DE2241202A1

DE2241202A1 - Gasturbinenanlage mit waermetauscher

Info

Publication number: DE2241202A1
Application number: DE19722241202
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr Techn Hagen
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1972-08-22
Filing date: 1972-08-22
Publication date: 1974-03-07
Also published as: FR2197111B1; FR2197111A1

Description

Gasturbinenanlage mit Wärmetauscher

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage mit mindestens einem Niederdruck- und einem Hochdruckteil, die jeweils mit Verdichter, Wärmetauscher, Brennkammer und Turbinenteil ausgestattet sind.

Um den Wirkungsgrad einer Gasturbinenanlage zu verbessern, wendet man Wärmetauscher an, in denen der verdichteten Frischluft Wärme zugeführt wird, die den Abgasen entzogen wurde; der thermische Wirkungsgrad von Gasturbinen mit einem ungeteilten Arbeitsprozess (mit nur jeweils einem Verdichter, Wärmetauscher, Brennkammer und Turbine) steigt mit steigendem Druckverhältnis zwischen unverdichteter und verdichteter Frischluft zuerst bis zu einem Optimum an, das bei etwa 1:4 liegt, und fällt dann wieder ab. Verglichen mit einer Gasturbinenanlage ohne Wärmetauscher, deren Druckverhältnis je nach dem Wirkungsgradniveau bis auf 1:30 gesteigert werden kann, erzielt eine Gasturbinenanlage mit Wärmetauscher nur eine geringere Leistungkonzentration, wodurch grössere Bauabmessungen nötig werden, als sie für Gasturbinen ohne Wärmetauscher erforderlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasturbinenanlage zu schaffen , die trotz hoher Leistungskonzentration einen optimalen thermischen Wirkungsgrad gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, einen kombinierten Hoch- und Niederdrucksarbeits— prozess durchzuführen und die Turbinenabgase auf einen

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Hochdruckwärmetauscher und einen Niederdrückwärraetauacher zu verteilen. Hierbei wird im Niederdruck- wie Im Hoch» di*ucksyatem verdichtet; beiden Systemen wird Wärme,,»erst. durch Wärmetausch und anachliessend in je einer Brennkammer zugeführt« Je nachdem die Abgase des Hoch- und Niederdruck— systems getrennt oder gemeinsam abströmen, erfolgt die erfindungsgemässe Aufteilung auf verschiedene Weise, wobei deren wesentlicher Gesichtspunkt darin besteht, dass der im Abgas enthaltene und im Hochdruckwärmetauscher aufgrund des schlechten thermischen Wirkungsgrades des Hochdruck— arbeitsprozesses nicht übertragene Teil der Wärme noch im Niederdruckwärmetauscher genutzt wird. So kann bei der Auslegung des Hochdruckteils ein für die Leistungsdichte vorteilhaftes Verdichtungsverhältnis vorgesehen werden,

auch wenn der Wirkungsgrad des Hochdruckarbeitsprozesses dadurch für sich betrachtet beeinträchtigt wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden gemeinsam abströmende Abgase so aufgeteilt, dass sieh nach erfolgtemWäraetausch in der komprimierten Frischluft des Hoch- und Niederdrucksystems etwa das gleiche Temperaturniveau einstellt.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung fallen die Abgase de3 Hoch- und Niederdrucksystems getrennt an; hierbei werden die Abgase des Niederdrucksystems zum Aufheizen der Frischluft des Hochdruckprozesses und die Abgase des Hochdrucksystems zum Aufheizen der Frischluft des Niederdruckprozesses verwendet; hierdurch ist gewährleistet, dass die wegen des ungünstigen thermischen Wirkungsgrades\im Hochdruckprozess anfallende ungenützte Wime im Niederdruckprozess mit gutem thermischem Wirkungsgrad rerwertet wird. Zumal wenn wegen der hohen Leistungsdichte der Hochdruckteil für wesentlich höheren Durchsatz ausgelegt ist als der Niederdrückten, dient der Niederdruckteil im wesentlichen nur zum wirtschaftlichen Nutzen der

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im Hochdruckteil nicht mehr verwerteten Restwärme; es ist dann bedeutungslos, wenn der Hochdruckw^rmetauseher die Restwärme des Niederdruckteils nur noch mit schlechtem thermischem Wirkungsgrad nutzt*

