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Verfahren zum Abstellen einer thermischen Turbomaschine und Turbomaschine
zur Ausführung des Verfahrens.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abstellen einer
thermischen Turbomaschine und auf eine Turbomaschine zur Ausführung des Verfahrens.
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Während des Abstellens thermischer Turbomaschinen wie Gasturbinen
oder Verdichter können Krümmungen des Rotors und auch des Stators entstehen, wenn
beim Abkühlen der Temperaturzustand sich nicht-symmetrisch zur Rotorachse verändert.
Die durch die Temperaturunterschiede entstehenden Spannungen wirken dann einseitig
und verursachen so Biegungen, die längere Zeit bis zum vollständigen Temperaturausgleich
bestehen bleiben und ein ungefährdetes Wiederanfahren der Maschinen auf Stunden
hinaus verzögern. Man begegnete solcher unsymmetrisch verlaufender AbkÜhlung bisher
dadurch, dass die Rotoren während des Abkühlens mittels eines Hilfsmotöres ständig
in Drehung gehalten wurden. Die Hilfsmotoren mussten aber mittels mechanischer Kupplungen
zu- und abgeschaltet werden, so dass zusammengenommen ein aufwendiges und auch störanfälliges
Hilfsaggregat entstanden ist.
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Die Erfindung schlägt eine Lösung vor, bei der die zu kühlende Maschine
selbst zum Drehen ihres Rotors verwendet wird. Sie besteht darin, dass man nach
Einleitung des Abstelivorganges die Turbomaschine bis zum Abfall der Drehzahl in
den Bereich einer geeigneten Kühllaufdrehzahl unter Ausnützung der dem Rotor noch
innewohnenden kinetischen Energie auslaufen lässt und zur Aufrechterhaltung dieser
Drehzahl und gleichzeitigen Weiterkühlung durch ein Hilfsgebläse Luft oder ein anderes
Gas unter Druck durch den Strömungsweg der Turbomaschine führt.
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Zum Abstellen einer mindestens einen Verdichter, eine Brennkammer
und eine Gasturbine aufweisenden'Turbomaschinengruppe kann man die Turbomaschinen
nach Unterbrechung der Befeuerung der Brennkammer bis zum Abfall der Drehzahl in
den Bereich einer geeigneten Kühllaufdrehzahl auslaufen lassen und dann zur Aufrechterhaltung
dieser Drehzahl und gleichzeitigen Weiterkühlung Luft oder ein anderes Gas unter
Druck vor dem Verdichter der Maschinengruppe zuführen.
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Die zugeführte Druckluft trifft dann auf die konvexe Fläche der Verdichterschaufeln
oder auf die konkave Fläche der Turbinenschaufeln auf. Trotz der ungünstigen Anströmverhältnisse
auf die Verdichterschaufeln übt die einströmende Luft doch ein genügendes Drehmoment
auf den Turborotor aus, um die Rotoren beider Maschinen ständig auf
genügender
Drehzahl zu halten. Für Turbinenschaufeln sind die Anströmverhältnisse günstiger,
weil die Druckluft hier die konkave Fläche bestreicht. Hierdurch kann bei Gasturbinenanlagen
der Nachteil gemildert werden, der darin besteht, dass das Volumen und somit auch
die Strömungsgeschwindigkeit der durch den Verdichter strömenden Druckluft (wegen
nicht mehr stattfindender Erhitzung in der Brennkammer) für die Strömungsquerschnitte
der Turbine zu klein sind,- um mit einem günstigen Wirkungsgrad ihre Strömungsenergie
an den Rotorschaufeln in Antriebsenergie umzusetzen.
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Eine zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Turbomaschine
ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Zufuhrleitung zur -Turbomaschine ein Abschlussorgan
angeordnet und hinter dem Abschlussorgan und vor der Turbomaschine ein Hilfsgebläse
zur Zuführung von Luft oder einem anderen Gas an die Zufuhrleitung angeschlossen
ist.
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Die Zufuhrleitung des Hilfsgebläses kann vor dem Abschlussorgan von
der Zufuhrleitung zur Turbomaschine abgezweigt sein.
