

Die gleiche Einrichtung kann verwendet werden, wenn das Einblasen im Gegenstrom vorzunehmen ist.

Die Ansprüche 4 bis 10 werden nur im Zusammenhang mit dem Hauptanspruch aufrechterhalten, da die darin enthaltenen Merkmale an sich bekannt sind.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb einer zur Deckung großer Überlast eingerichteten Gasturbinenanlage mit Verstellbarkeit der Fördermenge des Luftverdichters und mit Verwendung eines Zusatzmediums zur Leistungssteigerung der Anlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördermenge und somit die Leistungsaufnahme des Luftverdichters (3) verkleinert wird, wenn das Zusatzmedium dem Arbeitsmittel beigemischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich das Schluckvermögen der Gasturbine (13) in an sich bekannter Weise vergrößert wird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zur Anpassung des Luftverdichters (3) an die jeweilige Belastung der Anlage und durch eine Vorrichtung (1), durch die das Zusatzmedium dem Arbeitsmittel nach dem Luftverdichter beigemischt wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftverdichter (3) mit drehbaren Schaufehl versehen ist.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Mittel zur Anpassung der Gasturbine (13) an die jeweilige Belastung der Anlage.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbine (13) mit drehbaren Schaufeln versehen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beimischung des Zusatzmediums zumindest teilweise nach der Entnahme der Verbrennungsluft, jedoch vor der Brennkammer (12) erfolgt.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein regelbares Drosselorgan (16) in der Luftleitung (2), das nach der Entnahmestelle für die Verbrennungsluft angeordnet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) zur Beimischung des Zusatzmediums in das Arbeitsmittel einstellbar ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmedium auch zur Kühlung von Anlageteilen (7, 12, 14) verwendet wird, wodurch höhere Temperaturen vor der Gasturbine (13) zulässig sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 522718; schweizerische Patentschriften Nr. 332 967, 614, 248 309, 220292, 205 302; französische Patentschrift Nr. 348124; britische Patentschrift Nr. 774420;

Zeitschrift »Brennstoff—Wärme—Kraft (BWK)«, Bd. 7 (1955), Heft 1, S. 39 und 40.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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