Eine weitere erfindungsgemässe Anordnung weist für Hoch- und Niederdruckteil je eine Welle auf, wobei an jeder Nutzleistung abgenommen wird. Eine derartige Gasturbinenanlage eignet sich insbesondere für den Antrieb eines Fahrzeugs mit Nebenantrieben; während im Stand des Fahrzeuges der zum Fahrantrieb vorgesehene Teil der Anlage stillstehen kann, bleibt der andere Teil der Anlage in Tätigkeit, um Leistung abzugeben. Hierbei kann der wirtschaftlichere Teil der Anlage für den Hauptverwendungszweck vorgesehen werden. Zum Beispiel wird ein selbstfahrendes Stromaggregat den Hochdruckteil zum Antrieb des Fahrzeugs verwenden, während der wirtschaftlichere Niederdruckteil so ausgelegt ist, dass er das Stromaggregat antreibt; umgekehrt wird ein Bergungspanzer, bei dem ein grosser Aktions- _m radius wichtig ist_s den wirtschaftlicheren Niederdruckteil als Fahrantrieb nutzen, während der Hochdruckteil zum Antrieb von Winden und Hubwerken verwendet wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden der Hoch— und der NMe r druckt eil als Gaserzeuger verwendet, während die beiden Arbeitsturbinen, die jeweils vom Hoch- und X¹Om Niederdruckstrom beaufschlagt werden, hierbei auf einer gemeinsamen Welle angebracht sind» Insbesondere wenn die Arbeitsturbinen mit verstellbaren Leitapparaten ausgestattet sind, eignet sich diese Anordnung für Fahrzeugantriebe, da die Trennung von Gaserzeuger und Nutzturbine eine besonders gute Regelbarkeit ergibt, insbesondere was das Beschleunigungsvermögen anbelangt.

Eine andere Anordnung sieht eine einzige Gaserzeugerwelle vor, auf der Hoch- und Niederdruckverdichter angeordnet

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sind· Als Nutzturbine dient die durch die Gase der Hochdruckbrennkammer betriebene Hochdruckturbine, die zur besseren Regelbarkeit mit Verstelleitschaufeln ausgestattet ist, und in der die Gase bis auf einen weiteren nutzbaren Zwischendruck entspannt werden· i

Eine besonders einfache Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das gesamte, nutzbare Druckverhältnis des Hochdrucksystems in einer auf einer eigenen Welle angeordneten Hochdruckturbine verarbeitet wird, Hoch- und Niederdruckverdichter dagegen zusammen mit der Niederdruckturbine zusammen auf einer Welle angeordnet sind· Auch diese Ausgestaltung der Erfindung eignet sich isfcibe sondere für den Fahrantrieb, da bei arbeitendem fiaserzeuger die Arbeitsturbine bis zum Stillstand abgebremst sein kann; es ist also dann beim Anfahren nicht notwendig, auch den Gaserzeuger mit zu beschleunigen. Hierdurch werden bei hohem Durchsatz sehr kleine Läuferdurchmesser im Gaserzeuger ermöglicht, da die hierzu notwendigen hohen Drehzahlen des Gaserzeugers nicht bei jedem Lastwechsel geändert zu werden brauche».

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird der Niederdruckverdichter durch die Niederdruckturbine angetrieben, wobei die Frischluft für den von der Hochdruckturbine betriebenen Hochdruckverdichter vorverdichtet wird. Diese Ausgestaltung der ßrfindung bringt im wesentlichen die selben Vorteile, wie sie im vorstehenden Absatz beschrieben wurden. Wenn Hoch- und Niederdruckverdichter jeweils vom Athmosphärendruck aus verdichten, wird hierdurch das wechselweise An- und Abschalten eines Teils vereinfacht; das Vorverdichten der für den Hochdruckverdichter vorgesehenen Luft im Niederdruckverdichter erspart dagegen eine sonst etwa notwendige zweite Verdichtungsstufe im Hochdruckverdichter und den damit verbundenen baulichen Mehraufwand·

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In einer weiteren Ausgestaltung der vorstehend beschriebenen Anlage entspannt die Hochdruckturbine bis auf einen Zwi schöndruck, der in der Niederdruckturbine weiter abgearbeitet wird. Auch in diesem Fall ergibt sich eine besonders gute Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Belastungen und damit ein besonders wirtschaftliches Teillastverhalten, da durch Gleichschalten von Hochdruckturbine und Ni e der druckbrennkammer zum Betrieb tf.on Niederdruckturbinenbesonders weitreichende Möglichkeiten zur Regelung gegenben sind.

In einer noch vorteilhafteren Ausgestaltung werden die Gase der Hochdruckturbine und der Niederdruckbrennkammer gemeinsam in einer Niederdruckturbine bis auf den Enddruck entspannt. In dieser Ausgestaltung wird das im vorigen Absatz beschriebene Gleichschalten dadurch gelöst, dass die Gase in einer gemeinsamen Niederdruckturbine entspannt werden, und zwar insbesondere in einer gemeinsamen Turbinenstufe.

In einer besonders billigen Anordnung sind Hoch- und Niederdruckverdichter und -turbine auf einer gemeinsamen Welle angeordnet.

Die beiden Verdichter und Turbinen der voranstehend beschriebenen Ausgestaltung sind in einer weiteren Anordnung zu mehrstufigen Baueinheiten zusammengefasst.

In einer weiteren Ausgestaltung der beiden voranstehend beschriebenen Anordnungen wird bei jeder der beiden an ihrer einzigen Welle Leistung abgenommen.

