DE2850326A1

DE2850326A1 - Gasturbinensatz

Info

Publication number: DE2850326A1
Application number: DE19782850326
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Collin
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1978-11-20
Filing date: 1978-11-20
Publication date: 1980-06-12
Also published as: FR2441724A1; FR2441724B1

Description

Kiöckner-HumboidHDeutzAQ /Λ Bf <&ΙΟ eLP .5000 Κο1η_£0, den 09. November 1978

- ::. : . -.Un\ser Ze'ichen: D 78/76 AG-XPB Bü/Ga

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Gasturbinensatz

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasturbinensatz, bestehend aus einem Verdichter, der mit einer Gasgeneratorturbinu mechanisch gekoppelt ist, aus einer Brennkammer, einer Arbej.tsturbin die mit ojner Arbeitr.tnarschino mechanisch gekoppelt ist, und einem Wärmetauscher für die verdichtete Luft.

Gasturbinen werden vielfach mit Wärmetauschern ausgerüstet, um den Kraftstoffverbrauch durch Vorwärmung der verdichteten, zur Brennkammer geführten Luft zu vermindern. Der Wärmetauscher ist in bekannter Anordnung hinter der Arbeitsturbine geschaltet (Dubbel, Taschenbuch für Maschinenbau, Band II, 1966, Seite 377 378). Da die Wärme auf die verdichtete Luft hinter dem Verdichter übertragen wird, kann die abgasseitige Wärmetauschoraustrittstemperatur nicht die Verdichtungsendtemperatur unterschreiten. Bei Wärmetauschgrad eins (idealer Wert) können höchstens Verdichterendtemperatur und Wärmetauscheraustrittstemperatur gleich groß sein. Da nun der Wärmetauscher am Ende des Prozesses angeordnet ist, kann die Abgastemperatur die Verdichteraustrittstemperatur nicht unterschreiten, so daß die Prozeßaustrittstemperatur immer größer als die Verdichtungsendtemperatur sein muß. Bei gegebenem Wärmetauschgrad, Massenstron und Bauaufwand wird das Wärmetauschervolumen sehr stark durch die Dichte des Abgases geprägt. Infolge der Wärmetauscheranordnung am Prozeßende ist der abgasseitige Druck sehr niedrig (etwa Umgebungsdruck), so daß die Gasdichte des Abgases sehr gering und damit das Wärmetauschervolumen groß sein muß.

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Des weiteren ist die DE-AS 11 95 091 bekanntgeworden. Darin ist eine Gasturbinenanlage zum Antrieb einer Speisepumpe eines Dampferzeugers beschrieben, bei welcher von der Gasgeneratorturbine neben dem Verdichter noch ein Generator angetrieben wird. Die den Gasgenerator verlassenden Abgase gelangen sodann zu einem Wärmetauscher, der die der Brennkammer zugeführte, verdichtete Luft erwärmt und anschließend zu einer Arbeitsturbine, die die Speisepumpe des Dampferzeugers antreibt, leitet.

Diese Anordnung stellt im Prinzip eine einwellige Gasturbinenanlage dar, d.h. die Hauptarbeit wird von der Gasgeneratorturbine verlangt, da diese den Generator antreiben muß. Die an der Arbeitsturbine angehängte Speisepumpe verlangt - im Gegensatz zum Generator - eine wesentlich geringere Leistung. Deshalb kann davon ausgegangen werden, daß das zur Arbeitsturbine strömende Abgas nur noch eine geringe Gasdichte aufweist, daß also der Wärmetauscher - wie bekannt - ein relativ großes Volumen aufweisen muß.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmetauscheranordnung vorzuschlagen, bei welcher das Wärmetauscherbauvolumen wesentlich erniedrigt werden kann, die Turbinenabgastemperatur aber trotzdem niedrig gehalten wird.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Wärmetauscher abgasseitig im Teillastbereich zwischen der Gasgeneratorturbine und der Arbeitsturbine geschaltet ist, während im Vollastbereich die Gasgeneratorturbine direkt mit der Arbeitsturbine verbunden ist. Diese Anordnung eignet sich besonders für Maschinen, die überwiegend im Teillastbereich eingesetzt werden, wie beispielsweise Kraftfahrzeug-, Kampfpanzer- und Schienenfahrzeugturbinen. Durch diese Anordnung des Wärmetauschers konnte sein Volumen und sein Gewicht um ca. 30 bis 35 % verringert werden. Ebenfalls

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konnte die Abgastemperatur bei Teillast aufgrund der Anordnung
des Wärmetauschers wesentlich gesenkt werden. Dadurch, daß die
Arbeitsturbine im Teillastbereich von Abgas mit niedrigerer
Temperatur beaufschlagt wird, kann die Lebensdauer dieser
Turbine wosenblich erhöht; werden.

Die Ausbildung des Wärmetauschers als Rekuperator hat den Vortei daß der nunmehr höher beanspruchte Wärmetauscher diese "emperaturen besser verkraften kann.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung de:3 Wärmetauschers besteht darin, daß der Gasgenerator im Teilla.-stbereicl· höhere Drehzahlen als bei der bekannten Wärmetauseheranordnung
aufweist, so daß bei kurzzeitiger Belastung die Gasgeneratorbeschleunigungszeit kürzer ist.

