DE1476914A1 - Drehzahlreduziervorrichtung fuer Gasturbinen - Google Patents

Description

^&asturbinen

Die Erfindttng "bezieht sich auf eine Drehsahlreduziervorrichtung für G-asturbinen.

Eine Drehzahlreduzierung ist bei G-asturbinen erforderlieh, weil Gasturbinen im allgemeinen relativ hohe Drehzahlen aufweisen. Bisher war es üblich, eine solche Reduzierung mit mechanischen Getrieben vorzunehmen, die schwere Maschinenteile aufweisen, welche einer Schmierung bedürfen und die verhältnismäßig teuer in der Herstellung sind.

E:i ist bisher auch nicht möglich gewesen, eine einwandfreie DreLzahlredusierung bei einer Einwellen-Gasturbine vorzunehmen, die direkt mit einem hydraulischen Drehmomentwandler verbunden ist, weil eine derartige Anordnung große Verluste und hohe !Temperaturen sur Folge hat sowie Kavitationsprobleme, llndiohtheiten und Vüllprobleme mit sich bringt. '

Durch die Erfindung aoller, diese Nachteile behoben werden, indem r;ur Drehzahlregulierung ein aerodynamischer Drehmomentwandler ■/orwon-ti.n ■_ .'iuaüt, Oöritexi':nä aus einem festen (^ehäiise, dem ein Druckaedium, z.B. Luft, zugeführt wird, sowie einem von der G-asi,\--rbirie angetriebenen Hotor und einem diesem gegenüberliegenden sw.'iten liotor mit einer Aus;;anfweIiLe-... Sowonl das Gehäuse des ürcihiiioiuentv/ancllers al.3 auch die in ihm untergebrachten Rotoren, von daiiOü 4er zweite vom ersten über das im Gehäuse eingebrachie

■Fluidum, ζ »Β» Luft, angetrieben v/ird, sind mit -Leitf lügein versehen. · *" " ' ^:;* ""■'"*"■

Die weiteren Maßnahmen, insbesondere die Leitungsverbindungen zwischen dem der Gasturbine zugeordneten Kompressor-Und dem Drehmomentwandler sowie zwischen dem Drehmomentwandler-und der Brennkammer der Gasturbine und der in diesen -vorgesehenen Regeleinrichtungnaienen Tor'^lielä. 'dazu, der Gasturbine su ermöglichen, bei jeder Belastung mit konstanter Eingangstemperafe tür zu laufen; Wärnevei-luste zurückan^-ev/innen und ihr Anlaufen zu erleichtern.

Bahere Einzelheiten der Erfindung sind der Zeichnung und ihrer Erläuterung zu entnehmen.

Die Zeichnung stellt ein Schaltbild für eine Drehzahlreduziervorrichtung für Gasturbinen nach der Erfindung dar»

Die Turbinenanordnung 10 v/eist einen"'Kompr ess or 11 und eine Gasturbine 12 auf, deren Läufer durch eine Welle 13 verbunden sind. Bin Teil des Ausganges des Kompressors IT'suromt als komprimierte Luft durch eine Leitung "14' zur Verbrennungskamrker W der Gasturbine 10. Die Abgase der Surbine 12 _;ehen durch eine Leitung 16 in die Atmosphäre ab» Die Leitungen' 14 und 16 ta.uscu.en bei 17 ihre Wärme aus. * *

Gemäß der Erfindung ist ein aerodynamischer DrennonentwarGler mit einem Gehäuse 21 vorgesehen, das feste Leitflügel 22 und einen Rotor 23 aufweist, der über eine' v/elle 24 mix der v/elle der Gasturbine verbunden ist» Das Gehäuse 21 lot dazu bestimmt,"" mit einem kompressiblen ITuidum, namentlich Luft, vom Kompressor gefüllt zu vier den, so daß durch das umlaufen des Rotors 23 die Luftströmung· eine Drehbewegung erfährt, die dazu bestimmt ist, einen Ausgangsrotor 25* und in Drehung damit die Ausgangwelle 2-j des aerodynamischen Drehmomentwandler anzutreiben, wobei die Luft

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gemäß den Pfeilen im Gehäuse 21 strömt. Der Ausgangrotor 25' kann Teil einer ein- oder mehrstufigen Turbine sein.