Da in den letzten vier der vorstehend beschriebenen Anordnungen der gesamte Gasstrom der Gasturbinenanlage durch die Niederdruck turbine strömt, wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zur besseren Regelbarkeit HOch- und Niederdruckteil als hintereinandergesohaltete Gaser-

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zeuger verwendet, die eine davon mechanisch unabhängige Arbeit3turbine betreiben·

In einer weiteren Ausgestaltung der mehrwelligen Anordnung wird Leistung an der Hochdruck - Turbinenwelle abgenommen· Hier erfolgt die Leistungsabnahme an der gemäss der Erfindung mit höherem-Durchsatz betriebenen und mit höherer Leistungsdichte behafteten Hochdruckseite der gesamten Anlage, wobei die anfallende Restwärme zum Vorverdichten der Frischluft verwendet wird«

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass Hochdruckverdichter, Hochdruckturbine und Niederdruckturbine auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, an der auch die Leistungsabnahme erfolgt, während der Niederdruckverdichter, der auch die Vorverdichtung de r Frischluft für den HOchdruckteil übernimmt, von einer Abgastrubine angetrieben wird. Der Vorteil dieser Ausgestaltung der Erfindung liegt unter anderem darin, dass Vorverdichter und Abgasturbine von der übrigen Anlage räumlich abgetrennt werden können und. eine den Einbauverhältnissen entsprechende Saug- und Abblaseeinheit bilden, die an unzugänglicher, ungefährlicher Stelle, ζ·Β· auf dem Dach eines fahrbaren Kraftwerks, angeordnet sein können·

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird von der Hochdruckturbine eine Zwischendruckturbine betrieben, deren Abgase zusammen mit den Abgasen der Niederdruckbrennkaramer eine gesonderte Arbeistturbine betreiben, die* einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung gemäss,· nur aus einer einzigen Stufe besteht. Diese Ausgestaltung ist besonders dann sinnvoll, wenn die Arbeitsturbine mit dem verbrauchenden Gerät eine bauliche Einheit bildet, die es so einfach wie möglich zu halten gilt; es kann gemäss der Erfindung diese Arbeitsturbine für sich gesehen durchaus unwirtschaftlich arbeiten, weil alle in ihr etwa nicht ge* nutzte Wärme über Wärmetauscher dem Prozess wieder zugeführt wird·

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Einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung gemäss "betreiben nur die Abgase der Niederdruckturbine die gesonderte Arbeitsturbine. Falls nämlich durch besondere Einbauver-. hältnisse/ein grösserer Abstand zwischen Gaserzeugeranlage und Ärbeitsturbine erforderlich ist, ist nur ein unter niedrigem Druck stehender Gasstrom weiterzuleiten; aufwendige hochdruckfeste Leitungen, wie sie bei den vorliegenden Temperaturen nur besonders aufwendig zu verwirklichen wären, können hierdurch eingespart werden.

Bei Gasturbinenanlagen, bei denen eine Leistungsabnähme' an mehreren Wellen möglich ist, ist ein Zusammenfassen der Wellenleistungen durch ein Getriebe ermöglicht; weiterhin ist diese Verbindung losbar, vorzugsweise in Form einer Kupplung oder eines Richtungsgesperres-. Hierdurch ist es zum Beispiel möglich, einen Teil der Gasturbinenanlage lastfrei zu halten, um ihn anzulassen· Weiterhin ist es hierdurch möglich, einen Teil der Anlage sehr leistungsintensiv zu gestalten, wobei der thermische Wirkungsgrad nicht so sehr zu berücksichtigen-ist, und dieser Teil könnte im Bedarfsfalle bei Spitzenlasten ohne Betriebsunterbrechung zugeschaltet werden«

Soweit bei einer der vorgenannten Anordnungen eine mechanische Verbindung zwischen Leistungsabnähme und Hochdruckverdichter besteht, wird durch Absperren der Frischluftzufuhr in weiterer Ausgestaltung.der Erfindung eine Bremswirkung erzielt, wie sie zum Beispiel für Fahrzeuge erwünscht igt.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemässen Gasturbinenanlagen liegt im Anordnen koaxial ineinander gelagerter Wellen, soweit es sich um eine mehrwellige Anordnung handelt. Es ergibt sich hierdurch eine ganz besonders kompakte, raumsparende Anordnung, sowie um eine trotz der möglicherweise vielen voneinander unabhängigen Läufer kleine Aussenoberflache, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn die Anlage wärmeisoliert montiert werden muss·

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Soweit eine Gasturbine von mehr als einem Gasstrom betrieben wird, wird sie in weiterer Ausgestaltung der Erfindung von den ungemischten Gasströmen in jeweils voneinander getrennten, insbesondere paarweise gegenüberliegenden oder sternförmig symmetri schlange ordne ten Leitkranzsegmenten beaufschlagt. Hierbei wird gewährleistet, dass in der gleichen Turbinenstufe von unterschiedlichem Ausgangsdruck auf gemeinsamen Enddruck entspannt werde«·. Somit werden teilbeaufschlagte, getrennte Turbinenstufen zu einer einzigen Stufe vereint; der bauliche Aufwand für eine zweite Stufe ist hierdurch überflüssig geworden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Wärmetauscher als an sich bekannte regenerative Wärmetauscher in einer Baueinheit zusammengefasst, die aus einer rotierenden Wärmetauscherscheibe besteht, die zuerst den Abgasstrom durchläuft, danach den hochverdichteten Frischluftstrom, und zuletzt den niederverdichteten Frischluftstrom. Hierdurch wird gewährleistet, dass die nach dem unvollkommenen Wärmetausch zwischen Abgas und hochverdichteter Frischluft noch verbleibende Restwärme an die niederverdichtete Frischluft abgegeben wird·

