DE2259580C3 - Verfahren und Einrichtung zum Abkühlen während des Absteilens einer Turbomaschinenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Während des Abstellens hocherhitzter thermischer Turbomaschinen, wie z. B. Verdichter oder Gasturbinen, können Krümmungen des Rotors und auch des Stators entstehen, wenn der Temperaturzustand sicii infolge Abkühlens nicht symmetrisch zur Rotorachse verändert. Die durch Temperaturunterschiede entstehenden Spannungen wirken dann einseitig und verursachen Biegungen, die längere Zeit bis zum vollständigen Temperaturausgleich bestehen bleiben und ein ungefährdetes Wiederanfahren der Maschinen auf Stunden hinaus verzögern.

Man begegnet solcher unsymmetrisch verlaufender Abkühlung bisher dadurch, daß die Rotoren während des Auslaufens mittels eines Hilfsmotors — als solcher wird beispielsweise der Anlaßmotor einer Gasturbinenanlage verwendet — ständig in langsamer Drehung gehalten werden. Die Hilfsmotoren müssen aber mittels Kupplungen zu- und abgeschaltet werden, so daß zusammengenommen ein aufwendiges und auch störanfälliges Hilfsaggregat entstanden ist (CH-PS 3 02 682).

Aus der US-PS 27 37 017 ist ein Verfahren bekannt, den Leerlauf bei Turbolagern von Dieselmotoren dadurch zu verbessern, daü — bei Stillstand des Dieselmotors durch einen, von einem Elektromotor angetriebenen Verdichter — Druckluft erzeugt wird, durch die eine Mindestdrehzahl des Turboladers gehalten wird. Ein Verfahren zum Abkühlen während des Abstellens einer Nutzleistung erzeugenden Turbomaschinenanlage ist daraus nicht ableitbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Abkühlen heißer, einen Verdichter enthaltender Turbomaschinen nach dem Abstellen zu vereinfachen und den dafür notwendigen Aufwand bei den geschilderten bisherigen Maßnahmen zu verringern. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Das von dem Hilfsgebläse geförderte, gleichzeitig als Kühl- und Treibmittel dienende Gas übt trotz der ungünstigen Anströmverhältnisse ein genügendes Drehmoment auf den Rotor des Verdichters aus, um die ίο Rotoren beider Maschinen weiter auf der verminderten Kühllaufdrehzahl auch dann zu halten, wenn die zunächst wirksame kinetische Trägheitserergie der drehenden Teile verbraucht und abgeklungen ist.

Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Einrichtung ist gekennzeichnet durch ein Hilfsgebläse, welchss zur Förderung des Kühl- und Treibmittels zur Turbomaschine nach Unterbrechung ihres Nutzleistungsbetriebs in einem Ansaugkanal angeordnet ist, der in Strömungsrichtung nach einem Abschlußorgan in die Zufuhrleitung der Turbomaschine mündet.

Der Ansaugkanal des Hilfsgebläses kann dabei vor dem Abschlußorgan an die Zufuhrleitung zur Turbomaschine angeschlossen sein, um als Kühl- und Treibmittel Gas zu verwenden, das zuvor in dem in derartigen Anlagen im allgemeinen vorhandenen Filter gereinigt worden ist.

Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, daß als

Hilfsgebläse zur Erzeugung des zur Aufrechterhaltung der verminderten Drehzahl notwendigen Treibmittels handelsübliche Gebläse verwendet werden können, deren Leistung im Bereich von 0,5—l,O%o der Vollast der zu kühlenden Turbomaschine liegt. Zum Antrieb des Gebläses genügen Elektromotoren einfachster Art, selbst wenn sie nicht höchste Wirkungsgrade aufweisen, weil sie verhältnismäßig kurze Ze^;t und mit relativ geringer Leistung in Betrieb sein müssen.

Das in der Zufuhrleitung zur Turbomaschine angeordnete Abschlußorgan kann in Form einer aus mehreren Klappen bestehenden Jalousie ausgebildet sein.

Zwei zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete thermische Turbomaschinenanlagen sind auf der Zeichnung vereinfacht dargestellt.
Fig. 1 veranschaulicht das erste Ausführungsbcispiel einer Turbomaschinenanlage mii nur einer Turbomaschine,

Fig. 2 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel eine Turbumaschincnanlage mit zwei hintereinander gcschalteten Turbomaschinen,

Fig. 3 die Ansicht des Hilfsgebläses in Richtung des Pfeiles III der Fig. 2,

F i g. 4 einen Querschnitt in Betriebsstellung nach der Linie iV-IV der F i g. 3 und

Fig. 5 einen Querschnitt in Stellung zum Abstellen der Anlage nach Linie V-V der F ■ g. 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. Angetrieben wird der Verdichter durch eine ebenso nicht dargestellte Kraftmaschine, die mit dem Wellenende 4 gekuppelt ist.

