DE2354490A1 - Gasturbinenaggregat - Google Patents

Description

Patentanwälte

DlpL-Ing. Helmut MissIiηg _{63 Giessen} 11 .-10.1973

DipUng. Richard Schiee Bismarckstrasee 43

Dr.-Ing.'Joachim Boecker Telefon: C064i) 71019

Boe/Sn 11.777

STAL-LAVAL Turbin AB, Finspang/Schweden

Gasturbinenaggregat

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinenaggregat, bestehend einer Gasturbine mit zugehöriger Brennkammer, einem von der Turbine getriebenen Kompressor und einer vor dem Kompressor auf dessen Welle sitzenden Expansionsturbine mit drehbaren Einlaufleitschaufeln₀

Bei der Verwendung von Gasturbinen für den Antrieb von Fahrzeugen oder anderen Aggregaten mit stark veränderlichem Leistungsbedarf ist es schwierig, über einen genügend großen Belastungsbereich einen guten Wirkungsgrad zu erzielen. Eine günstige Beeinflussung des Wirkungsgrades wird dadurch erzielt, daß man vor dem Kompressor auf dessen Welle eine Expansionsturbine mit drehbaren Einlaufleitschaufeln anbringt. Auf diese Weise erhält man einen guten Wirkungsgrad bis herunter zu einem Viertel der Vollast. Gleichzeitig stellen die drehbaren Einlaufleitschaufeln der Expansions-

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turbine eine bequeme Möglichkeit zur Regelung der Gasturbine dar. Wenn die Expansionsturbine mit gleicher Drehzahl wie der Kompressor läuft, dann werden jedoch bei Vollast und ■damit voller Öffnung der Einlaufleitschaufeln die Strömungsverhältnisse in der Expansionsturbine ungünstig, da die Expansionsturbine unter diesen Bedingungen dazu neigt, als Kompressor zu arbeiten, wofür sich die Turbinenschaufelprofile sehr schlecht eignen. Aus diesem Grund ist die Expansionsturbine mit dem Kompressor normalerweise über eine Axialkupplung verbunden, die bei voller Öffnung der Leitschaufeln auskuppelt, so daß die Expansionsturbine unbelastet und sich in der Drehzahl frei einstellend läuft* Aber auch bei dieser Gasturbinenanordnung verursacht die Expansionsturbine erhebliche Drosselungsverluste, die den Wirkungsgrad des gesamten Aggregates verschlechtern.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad eines Gasturbinenaggregates der eingangs genannten Art zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Gasturbinenaggregat der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches genannten erfinderischen Merkmale aufweist. Bei kleiner Belastung und starker Drosselung der Leitschaufeln arbeitet die Expansions-

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turbine also als Turbine, während sie bei Vollast und voll geöffneten Leitschaufeln in den Kompressorbetrieb.übergeht und gewissermaßen als erste Stufe des nachgeschalteten Kompressors arbeitet. Gemäß der Erfindung arbeitet also die Expansionsturbine auch bei Vollast aktiv, ohne Drosselungsverluste zu verursachen. Bei entsprechender Dimensionierung von Kompressor und Expansionsturbine wird ein optimaler Wirkungsgrad über den ganzen Belastungsbereich erzielt. Gleichzeitig kann msas. auf die Kupplung zwischen Kompressor und Expansionsturbine verzichtet werden.

Anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Gasturbinenaggregates, bei dem die Erfindung angewendet wird,

Fig. 2 die Expansionsturbine mit den erfindungsgemäßen Schaufeln und der Stellung der Schaufeln a) bei kleiner Last und b)bei Vollast.

Bei dem Turbinenaggregat nach Fig. 1 sind auf derselben Welle die Expansionsturbine 2, deren drehbare Einlaufleitschaufeln mit 1 bezeichnet sind, der Kompressor 3» die Gasturbine 4 und

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ein Belastungsaggregat 7, z.B. ein Generator oder der Getriebekasten eines Fahrzeuges, angeordnet. Die Luft zum Gasturbinenaggregat strömt in Pfeilrichtung, d.h. durch die Leitschaufeln 1, die Expansionsturbine, den Kompressor 3, den Wärmeaustauscher 6, die Brennkammer 4, die Turbine 5 und erneut durch den Wärmeaustauscher 6 zum Abgasausgang. Im Wärmeaus tauscher 6 wird die vom Kompressor kommende Luft von den Abgasen der Gasturbine 5 erwärmt.

Das Profil des Schaufelsystems für die Expansionsturbine geht aus den Fig. 2a und 2b hervor. Fig. 2a zeigt die Verhältnisse bei kleiner Last, wenn die Expanstionsturbine also als Turbine arbeitet. Fig. 2b zeigt die Verhältnisse bei Vollast, wenn die Expanstionsturbine also als Kompressor arbeitet. Dank der geraden oder planen, d.h. nicht gewölbten Ausbildung der Laufschaufeln 8 wird für beide Betriebszustände ein angemessener Wirkungsgrad erzielt. Die Laufschaufeln 8 arbeiten mit ausreichender Leistung, unabhängig von der Druckverteilung auf den beiden Seiten. In Fig. 2 sind die Einlaufleitschaufeln 2 mit Schwunghebeln 9 versehen, die über einen Führungskranz 10 miteinander verbunden sind, der den gesamten Umfang der Expansionsturbine umspannt.

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In Fig. 2a sind die Leitschaufeln 1 mit relativ starker Drosselung eingestellt, was einer niedrigen Belastung entspricht, während die Leitschaufeln in Fig. 2b entsprechend Vollast ganz geöffnet sind»

Die Pfeile c bzw. W'für die wirkliche Strömungsrichtung bzw* für die relative Strömung der Luft im Verhältnis zu den Laufschaufeln 8 zeigen, daß Fig« 2a dem Turbinenbetrieb mit dem höchsten Druck auf der Oberseite der Laufschaufeln 8 entspricht, während Fig. 2b dem Kompressorbetrieb mit höchstem Druck auf der Unterseite der Laufschaufeln 8 entspricht« Dank ihres geraden, nicht gewölbten Profils arbeiten die Laufschaufeln 8 in beiden Fällen mit gleichem Wirkungsgrade Die Geschwindigkeit u der Laufschaufeln 8 ist in beiden Fällen dieselbe_o

Wenn die abgehende Welle des Gasturbinenaggregates mit einer anderen Drehzahl laufen soll, kann die Gasturbine 5 in zwei Turbinen aufgeteilt werden, von denen die erste den Kompressor 3 antreibt, während die zweite mit drehbaren Einlaufleitschaufeln versehen wird, durch deren Verstellung die gewünschte Drehzahl der abgehenden Welle erreicht werden kann. Dabei ist eine gegenseitige Regulierung der beiden Leitschaufelsysteme erforderlich, was jedoch die Wirkungsweise der Expansionsturbine 2 nicht beeinflußt„

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Claims (1)

1. Patentanspruch r

   Gasturbinenaggregat, bestehend aus einer Gasturbine mit zugehöriger Brennkammer, einem von der Turbine getriebenen Kompressor und einer vor dem Kompressor auf dessen Welle sitzenden Expansionsturbine mit drehbaren Einlaufleitschaufein dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsturbine (2) mit geraden, nicht gewölbten "Laufschaufeln (8) versehen ist.

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