Eine alternative Ausgestaltung zur vorbeschriebenen Gasturbinenanlage enthält für die hochverdichtete Frischluft einen rekuperativen, für die niederverdichtete Frischluft einen regenerativen Wärmetauscher. Im Gegensatz zu einem regenerativen Wärmetauscher weist ein rekuperativer keine Spaltverluste, aber einen schlechteren thermischen Wirkungsgrad auf. Da das relativ niedrige Druckverhältnis zwischen niederverdichteter Frischluft, Abgas und Athmosphärendruck keine allzu aufwendigen Dichtungen erfordert, dagegen einen guten thermischen Wirkungsgrad bietet, verarbeitet hier ein regenerativer Wärmetauscher die vom rekuperativen Wärmetauscher im Hochdruckteil nicht genutzte Wärme mit minimalen

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WMrme- und noch erträglichen Spaltverlusten·, während der Hochdruckwtfrmetauscher keinerlei Spaltverluste aufweist.

Da sowohl Hoch- als auch Niederdruckteil einenjoptimalen Betriebsbereich aufweisen, ergibt sich ein breites wirtschaftliches Betriebsband für die gesamte Gasturbinenanlage, zumal nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Regelung durch Ausregeln beider Anlagenteile erfolgt, wobei sich mindestens ein Anlagenteil innerhalb seines optimalen Betriebsbereiches bewegt.

In einer weiteren Ausgestaltung erfolgt die Leistungs-Dauerabgabe durch den wirtschaftlichen Wiederdruckteil, während der Hochdruckteil nur in Sonderfällen zugeschaltet oder anstelle des Niederdruckteils betrieben wird, z.B. zur Deckung von Bedarfsspitzen, zur Notleistung oder auch bei Ausfall oder Instandsetzung des Niederdruckteils·

Im voranstehenden Teil der Beschreibung wurden Ausgestaltungen genannt, die sich zum Teil zu widersprechen scheinen; das ergibt sich daraus, dass der grundlegende Erfindungsgedanke die Möglichkeit zur besonders wirtschaftlichen Ausführung" von Gasturbinen*.-:ι -anlagen bietet, die ihrerseits wieder den verschiedensten und widersprüchlichsten Aufgabenbereichen angepasst sind*

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Pig* 1 bis 18 dargestellt, und zwar zeigen

Fig. 1, 2 und 12 je einen Kreisprozess erfindungsgemässer

Anlagen im T-s-Diagramm,
Flg. 3 bis 11, sowie 14, 15 und 18 die Schaltungen solcher

erfindungsgemässer Anlagen in symbolischer Darstellung, Fig. 16 und 17 einen regenerativen Wärmetauscher mit Hoch-

und Niederdruckteil, und
Fig. 13 die schematische Ansicht eines, teilbeaufschlagten Leitkranzes·

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Die Schaltung eines erfindungsgemässen Kreisprozesses ist in Fig. 1 im T - s - Diagramm dargestellt; hierbei tritt die Luft mit der Temperatur T^₁ ( das Fusszeichen t kennzeichnet den Anfangszustand) und mit dem, um a Eintrittsverluste gegenüber dem Athmosphärendruck P verminderten Gesamtdruck P... in den Verdichter der Gasturbine* eint. Die Luft wird im Niederdruckteil auf den Druck P-t 2 1 ^{und d}*^e Temperatur T. ₂ , verdichtet und in einem Wärmetauscher bei geringfügigem Druckverlust auf ^pt 2 11 ^ψ*⁶¹* Temperatur T^. ₂ ^ erhitzt. In einer anschliessenden Brennkammer wird mit einem weiteren Druckvexs· lustjder Druck ^p ·»- 3 1 ^erreicllt· Durch Zumischen von Abgasen der Hochdruckturbine kommt man zum Zustandspunkt 3,11 mit der zulässigen Niederdruckturbineneintrittstemperatur T^ , ^,. Nach der Expansion in der Niederdruckturbine stellt sich der Zustandspunkt 4,1 ein. Die hier austretenden Gase tauschen zuerst ihre Wärme gegen die Hochdruckluft ate. Dadurch wird zuerst die Temperatur T^ _δ der Abgase und später T^ ₆ erzielt.

Parallel zum Niederdruckprozess wird die mit dem Zustand eintretende Luft im Hochdruckverdichter auf den Zustandspunkt 2,2 gebracht, der in Druck und Temperatur höher liegt als der Punkt 2,1. Die Hochdruckluft wird dann im Wärmetauscher auf den Punkt 2,21 erhitzt. Bei diesem Zustand tritt die Luft in die Brennkammer ein, wird dort noch weiter erhitzt und kommt auf den Zustandspunkt 3,2 am Eintritt in die Hochdruckturbine. Diese entspanntdie Gase auf den Zustand 4,2, wobei Leistung abgegeben wird. Wie schon vorher beschrieben, setzt dann die Mischung mit den von der Niederdruckseite kommendem Gasen der Niederdruokbrennkammereiη·

Bei bestimmten Anlagen kann die Expansion in der Hochdruckturbine ohne Mischung mit der Niederdruckluft auf den Athmosphärendruck oder fast auf diesen weitergeführt werden· Ein Ausschnitt aus dieser Prozessführung ist in

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Pig. 2 gezeigt. Der Eintritt in die Hochdruckturbine erfolgt bei 3,2. Expandiert wird auf 4,2 entweder auf einen Druck, der am abgasseitigen Wärmetauscher herrscht, oder direkt auf den Athmosphärendruck, wobei auf eine Mischung mit den von der Niederdruckturbine kommenden Gasen verzichtet werden kann.