Der Drehmomentwandler 20 ist vorzugsweise vom radial auswärts fließenden Typ· Wie die Zeichnung zeigt, bewirkt der Drehmomentwandler eine einstufige Kompression und Expansion, aber er kann auch mehrere Kompressions- und/oder Expansionsstufen aufweisen. Es kann auch eine axiale Turbomaschinenanordnung verwendet werden. Das kompressible Fluidum in Form von komprimierter Luft fließt von dem Kompressor 11 zum Gehäuse 21 durch eine erste Luftleitung 26. Um »die Dichte des Fluidums im Gehäuse 21 zu regeln und für eine Beständigkeit durch einen Kühlstrom zu sorgen, erstreckt 3ich eine zweite Luftleitung 27 vom Gehäuse zur Verbrennungskamijggi^itung 14 in das Innere der Verbrennungs-

Die erste Luftleitung 26 ist mit ihrem Auslaß im Gehäuse 21 unmittelbar neben den festen Flügeln 22 und die zweite Luftleitung 27 ist mit dem Gehäuse 21 unmittelbar neben dem Ende der Stetürflügel verbunden· In den Luftleitungen 26 unä 27 sind Ventile 28 und 29 zum Regeln angeordnet. Die zweite Luftleitung 27 kann mit dem Gehäuse 21 an jeder Stelle zwischen dem Eintritt und den Austritt des Rotors 2> in Abhängigkeit von dem Differentialdruck verbunden werden, der für die Zirkulation in der Leitung 27 benötigt wird.

Um das Anlaufen der Turbine zu unterstützen, ist eine dritte Luftleitung 30 und ein dazugenori^es Ventil 31 zwischen dem Gehäuse 21 des aerodynamischen Drehmomentwandlers 20 und dem Einlaß 52 zum Kompressor Tl vorgesehen·

Ferner ist ein Druckregler 33 in der Leitung 26 angeordnet. Sr wird durch ein auf die Temperatur ansprechendes Element 34 am Eiiila.3 awisclien der Verbrennungskammer 15 und der Gasturbine 12 gesteuert. Ferner ist eir. auf die Temperatur ansprechendes Eleraont 35 vorgesehen, das von der Temperatur des kompressiblen iuns in Jekäv.se 21 abüäru'-i,=: 1st und ein Ventil 35* in der

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leitung 27 steuert. In den leitungen 30 und 26 sind außerdem Pumpen P1, P2 angeordnet. Zusätzlich ist ein Sauggebläse 36 durch eine Leitung 37 mit der leitung 26 verbunden, und ein Ventil 38 regelt die Arbeitsweise des Sauggebläses 36· Die Pumpe P1 und das Sauggebläse 36 können unabhängig und abwechselnd nach Wunsch betrieben werden.

Die Arbeitsweise der Gasturbine ist leicht zu verstehen durch die Betrachtung der Stationen in der Anordnung der verschiedenen Steuerungen zum Anlaufen und Beschleunigen. Für den Leerlauf und für die Vorbereitung der Gasturbine zum-Anlaufen ist das Gehäuse 21 so ausgelegt, daß die Dichte des Arbeitsmediums^ im Gehäuse sich beim Leerlauf dem Wert 0 nähert. Zusätzlich ist jeder Zufluß vom Kompressor 11 über die Leitungen 26 und 27 durch Schließen der Ventile 28 und 29 unterbrochen. Da die Dichte des Arbeitfluidums gleich Null ist, ergibt sich keine Kraftübertragung, wenn die Turbine umläuft. Als Ergebnis hiervon wird die Ausgangwelle 25 nicht umlaufen, und wenn überhaupt, so wird ihr Kriechen sehr geringfügig sein. So sind also während des Leerlaufes oder des Anlaufens die Ventile und 29 geschlossen, während das Ventil 31 geöffnet ist. Das Ventil 31 verbindet das Gehäuse 21 mit dem Kompressoreingang, der beim Arbeiten unter Unterdruck steht· Die Vakuumpumpe P1 kann dazu dienen, die Druckherabsetzung im Gehäuse 21 zu vergrößern, oder das Sauggebläse 36 kann von der Abluft des Kompressors angetrieben werden, um den Druck im Gehäuse 21 weiter herabzusetzen. .