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Bei einer, mindestens einen Verdichter, eine Brennkammer und eine
Gasturbine aufweisenden Turbomaschinengruppe kann in der Zufuhrleitung zum Verdichter
ein Abschlussorgan angeordnet und zwischen dem Abschlussorgan und dem Verdichter
ein Gebläse zur Zuführung von Luft oder einem anderen Gas an die Zufuhrleitung des
Verdichters angeschlossen sein.
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Es hat sich in überraschender Weise gezeigte dass zur Erzeugung der
Druckluft bzw. des Druckgases zur Aufrechterhaltung
der Kühllaufdrehzahl
übliche Gebläse verwendet werden können, deren Leistung im Bereich von 0,5 - 1,0
%o der Vollast der zu kühlenden Turbomaschine liegt. Zum Antrieb des Gebläses genügen
Elektromotoren einfachster.
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Art, selbst wenn sie nicht höchste Wirkungsgrade aufweisen, weil sie
verhältnismässig kurze Zeit und mit relativ geringer Leistung in Betrieb sein müssen.
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Das in der Zufuhrleitung zur Turbomaschine angeordnete Abschlussorgan
kann in Form einer aus mehreren Klappen bestehenden Jalousie ausgebildet sein.
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Zwei zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete thermische
Turbomaschinen sind auf der Zeichnung vereinfacht dargestellt.
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Fig. 1 veranschaulicht das erste Ausführungsbeispiel mit nur einer
Turbomaschine, Fig. 2 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel eine Turbomaschinengruppe
mit zwei hintereinander geschalteten Turbomaschinen, Fig. 3 die Ansicht des Hilfsgebläses
in Richtung des Pfeiles III der Fig. 2, Fig. 4 einen Querschnitt in Betriebsstellung
nach der Linie IV - IV der Fig. 3 und Fig. 5 einen Querschnitt in Kühlstellung nach
Linie V - V der Fig. 3
Die Turbomaschine 1 (Fig. 1) ist als Verdichter
ausgebildet, dem Luft oder ein anderes Gas durch die Leitung 2 zugeführt wird. Das
verdichtete Gas strömt durch die Leitung 3 an eine nicht gezeichnete Verbrauchsstelle.
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Angetrieben wird der Verdichter durch eine ebenso nicht dargestellte
Kraftmaschine~, die mit dem Wellenende 4 gekuppelt ist.
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Zum Abstellen der Turbomaschine 1 wird die Energiezufuhr vom Antriebsmotor
zur Welle 4 unterbrochen. Alsdann kann der Rotor 5 bis zum Absi:iiien der Drehzahl
in den Bereich einer geeigneten Kühllaufdrehzahl unter Aufwendung der ihm noch inne
wohnenden kinetischen Energie weiterlaufen.
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Zur Aufrechterhaltung dieser Kühllaufdrehzahl wird alsdann mittels
eines Hilfsgebläses 6 aus der Leitung 2 Luft oder Gas dem Verdichter 1 zugeführt.
Hierdurch wird der Verdichter 1 bis zur genügenden Absenkung der Temperatur weiter
äuf Kühllaufdrehzahl gehalten, wobei die Kühlung durch das durchströmende, zur Aufrechterhaltung
der Külillaufdrehzahl dienende Treibmittel noch beschleunigt wird.
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Das Gebläse 6 wird durch einen Elektromotor 7 angetrieben. - Dabei
wird aus der Leitung 2 durch die Leitung 8 Gas angesaugt und durch die Leitung 9
zum Verdichter 1 geleitet. Zur Verhütung einer Kurzschlussströmung ist im Kanal
2 zwischen dem Anschluss der Leitungen 8 und 9 ein jalousieähnlich ausgebildetes
Abschlussorgan 10 angeordnet, welches
bei Kühllauf in der strichpunktierten
Stellung steht. Sofern ein einzelnes Gebläse nicht ausreichen sollte, kann ein zweites
Gebläse 6' mit Antriebsmotor 7' dem ersten vor-oder nachgeschaltet werden.
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Die Antriebsleistung für das Hilfsgebläse beträgt etwa 0,5 - 1,0o
der Nutzleistung im Vollastbetrieb des Verdichters und der zur Aufrechterhaltung
der Kühllaufdrehzahl notwendige Ueberdruck ungefähr 0,01 - 0,04 At. Die vom Gebläse
geförderte Luft ermöglicht eine schonende Abkühlung des Läufers. Durch die Verwirbelung
des Kühlmittels wird auch der Stator ebenso schonend und einigermassen gleichmässig
gekiihlt. Bei der Wahl einer geeigneten Kühllaufdrehzahl ist es so möglich, schon
zu-jeder Zeit während des Abkühlens die Maschine erneut wieder in Betrieb setzen
zu können, ohne dabei Schäden durch Streifen der Schaufelungen befürchten zu müssen.