Die Abgaswärme beider Turbinen wird zuerst im Hochdruck— wärmetauscher und erst anschliessend im Niederdruckwärmetauscher ausgewertet. Auf die Ausnützung der Hochdruckturbinenabgaswärme kann, allenfalls verzichtet werden.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemässe Anordnung, bei der zwei Läufer verwendet werden.

DerNiederdruckverdichter 1 bildet gemeinsam mit der Niederdruckturbine 2 einen Rotor mit Verbindungsteilen 3, der vom Starter 4 in Bewegung gesetzt wird. Die Niederdruckluft wird aufgespalten in . einen Teil, der dem Niederdruckwärmetauscher 5 zugeführt wird, und einen anderen, der dem Hochdruckverdichter' 6 zufliesst. Im Niederdruckwärmetauscher wird die Luft mit Hilfe der Abgase der Niederdruckturbine 2 aufgeheizt und in der Niederdruckbrennkammer 7 weitererhitzt» vor Eintritt in die Niederdruckturbine 2 werden die ^on der Niederdruckbrenrikammer 7 kommenden Gase mit den Abgasen der Hochdruckturbine 8 gemischt. Die in 2 entspannten Gase strömen durch den Hochdruck-9 und den Niederdruckwärmetauscher 5 und von da aus ins Freie« Die Abgase durchströmen die Wärmetauscher in einer Weise _s dass beide Frischluftseiten auf etwa die gleiche Temperatur erhitzt werden» Die im Hochdruckverdichter 6 weiter verdichtete Luft strömt durch den schon erwähnten Hochdruckwärmetauscher 9, die Hochdruckbrennkammer 10 und die Hochdruckturbine 8, bevor sie hier expandiert und der Niederdruckturbine 2 zugeführt wird· Der von Hochdruckturbine 8 und dem Hochdruckverdichter mit Verbindungsteilen 11 gebildete Rotor gibt die überschüssige Leistung über einen Generator 12 ab. Entsprechend geschieht es am Niederdruckrotor mit dem Generator 13.

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Eine von der Schaltung nach Fig. 3 etwas abweichende erfindungsgemasse Anordnung zeigt Fig. 4. Der Niederdruckrotor, bestehend aus Verdichter 1, Turbine 2 und Welle 3, hat hier nur die Funktion eines Gaserzeugers. Genauso verhält es sich mit dem aus Verdichter 6_f Welle 11 und Turbine bestehenden Hochdruckrotor. %eser Hochdrückrotor liefert heisse Druckgase an die Hochdruck-Nutzturbine 14, deren Abgase der Niederdruckturbine 2 des Niederdruckrotors zuströmen (wie gestrichelt gezeichnet) oder die direkt der Nqiderdruck-Nutζturbine zugeführt werden. Beide oder zumindest eine der Nutzturbinen 14 und 15 sind mit Verstellleitapparaten 16 und 17 ausgestattet. Die Abgase der Nutzturbinen 14 und 15 gehen auch bei dieser Anordnung durch die Wärmetauscher 9, beziehungsweise 5. Leistung wird von den Nutzturbinen an der Welle 18 abgegeben. Die Nutzturbinen können, falls es für einen besonderen Anwendungsfall vorteilhaft sein sollte, auch getrennte Abtriebe aufweisen·

Eine besonders einfache Anordnung zeigt die Fig. 5. Am Gaserzeugerrotor ist der Nieder- 1 und Hochdruckverdichter mit Verbindungsteilen 3 und der Niederdruckturbine 2 vereinigt. Auch der Niederdruck- und Hochdruckwärmetauscher 5 und 9 bilden zusammen eine Einheit. Unabhängig sind die Brennkammern 7 und 10. Die gesamte Nutzleistung wird von der Hochdruck-Nutzturbine 14 über die Welle 18 abgenommen. Die Abgase werden entweder direkt ins Freie abgeführt, oder in einem entsprechenden Wärmetauscher verwertet. Zur besseren ^Regelbarkeit sind der Hochdruckverdichter 6 und die Hochdruckturbine 14 mit Verstelleitapparaten 19, 16 ausgestattet. Man kann sich aber auch darauf beschränken, den Hochdruckverdichter 6 mengenregelbar auszustatten, wenn man auf das Bremsen mit der Nutzturbine 14 verzichtet· In weiten Grenzen kann man auch mit der Brennstoffzufuhr zur Hochdruckbrennkammer 10 die Leistung verändern, ohne den Gaserzeuger in seiner Drehzahl wesentlich zu beeinflussen.