Pur das Anlaufen der Gasturbine sind bei den Ventilen 28, 29 und 31 dieselben Maßnahmen vorgesehen wie beim Leerlauf. Der reduzierte Druck oder die Mediumdichte wird im Gehäuse aufrechterhalten, bis die Gasturbine ihre Arbeitsdrehzahl erreicht hat. Dies reduziert oder beseitigt den Luftwiderstand des aerodynamischen Pumpenelements 23 an der Gasturbine, und dadurch wird die Zeit zur Beschleunigung auf die volle Kraftdrehzahl ver-

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mindert. "

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Uachdem die Ärbeitsdrehzahl erreicht worden ist, werden die Ventile betätigt, und zwar derart, daß die Ventile 28 und 29 geöffnet werden und das Ventil 31 geschlossen wird, In dieser Stellung ergibt sich ein Jluß komprimierten Fluidums vom Kompressor 11 über die leitung 26 zum Gehäuse 21 des Drehmomentwandler s und über die leitung 27 zur Verbrennungskammer 15· Zu dieser Zeit wird das kompressible Pluidum im Gehäuse 21 komprimiert, um sich dem Austrittdruck des Gasturbinenkompressors zu nähern, Arbeit vom Eingangrotor 25 aufzunehmen und Kraft auf den Ausgangsrotor 25' zu übertragen, von wo sie als Wellenlei; stung übertragen wirdo m

tnn sicherzustellen, daß der Druck im Gehäuse 21 hinter dem Austrittdruck des Kompressors zurückbleibt und dabei ein Minimum an Luftwiderstand während des Beschleünigens bietet, ist es wichtig, daß die Ventile 28 und 29 eine gewisse Druckverminderung bewirkenp Das gleiche Resultat kann auch durch Einbau feststehender Stauscheiben in den Leitungen 26 und 27 erzielt werden.« Wenn StauscL.eiben verwendet werden, kann es notwendig sein, xfährend des Anlaufens auch noch zu den Ventilen 28 und '29 ähnliche Ventile zu haben, um das Anlaufen der Turbine zu erleichtern.

Um während des Arbeitens ein Bremsen oder eine Drehzahlherab- \ setzung der Gasturbine zu erzielen^wird im Gehäuse 21 ein wachsender Druck erzeugt, bis die'/Ausgangweile 25 auf ctie Je-" wünscnte Drehzahl heruntergeht« Die wachsende Verdichtung wird durch Herabsetzung der Strömung in der Leitung 27 zur Verbrennungskammer 15 bewirkt. Dies kann'durch teilweises Schließen des Ventils 29 oder durch Betätigung des Steuerelements ^3S,"^; eriflöä'licjit werden«, Alternativ kann die Kilfsdruckpumpe J⁵S be-* tätigt v/erden, um die fiiclite des ^luidums im Gehäuse 21 'zu erhöhen» Die angestiegene Diente des Flüidüms und die herabgesetzte Drehzahl decs Mngängsrotors bewirken eine Verzögerung der Drehzahl der Ausgangwelle 25·

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-S-

• .Um eine maximale Kapazität zu erzielen, kann das Bremsverhältnis, nämlich das Verhältnis zwischen dem Drehmoment der Ausgangwelle · bei der Verzögerung zum Drehmoment der Ausgangwelle bei der maximalen Drehzahl auf ein Optimum gebracht werden durch Varüerung der ladetemperatur und des Ladedrucks des aerodynamischen Drehmomentwaridlers im Verhältnis zur Drehzahl, d.h. dem Verhältnis der Ausgangdrehzahl zur Eingangdrehzahl. Die Temperaturregler 34 und 35 sowie der Druckregler 33 werden zur Erzeugung dieser optimalen Operation in Übereinstimmung mit dem Drehzahlverhältnis verwendet.