Zum Abstellen der Turbomaschine 1 wird die Energiezufuhr vom Antriebsmotor zur Welle 4 unterbr> hen. Alsdann kann der Rotor 5 bis zum Absinken der Drehzahl in den Bereich einer geeigneten Kühllaufdrehzahl unter Aufwendung der ihm noch

innewohnenden kinetischen Energie weiterlaufen. Zur Aufrechterhaltung dieser verminderten Drehzahl wird alsdann mittels eines Hiifsgebläses 6 aus der Leitung 2 Luft oder Gas dem Verdichter 1 zugeführt. Hierdurch wird der Verdichter 1 bis zur genügenden Absenkung der Temperatur weiter auf der verminderten Drehzahl gehalten, wobei die Kühlung durch das durchströmende, zur Aufrechterhaltung der Kühllaufdrehzahl dienende Treibmittel noch beschleunigt wird.

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 is Abschlußorgan 10 angeordnet, welches beim Lauf mit verminderter Drehzahl 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.

Die Antriebsleistung für das Hilfsgebläse beträgt etwa C,5— l,O%o der Nutzleistung im Vollastbetrieb des Verdichters und der zur Aufrechterhaltung der verminderten Drehzahl notwendige Überdruck ungefähr 0,01—0,04 bar. Die vom Gebläse geförderte Luft ermöglicht eine Vergleichmäßigung der Abkühlung des Läufers. Durch die Verwirbelung des Kühlmittels wird auch der Stator ebenso gleichmäßig gekühlt. Bei der Wand einer geeigneten Kühllaufdrehzahl ist es so möglich, schon zu jeder Zeit während des Auslaufs die Maschine wieder in Betrieb setzen zu können, ohne dabei Schaden durch Streifen der Schaufelungen befürchten zu müssen.

Die Turbomaschinengruppe nach Fig.2—5 besteht im wesentlichen aus einem Verdichter 11, einer js 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 weitergeleitct.

Zur Außerbetriebsetzung der Anlage nach F i g. 2 läßt man nach Unterbrechung der Befeuerung der Brennkammer 12 die Rotoren der Turbomaschinen 11 und 13 und der von ihnen angetriebenen Maschine unter Ausnützung der ihnen noch innewohnenden kinetischen Energie bis zum Abfall der Drehzahl in den zur Kühlung geeigneten, verminderten Drehzahlbereich auslaufen. Zur Aufrechterhaltung dieser verminderten Drehzahl wird mittels des Hiifsgebläses 16 Luft unter Druck durch den Strömungsweg 17, 18, 19 des Treibmittels geführt Hierdurch wird die Maschinengruppe bis Z¹Jr genügenden Absenkung ihrer Temperatur weiter auf der verminderten Drehzahl gehalten. Dabei wird die Kühlung durch die durchströmende Treibluft beschleunigt und vergleichmäßigt.

Die beiden Stufen 20 und 21 des Hiifsgebläses 16 (Fig.2 und 3) besitzen je ein axial beschaufeltes Laufrad, das von einem Elektromotor 22 bzw. 23 angetrieben ist.

Die Zufuhrleitung 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 Abschlußorgan besteht aus vier jalousieartig angeordneten Klappen 27, die mittels der Hebel 28 und eines Gestänges 29 entweder in die offene Stellung von F i g. 4 oder in die geschlossene Stellung von Fig.5 geschwenkt werden können. Während des Antriebs der Turbomaschinen 11 und 13 durch Druckluft stehen die Klappen in der Stellung der Fig.5 und bei normalem Nutzbetrieb in der Stellung der F i g. 4. Bei Aufrechterhaltung der verminderten Kühllaufdrehzahl werden die Läufer der Turbomaschinen — insbesondere der im Nutzbetrieb hoch erhitzte Läufer der Gasturbine — symmetrisch gekühlt, so daß keine einseitigen Temperaturdifferenzen über einen Querschnitt entstehen können 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, daß 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.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Abkühlen während des Abstel-Iens einer Turbomaschinenanlage mit mindestens einer im Betrieb mit hoher Temperatur arbeitenden, einen Verdichter enthaltenden Axialturbomaschine mittels Kühlluft oder eines anderen Kühlgases mitteis eines Hilfsgebläses, dadurch gekennzeichnet, daß man nach Einleitung des Abstellvorganges den Rotor des Verdichters und die übrigen mit ihm gekuppelten Rotoren bis zum Abfall der Drehzahl in den Bereich einer geeigneten Kühllaufdrehzahl unter Ausnützung der dem Rotor (5,11,13) noch innewohnenden kinetischen Energie auslaufen läßt und zur Aufrechterhaltung dieser verminderten Drehzahl und zur Weiterkühiung Luft oder ein anderes Gas mittels des Hilfsgebläses als Kühl- und zugleich als Treibmittel durch die Strömungskanäle der zu kühlenden Turbomaschine führt.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Hilfsgebläse (6, 6'; 16), welches zur Förderung des Kühl- und Treibmittels zur Turbomaschine nach Unterbrechung ihres Nutzleistungsbetriebs in einem Ansaugkanal (8, 9, 24, 25) angeordnet ist, der in Strömungsrichtung nach einem Abschlußorgan (10; 26) in die Zufuhrleitung (17) der Turbomaschine mündet.