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Zum Unterschied von der Schaltung nach Fig. 5 wird bei der nach Fig. 6 das von der Hochdruckbrennkammer IO kommende Gas in eine Hochdruckturbinenstufe 20 am Gaserzeuger geführt und nach der Expansion mit den von der Nieder— druckbrennkammer 7 kommenden Gas gemischt· Bei der Expansion in der Gaserzeuger-Niederdruckturbine 21 wird nur soweit entspannt, wie es mit Rücksicht auf den Leistungshaushalt des Gaserzeugers notwendig ist· Die Nutzleistung wird von der durchsatzregelbaren Nutζturbine 22 über die Welle 23 abgenommen. Ihre Abgase werden dem vereinfacht dargestellten Wärmetauscher 9,5 zugeführt.

Mit günstigen Voraussetzungen für das Bremsen ist die Schaltung nach Fig. 7 ausgestattet. Hier ist der Hochdruckverdichter 6 vorder Nutzturbine 19 über die Welle 11 angetrieben. Der Hochdruckverdichter kann beim Bremsen negative Leistung aufnehmen* Es ist»vorgesehen, den Gaserzeuger nicht durch Luftentnahme zu belasten und Ventile 21, 22 so umzuschalten, dass der Hochdruckteil vom Niederdruckteil getrennt wird und somit die VerdichterIeistung voll dem Bremsen zugute kommt. Durch eine Verstelleirichtung am Verdichter 1 wird ein verstellbarer Turbinenleitapparafc eingespart. Über die Hochdruckbrennkammer 10 kann man die Leistung in weiten Bereichen praktisch trägheitslos beeinflussen und die Anpassung durch den Verstelleitapparat 19 an dem Hochdruckverdichter vornehmen, während der Gaserzeuger nur wenig inker Drehzahl geändert wird· Die Leistungsentnahme erfolgt an der Welle 18.

Eine der Fig. 7 ähnliche Schaltung zeigt Fig. 8· Der Hochdruckverdichter 6 wird hier durch die Hochdruckturbine 8 und eine Niederdruckturbine 25 angetrieben· Die Überschussleistung dieser Turbinen 8 und 25 wird über die Welle 26 abgegeben. Auch hier kann man bremsen und dazu den · Hochdruckverdichter 6 mit einem Umschaltventil 21 und fallweise mit einer Verstelleinrichtung 19 austatten. Zumindest eine der Nutzturbinen 8 und 25 kann einen Verstllleitapparat 28 aufweisen.

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Eine Einwellengasturbine zeigt Pig. 9. Sie kann in dieser F«'·« für die reine Energioversorgung und den Antrieb z.B. eines Generatorafvon Vorteil sein.

Für die Zusammenarbeit von Hochdruck- und Niederdruckteil ist es vorteilhaft, wenn sie mit verschiedenen Drehzahlen betrieben werden. Eine Möglichkeit dazu bietet die in Fig.10 dargestellte Schaltung. Sie ist gebildet aus zwei Rotoren, die beide mit der im Hochdruckteil gewonnenen Energie betrieben werden und die zusammen den Gaserzeuger bilden, dem die Nutzturbine 29 mit geregeltem Leitapparat 30 folgt· Da das Druckniveaus am Austritt der Turbine 2 niedriger ist als hinter der Niederdruckbrennkammer 7, führt man die Nutzturbinen am besten mit teilbeaufschlagten Segmenten für die beiden Teilströme aus.

In Fig. 13 ist der Leitkranz einer derartigen teilbeaufschlagten Turbine schematisch dargestellt. Der Leitkranz wird von den Segmenten 31 a und 32 a gebildet, die insbesondere symmetrisch zum Mittelpunkt der Turbine angeordnet sind, wobei die von den Segmenten 31 a und 32 a überspannten Flächen von Durchsatz- und Druckverhältnis abhängig sind· In den Segmenten 31 a und 32 a sind die Leitschaufeln jeweils so ausgebildet, dass sie von den mit unterschiedlichem Druck angeströmten Oasen mit gleichem Druck und mit gleicher Geschwindigkeit verlassen werden. So ist es ermöglicht, in einer Turbinenstufe verlust arm mehrere Gas-Ströme jeweils unterschiedlichen Druckniveaus gleichzeitig zu entspannen.

Den Aufwand an Strömungsmaschinen kann man bei zweiwelliger Anordnung mit der Schaltung nach Fig. 11 besonders klein halten. Den zugehörigen Arbeitsprozess zeigt Flg. Entspannt werden die vom Hochdruckverdichter 6 über den Hochdruckwarme tauscher 9 und die Hochdruckbrennkammer 10 zuströmenden Gase in einer beispielsweise nur einstufigen Hochdruckturbine, die den Hochdruckverdichter 6 antreibt. Weiter verarbeitet werden die Abgase der Hochdruckturbine θ in einer einstufigen Mitteldruckturbine 2, die gernlas Pig.13 verschiedene Leitapparatsegmente für die Abgase der Hochdruokturbine H und der NiderdruokbiüonnkammerN hat. Von den

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aus der Mitteldruckturbine 2 austretenden gemischten Gasen wird die einstufige, leitschaufelverstellbare Arbeitsturbine 29 betrieben. In beiden Wärmetauschern 5 und 9 werden die Frischluft ströme auf etwa die gleiche Temperatur 3,1 H bzw. 3,1.,N erhitzt, :