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Die Turbomaschinengruppe nach Fig. 2 - 5 besteht im wesentlichen
aus einem Verdicijter 11, einer Brennkammer 12 und einer Gasturbine 13. Die Betriebsluft
strömt der Anlage aus einem Kanal 14 zu, wird vom Verdichter auf den Verbrennungsdruck
und in der Brennkammer 12 auf die notwendige Temperatur gebracht. Unter Leistungsabgabe
entspannt sich das entstandene Treibgas in der Gasturbine 13. Ein Teil der hierbei
erzeugten Leistung wird dem Verdichter 11 zugeleitet. Der verbleibende Teil dient
als Nutzleistung und wird
durch die Kupplung 15 an nicht gezeigte
weitere Maschinen weitergeleitet.
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Zur Ausserbetriebsetzung der Anlage nach Fig. 2 lässt man nach Unterbrechung
der Befeuerung der Brennkammer 12¢die Rotoren der Turbomaschinen il und 13 und der
von ihnen angetriebenen Maschine unter Ausnützung der ihnen noch innewohnenden kinetischen
Energie bis zum Abfall der Drehzahl in den Bereich einer geeigneten Kühllaufdrehzahl
weiter laufen. Alsdann wird zur Aufrechterhaltung dieser Kühllaufdrehahl mittels
des Hilfsgebläses 16 Luft unter Druck durch den Strömungsweg 17, 18, 19 des Treibmittels
geführt. Hierdurch wird die Maschinengruppe bis zur genügenden Absenkung ihrer Temperatur
weiter auf der Kühllaufdrehzahl gehalten. Dabei wird die Kühlung durch die durchströmende
Treibluft beschleunigt und vergleichmässigt.
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Die beiden Stufen 20 und 21 des Hilfsgebläses 16 (Fig. 2 und 3) besitzen
je ein axial beschaufeltes Laufrad, die je von einem Elektromotor 22 bzw. 23 angetrieben
sind.
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Die ZvCuhrleitung 24 erhält aus der Leitung 14 Luft zugeführt. Die
von den Gebläsen geförderte Luft gelangt durch die Leitung 25 in den auf den Kanal
14 nachfolgenden Kanal 17. Zur Verhütung einer Kurzschlussströmung ist zwischen
den Anschlüssen der Leitungen 14 und 17 ein jalousieähnliches Abschlussorgan 26
(Fig.4 und 5) angeordnet. Dieses Abschlussorgari
besteht aus vicr
jalousi eartig angeordneten Klappen 27, die mittels der Hebel 28 und eines Gestänges
29 entweder in die offene Stellung von Fig. 1 oder in die geschlossene Stellung
von Fig. 5 geschwenkt werden können.
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Während des Antriebs der Turboschinen 11 und 13 durch Druckluft stehen
die Klappen in der Stellung der Fig. 5 und bei normalem Nutzbetrieb in der Stellung
der Fig. 4. Bei der Kühlung werden die Läufer der Turbomaschinen - insbesondere
der im Nutzbetrieb hoch erhitzte Läufer der Gasturbine - svmmetrisch gekühlt, so
dass keine Temperaturdifferenz über einen Querschnitt entstehen kann und der Läufer
in seiner Längsachse nicht verbogen wird. Wählt man die Kühllaufdrehzahlen genügend
hoch, so werden auch die Statoren der Turbomaschinen über einen Querschnitt genügend
gleichmässig gekühlt, wodurch auch sie vor störenden Verbiegungen verschont werden.
Schliesslich wird gleichzeitig auch die Brennkammer so gekühlt, däss nicht etwa
gespeicherte Wärme nachträglich besonders in der Turbine erneut wieder Verbiegungen
verursachen könnte, Anstatt Luft kann auch ein sauerstoffarmes Gas, z.B. ein Abgas
aus fremder Quelle oder sonst ein inertes Gas verwendet werden.