Der Temperaturregler 35 kann auch dazu benutzt werden, die maximal zulässige Temperatur des Arbeitfluidums im Gehäuse 21 zu begrenzen.

Die Temperaturregler 34 und 35 dienen dazu, einen Kiickfluß des Fluidums vom Gehäuse 21 des aerodynamischen DrehLiomentwandlers zur Turbine 12 zu beschränken. Der Temperaturregler 34.verändert insbesondere den Regelpunkt des Temperaturreglers 35 > um die Einlaßtemperatur der Gasturbine konstant zu halten. V/enn die Temperatur am Turbineneinlaß ansteigt, bewirkt der Temperaturregler 34 die Herabsetzung des Regelpunktes des Temperaturreglers 35 und öffnet das Ventil 35' mehr, um die Belastung der Welle ψ herabzusetzen. Dementsprechend veranlaßt der Druckregler 33 das Ventil 33', den Druck des Sluidums im Gehäuse 21 zu verändern. So wird auch der Druckregler 33 verändert, um den Ge-• häusedruek zu regeln, wenn die Eingangstemperatur der Gasturbine sich ändert.

Temperatur und Druck können im Gehäuse dabei derart geregelt werden, daß das Optimum für die gewünschte Eingangstemperatur in der Gasturbine· erzielt wird. Bei irgendeinem Kraftbedarf ■ ergibt sich der optimale Gasturbinenv/irkuhgsgrad aus der zulässigen maximalen■Turbinen-Eingangstemperatur»

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Die Erfindung ermöglicht eine Regelung ohne Verwendung von veränderlichen Ventilen, mehrstufigen Eotoren und anderen technischen Einrichtungen. Im ganzen gesehen, wird dies durch Einstellung der Grasturbinendrehzahl auf ihren niedrigsten Wert erreicht, bei dem die benötigte Kraft geliefert werden kann, ohne die zulässige maximale !Turbinen-Einlaßtemperatur zu überschreiten· Wie vorstehend dargelegt, kann dies bei der vorliegenden Anordnung durch Änderung des Eingangdruckes und/oder der Eingangs temperatur des aerodynamischen Drehmomentwandlere bewirkt werden·

Bei Anwendung der vorliegenden Erfindung werden die inneren Verluste des aerodynamischen Drehmomehtumformers in der Turbinen-Kraftanlage regenerativ wiedergewonnen durch die Rückkehr der komprimierten Luft mit einer höheren Temperatur als sie vom Kompressor empfangen wurde. Gleichzeitig bewirkt dieser gleichmäßige Fluß durch den aerodynamischen Drehmomentwandler eine Innere Kühlung zur Begrenzung der Temperatur auf einen für die bei dieser Konstruktion verwendeten Materialien erträglichen Wert.

Nachstehend seien einige der durch die Erfindung bewirkten Vorteile aufgeführt!

1 · Drehzahlhera.bsetzung ohne Getriebe oder hydraulische Umformer,

2· Wiedergewinnung von₄übertragungsverlusten,

3 · Besseres Anlaufen und Beschleunigen der Gasturbine ohne Verwendung von veränderlichen Einstellklappen weder in der Gasturbine noch im Drehmomentwandler,

4· eine einzige Gasturbinenwelle, welche die Gleichmäßigkeit ' einer freien Kraftturbine bewirkt,

5. im wesentlich konstante Turbinen-Eintrittemperatüren bei allen Belastungen,

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.6. maximale Kapazität durch Veränderung der Eingangtemperatur und des Eingangdruckes des aerodynamischen Drehmomentumformers im Verhältnis zum Drehsahlverhältnis₉

Anstatt die Leitung 27 mit dem Einlaß der Verbrennungskammer zu verbinden, kann sie auch mit dem Auslaß der Verbrennungskammer 15 verbunden werden, so daß ein zusätzlicher Druckabfall erzielt wird, der eine Zirkulation im Drehmomentwandler auch ohne eine Betätigung der Pumpe P2 bewirkt»

Zusätzlich kann durch Umleitung der Strömung über die Leitung 27 der aerodynamische Drehmomentwandler als Quelle einer pneumatischen Kraft verwendet v/erden, d.h.» bei einem höheren Druck" als dem der Gasturbine.