Um die Leitungsentnahme auf die Hoch- und Niederdruckrotoren verteilen zu ,können, bietet? sich eine Schaltung nach Fig. 14 an. Die Mutzleistung wird hier vom Hochdruckrotor 34 und von der Nutzturbine 32 abgegeben. Der Hochdruckrotor 31 ist über ein Getriebe 33 und eine lösbare Kupplung 34, z.B. einen hydraulischen Wandler , mit dem Antrieb 35 verbunden. Beim Anfahren des Gaserzeugers ist die Kupplung gelöst. Sie wird erst bei höherer Drehzahl beispielsweise durch einen Freilauf eingeschaltet oder zum Bremsen verwenden, wenn man den Brennstoff am Gaserzeuger stark zurücknimmt. Andererseits wird nach dem Kuppeln Leistung vom Hochdruckläufer abgegeben«

Alternativ kann die Hoehdruekturbina 31 auch auf den Druck nach der Arbeitsturbine ©ntspannt werden·(Fig.15)

Die Fig. 16 und 17 stelleiijelneii Regenerati wärmetauscher dar. Ein sich drehender Austauschkörper 42 mit einer grossen Zahl von achsparallelen Kanälen, kleinen hydraulischen Durchmessers wird mit Hilfe von radialen Dichtungen 37, 38 und 39 und Umfangsdichtungen 40 mit Gasströmen unterschiedlichen Drucks beaufschlagt. Im Abschnitt 41 strömen die Abgase, die den Körper 42 aufheizen. Bei der aufgezeigten Drehrichtung|ist die Temperatur an der Dichtung am höchsten.Im Abschnitt 43 kühlt die vom Hochdruckverdichter kommende Luft im Gegenstrom, wobei sie sich erwärmt. Der Körper 41 bleibt aber noch so warm, dass er auch die Niederdruckluft im Abschnitt 44 erhitzen kann.

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Vorteilhaft wirkt es sich aus, dass der Differemzdruck an der Dichtung 38 kleiner let, als es bei einem getrennten Hochdruckwärmetauscher der Fall wäre.

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Abschlie33end ist in Fig. 18 ein besonders einfaches erfindungsgemässes Anwendungabei3piel gegeben, daa insbesondere für ungleichmässigo Betrieb3zustände, wie sie z.B. beim Fahrzeugantrieb auftreten, geeignet ist« So ist es möglich, Niederdruck- und Arbeitsturbine gleichzeitig den BetriebsVerhältnissen optimal anzupassen. Der Niederdruckverdichter 1, der Hochdruckverdichter 6 und die Niederdruckturbine 2, die mit der Leitschaufelverstellung 28 versehen ist, sind auf einer gemeinsamen Welle angeordnet· Die Gase der Niederdruckbrennkammer 7 werden in der Nieder— druckturbine 2 auf Athmosphärendruck entspannt; sie geben die in ihnen enthaltene Restwärme im Hochdruckteil 9 eines Wärmetauschers an den Frischluftstrom ab, der vom Hochdruckverdichter 6 kommend zur Hochdruckbrennkammer strömt. Die Gase der Hochdruckbrennkammer 10 treiben über den Verstelleitapparat 30 die Hochdruck-Arbeitsturbine 8 an, deren Leistung über die Welle 26 vom Verbraucher 27 abgenommen wird. Die in der Hochdruckturbine auf Athmosphärendruck entspannten Gase geben die in ihnen enthaltene Restwärme im Niederdruckteil 5 eines Wärmetauschers an die vom Niederdruckverdiohter 1 zur Niederdruckbrennkamraer 7 strömende Frischluft ab«

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Claims

MOTOREH UMD TURBINEN UNION München GmbH München, der 16.August 1972 Patentansprüche

1.) Gasturbinenanlage, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus der Kombination folgender Merkmale besteht:

a) Hochdruckteil, bestehend aus einem Verdichter (6), einem Wärmetauscher (9), einer Brennkammer (10) und einem oder mehreren Turbinenrädern.

b) Niederdruckteil, bestehend aus einem Verdichter (1), einem Wärmetauscher (5), einer Brennkammer (7) und einem oder mehreren Turbinenrädern.

c) Aufteilen der Turbinengase auf Hochdruck- und Nieder druckwärme tauseher·

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verdichtete Frischluft im Hoch- und im Niederdruckteil durch Wärmetausch auf etwa die gleiche Temperatur gebracht wird.

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase des Hochdruckteils die verdichtete Frischluft des NMerdruckteils, und die Abgase des Niederdruckteils die verdichtete Frischluft des Hochdruckteils erwärmen.

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4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Hochdruck- und Niederdruckteil je
nur eine Turbine aufweisen, an der neben dem Antrieb des dazugehörigen Verdichters die Nutzleistung der Gasturbinenanlage abgenommen wird·

5. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Hochdruck- und Niederdruckteil je als Gaserzeuger arbeiten, deren Gase in einer einwelligen Turbine mit Hochdruck- und N*derdruck!aufer genutzt werden,

6. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruck- und der Niederdruck— verdichter zusammen mit der Niederdruckturbine auf einer Welle angeordnet sind, und die aus der Hochdruckbrennkammer (10) strömenden Gase in der Hochdruck-Nut ζ turbine atif-einem Zwischendruck entspannt werden.

7. Gasturbinenanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase der Hochdruckturbine (8) in der Niederdruckturbine (2) bis auf den Enddruck (Eingangsdruck des, W arme tauscher a) entspannt werden.

8. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckturbine (2) den Niederdruckverdichter (l)_f die Hochdruckturbine (8)
den Hochdruckverdichter (6) antreibt.

9. Gasturbinenanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gase aus der Hochdruckbrennkainmer (10) die Hochdruckturbine (8), die Gase aus der Hochdruckturbine (8) eine Niederdruckturbine antreiben.

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10. Gasturbinenanlage nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gase aus NiederdruckbrennkasETier und Hochdruckturbine die Jiiederdruckturbine antreiben,

11. Gasturbinenanlage nach Anspruch 8,9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass Hoch- und "iederdruckverdichter und Hoch- und Niederdruckturbine auf einer gemeinsamen '."Zelle angeordnet sind.

12. Gasturbinenanlage nach Anspruch'8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Hochdruck- und NMerdruckverdlchter und Hochdruck- und Niederdruckturbine jeweils in einer gemeinsamen mehrstufigen Baueinheit ausgeführt sind.

13. ' Gasturbinenanlage nach Anspruch 11 und 12, .dadurch

gekennzeichnet, dass an der gemeinsamen Welle Leistung abgenommen wird.

14. Gasturbinenanlage nach Anspruch 8bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase der Niederdruckturbine eine auf einer separaten Welle angeordnete Arbeitsturbine antreiben.

15. Gasturbinenanlage nach Anspruch S,bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der Gasturbinenanlage an der Hoehdruckturbine abgenommen wird.

16. Gasturbinenanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Hochdruckverdichter sowie Hochdruck- und TSiederdruekturoine auf einer gemeinsamen Welle "angeordnet sind, die auch zur Leistungsabnähme dient, wobei die Abgase der Niederdruckturbine die mit dem Wiederdruckverdichter zu dessen Antrieb durch eine Welle verbmndene Abgasturbine antreiben·

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17. Gasturbinenanlage nnch Anspruch 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch Ventile der Niederdruckteil abschalter ist, wobei der Eingang des Hochdruck verdichters mit <1er Frischluft und der Auspuff der Hochdruckturbine mit der Abgasleitung und/oder dem Hochdruckverdichter verbunden ist.

18. Gasturbinenanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase der Nieöerdruckturbine sowie die Abgase der Niederdruckbrennkaramer zusammen eine Arbeitsturbine antreiben.

19. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase der Hoch- und der Niederdruckturbine zusammen in einer Arbeitsturbine genutzt werden.

20. Gasturbinenanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase der Niederdruckturbine die Arbeitsturbine antreiben.

21. Gasturbinenanlage nach Anspruch 4, 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Leistungsabnähme die beiden Wellen durch ein Getriebe miteinander verbunden sind.

22. Gasturbinenanlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Verbindung zwischen den beiden Wellen insbesondere durch eine Kupplung lösbar ist,

23« Gasturbinenanlage nch Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Freilauf oder Richtungsgesperre die Verbindung zwischen beiden Wellen herstellt.

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24. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 13, 15, 13, 17, 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass durch Absperren der Frischluftzufuhr zum Hochdruckverdichter Leistung aufgenommen wird (Abbremsen),

25. Gasturbinenanlage nach Anspruch 12, 18, 19, 20, dadurch gekennzeichnet, dass Niederdruckteil und Hochdruckteil mit ineinander koaxialen Wellen gelagert sind, und die Arbeitsturbine auf einer separaten Welle angeordnet ist.

26. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 10, 17, 18, 19, 20, dadurch gekennzeichnet, dass in einer von mehr als einem Gasstrom angetriebenen Gasturbine die ungemischten Gasströme jeweils voneinander getrennte Leitkranzsegmente (31a, 32a) beaufschlagen»

27. Gasturbinenanlage nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass gleiche Gasströme paarweise gegenüberliegende oder sternförmig symmetrisch angeordnete Leitkranzsegmente (31a, 32a) beaufschlagen.

28. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass Hoehdruck-(9) und NMerdruckwarmetauscher (5) als regenerative Wärmetauscher in einer Baueinheit zusammenwirken.

29. Gasturbinenanlage nach "nspruch 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckwärmetauscher (9) rekuperativ, der Niederdruckwärmetauscher (5) regenerativ wirkt.

30. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die abgegebene Leistung durch

■'= Verändern des Durchsatzes in Hochdruck- und/oder Hioderdrucktoil geregelt wird.

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31. Gasturbinenanlage nach einem der —nsprüche 4,5,

10 bis 14, 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruck- oder der Niederdrückteil abschaltbar ist.

32. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischluft für den Hochdruckverdichter (6) im Hiederrtruckverdlchter (1) vorverdichtet wird.

33. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 52, dadurch gekeniizeich.net, da3s ein oder mehrere Leit— kränze verstellbar sind.

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