DE2354490C3 - Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage, bestehend aus einer Gasturbine mit zugehöriger Brennkammer, einem von der Turbine getriebenen Kompressor und einer vor dem Kompressor auf dessen Welle sitzenden Expansionsturbine mit verstellbaren Einlaufleitschaafeln. Eine solche Gasturbinenanlage ist bekannt aus der DE-AS 17 51 845.

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 verstellbaren Einlaufleitschaufeln anbringL Auf diese Weise erhält man einen guten Wirkungsgrad bis herunter zu einem Viertel der Vollast. Gleichzeitig stellen die verstellbaren Ein'aufleit. .haufein der Expansionsturbine eine bequeme Möglichkeit zur Regelung der G sturbine dar. Wenn die Exp asionsturbine mit gleiche. Drehzahl wie der Kompressor läuft, dann werden jedoch bei Vollast und damit voller Öffnung der Einlaufleiischaufeln 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.

Um dieser Verschlechterung des Wirkungsgrades bei Vollast entgegenzuwirken, ist es aus der DE-AS 17 51 845 bekannt, zwischen der Expansionsturbine und dem Kompressor eine Überholkupplung anzuordnen, die ein Überholen der Luftturbine durch den Verdichter gestattet, so daß der Kompressor schneller als die Expansionsturbine laufen kann. Es ist auch möglich, die Expansionsturbine bei voller Öffnung der Leitschaufeln vom Verdichter abzukuppeln, so daß sie unbelastet und sich in ihrer Drehzahl frei einstellend läuft.

Aber auch bei diesen Gasturbinenanlagen verursacht die Expansionsturbine erhebliche Drosselverluste, die den Wirkungsgrad der gesamten Anlage verschlechtern. Außerdem bedeute! insbesondere die Verwendung einer aufwendigen und anfälligen Überholkupplung einen hohen Aufwand.

Der f.rfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art ohne Verwendung einer Kupplung zwischen Expansionsturbine und Kompressor in ihrem Wirkungsgrad wesentlieh zu verbessern,

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Gasturbinenaggregat der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das erfindungsgemäß die ifti kennzeichnenden Teil des Palentanspruchs genannten erfinderischen Merkmale aufweist. Bei kleiner Belastung und starker Drosselung der Leitschaufeln arbeitet die Expansionsturbine 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 übtr den

ίο ganzen Belastungsbereich erzielL Gleichzeitig kann auf die Kupplung zwischen Kompressor und Expansionsturbine verzichtet werden.

Anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert p/erden. Es zeigt

F i g. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Gasturbinenanlage, bei der 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 der Gasturbinenanlage nach F i g. 1 sind auf derselben Welle die Expansionsturbine 2, deren verstellbare Einlaufleitschaufeln mit 1 bezeichnet sind, der Kompressor 3, die Gasturbine 5 und ein Belastungsaggregat 7, z. B. ein Generator oder der Getriebekasten eines Fahrzeuges, angeordnet. Die Luft zur Gasturbinenanlage strömt in Pfeilrichtung, d.h. durch die Leitschaufel 1, die Expansionsturbine 2, den Kompressor 3, den Wärmeübertrager 6, die Brennkammer 4, die Turbine 5 und erneut durch den Wärmeübertrager 6 zum Abgasausgang. Im Wärmeübertrager 6 wird die vom Kompressor kommende Luft von den Abgasen der Gasturbine 5 erwärmt.

Das Profil des Schaufelsystems für die Expansionsturbine 2 geht aus den F i g. 2a und 2b hervor. F i g. 2a zeigt die Verhältnisse bei kleiner Last, wenn die Expansionsturbine 2 also als Turbine arbeitet. Fig. 2b zeigt die Verhältnisse bei Vollast, wenn die Expansionsturbine 2 also als Kompressor arbeitet. Dank der geraden oder planen, d. h. unverwundenen Ausbildung der Laufschaufeln 8 wird für beide Betnebszustände ein angemessener Wirkungsgrad erzielt. Die Laufschaufeln 8 arbeiten mit ausreichender Leistung, unabhängig von der Druckverteilung auf den h'"iden Seiten. In Fig. 2 sind die Einlaufleitschaufeln 1 mit Schwunghebeln 9 versehen, die über einen Führungskranz 10 miteinander verbunden sind, der den gesamten Umfang der Expansionsturbine umspannt.

In F i g. 2a sind die Leitschaufeln 1 mit relativ starker Drosselung eingestellt, was einer niedrigen Belastung entspricht, während die Leitschaufeln 1 in F i g. 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 zeigt, daß Fig.2a dem Turbinenbetrieb mit dem höchsten Druck auf der Oberseite der Laufschaufeln 8 entspricht, während F i g. 2b dem Kompressorbetrieb mit höchstem Druck auf der Unterseite der Laufschaufeln 8 entspricht. Dank ihres geraden, unverwundenen Profils arbeiten die Laufschaufeln 8 in beiden Fällen mit gleichem Wirkungsgrad. Die Geschwindigkeit ü der Laufschaufeln 8 ist in beiden Fällen dieselbe.

Wenn die abgehende Welle der Gasturbinenanlage mit einer aridsren Drehzahl laufen soll, kann die Gasturbine 5 in zwei Turbinen aufgeteilt Werden, von denen die erste den Kompresor 3 antreibt, während die

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zweite mit drehbaren EiRlaufleitsohaufeln 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Gasturbinenanlage, bestehend aus einer Gasturbine mit zugehöriger Brennkammer, einem von der Turbine getriebenen Kompressor und einer vor dem Kompressor auf dessen Welle sitzenden Expansionsturbine mit verstellbaren Einlaufleitschaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsturbine (2) mit geraden, unverwundenen Laufschaufeln (8), die ein symmetrisches Profil aufweisen, versehen ist