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Claims (1)

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P a t .e η t ansprüohe

Drehzahlreduziervorrichtung für Gasturbinen, gekennzeiohne t durch einen aerodynamischen Drehmomentwandler (20), "bestehend aus einem feststehenden ö-ehäuse (21), dem ein "Druckmedium, z.Bo Luft, zugeführt wird, sowie einem von der Gasturbine angetriebenen Rotor (2p) und einem diesem gegenüberliegenden zweiten Rotor (2"5') mit einer Ausgangwelle (25).

2. Drehzahlreduziervorrichtung für Gasturbinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das Gehäuse (21) als auch die Rotoren (23, 25') des Drehmomentwandlers (20) mit Leitflügeln für das eingeführte Jluidum versehen sind.

c Drelizahlredu-yiervorricxitung für Gasturbinen nach den Ansprüchen 1 und 2, cir.duvch gekennzeichnet, daß von dem mit der Gasturbine gekoppelten Kompressor (11) ein Teil der komprimierten Luft der Yerbremiun^Bkaniiaer (15) der Gasturbine, ein Teil dem Drehmomentwandler (20) und vom ^rehmomentwandler ein !!'eil der abgehenden Luft wieder dem Kompressor zugeleitet wird«

4« Dreh^ahlredtziervorriciitung für Gasturbinen nach den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (26) vom Kompressor (11) zum Drehmoiaentwanttler (20) nahe der Aciise des Gehäuse3 (21) in dieses einmündet und die Ableitung (30) vom Drehmomentwandler zum Kompressor nahe der radialen Außenwand des Ge.iäuaes (21) austritt und "beide Leitungen (2b, 30) mit Jiege!ventilen (23, 31) versehen üindo

ο Oreiiiiahlreduziervorricirfcun/j für Gasturbinen ncr.ch den An-

oprüchen 1 Iiiö 4, ^ekeruiZclchiiet durch eine nit einem Regel— {2j) vcrrjüliorie Yurbindun_fj;sleitung (27) zwischen dem

(20) \ind der ureniikamner (15) der Gasturbine

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(12), die aus dem Gehäuse (21) des Drehmomentwandler (20) etwa in dessen radialer Mitte austritt.

6. Drehzahlreduziervorriehtung für Gasturbinen nach, den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Verbindungsleitungen (27, 30) zwischen dem Kompressor (12) und dem Drehmomentwandler (20) Pumpen (P2, P1) angeordnet sind und zv/ischen diesen leitungen eine Verbindungsleitung (37) mit einem durch ein xlegelventil (3ö) gesteuertes Gebläse (36) vorgesehen ist»

7ο Drehzahlreduziervorriehtung i'ür Gasturbinen nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbind ungsleitung (26) vom Kompressor (11) zum Drehmomentwandler (20) ein Druckregler (33) vorgesehen ist, der von einem auf die temperatür des aus der iSrennkarnraer (15) zur Gasturbine (12) austretenden Gases ansprechenden Element (34) gesteuert wird.

8. Drehzahlreduziervorrichtung für Gasturbinen nach den Ansprüchen 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung (27) vom Drehiißmentwandler (20) zur Brenn- ^ kammer (15) der Gasturbine ein Ventil (35') angeordnet

ist, das von einem auf die Temperatur des im Drehmoment- * wandler (20) befindliehen Mediums (luft) ansprechenden Elenent (35) gesteuert wirdo

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