Um zu erreichen, daß die Abgase im Teillastbereich durch den
Wärmetauscher strömen und im Vollastbereich den Wärmetauscher
umgehen, ist es vorteilhaft, einen Axialschieber zu verwenden,
der in Abhängigkeit der Drehzahl der Gasgeneratorturbine betätigt wird. Durch die Verwendung der Gasgeneratorturbinendrehz! wird der Vorteil erreicht, daß kein separater Drehzahlgeber vorgesehen werden muß, da die Gasgeneratordrehzahl allgemein schon zur Uberdrehzahlbegrenzung bei einer Zwei-Wellen-Anlage - wie s. hier beschrieben ist - benötigt wird. Es ist selbstverständlich auch möglich, zur Steuerung des Schiebers das Verdichterdruckverhältnis und/oder die Gasgenerator-Turbinen-Eintrittstemperati zu verwenden. Hierfür müßten allerding separate Geber installie: werden, um die Maximalwerte des Druckverhältnisses bzw. der
Temperatur zu ermitteln.

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Wie Versuche zeigten, ist es weiterhin bei dem erfindungsgemäßen Gasturbinensatz vorteilhaft, wenn ein einstellbares Leitrad bei der Arbeitsturbine verwendet wird. Damit ist es möglich - wenn der Wärmetauscher im Vollastbereich umgangen wird - das Leitrad der Turbine derart einzustellen, daß eine größere Turbinenleitradfläche von dem nunmehr eine höhere Eintrittstemperatur aufweisenden Abgas beaufschlagt wird. Dadurch wird die Schluckfähigkeit der Turbine positiv beeinflußt.

Um den Schaltungsaufwand möglichst gering zu halten, sieht eine andere Weiterbildung der Erfindung vor, das Leitrad der Arbeitsturbine und den Schieber gemeinsam von einer einzigen Verstelleinrichtung zu verstellen. Die Verstelleinrichtung selbst arbeitet hierbei entweder pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch

Eine vorteilhafte Ausbildung des Schiebers zeichnet sich dadurch aus, daß er als konzentrisch zur Arbeitsturbinenachse ausgebildeter Ring aufgebaut ist, welcher im wesentlichen axial verlaufende Kanäle aufweist. Hierdurch ist sichergestellt, daß der Schieber dem Abgas einen möglichst geringen Strömungswiderstand entgegensetzt.

Aufgrund (B. es er Ausbildung int en weiterhin möglich, den gesamten Gasturbinen π η I; ζ ζ.η einer Bnuolnhoit zu vereinigen, wenn der Wärmetauscher zweiteilig oder ringförmig ausgebildet wird und konzentrisch zur Maschinenachse zwischen der Gasgenerator- und Arbeitsturbine angeordnet 1st. Damit wird ein möglichst geringer Bauraum des Gasturbinensatzes ermöglicht, so daß er sich insbesondere für den mobilen Einsatz, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, eignet.

Bei mobilen Einsatzgebieten hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, daß der Wärmetauscher von den Abgasen radial von innen nach außen durchströmt wird und daß zur

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Arbeitsturbine hin an dem Wärmetauscher Umlenkkanäle vorgesehen sind, deren Durchströmquerschnitt von dem Schieber steuerbar ist, Damit ist es möglich, den Schieber nahezu auf der Höhe des Arbeitsturbinenleitrades anzuordnen, so daß die Einbaumaße des gesamten Gasturbinensatzes gering bleiben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines ausgewählten Beispiels näher beschrieben.

Es stellen dar:

Fig. 1 eine Schemaskizze des erfindungsgemäß aufgebauten Gasturbinensatzes;

Fig. 2 einen schematisierten Querschnitt durch den Gasturbinen satz mit einer Schemaskizze der Steuerung des Schieberp_r

In der Fig. 1 1st mit 1 der Verdichter bezeichnet, welcher über eine Welle 2 von einer Turbine 31 dem sogenannten Gasgenerator, angetrieben wird. Die aus dem Verdichter 1 austretende, verdichtete Luft wird einem Wärmetauscher 4 zugeführt und von dort in eine Brennkammer 5 geleitet, die ihre Abgase in die Turbine Z schickt.

Der Auslaß der Turbine 3 ist über ein Ventil 6 entweder mit icn> Wärmetauscher 4 oder der Arbeitsturbine 7 verbindbar,-An der M--beltsturbine 7 kann eine Leistung über die Welle 8 abgegriffen werden.

Im Teillastbereich ist das Ventil 6 derart geschaltet, daß ö.nn aus der Turbine 3 strömende Abgas zuerst in den Wärmetauscher 4 gelangt, wo es die von dem Verdichter 1 verdichtete Luft ovf · wärmt. Da das Abgas bisher nur in der Turbine 3 eine im Gegen satz zu seiner gespeicherten Energie geringe Arbeit leisten

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mußte - um den Verdichter 1 anzutreiben - weist es am Eingang und Ausgang des Wärmetauschers 4 noch einen hohen Druck auf, so daß nur ein kleines Wärmetauschervolumen vorgesehen werden muß, um einen guten Wärmetausch zu erhalten. Nach Passieren des Wärmetauschers 4 wird das immer noch relativ hoch verdichtete Abgas der Arbeitsturbine zugeführt, in der es durch Expansion Leistung an die Welle 8 abgibt.

Da diese Schaltung eine Verkleinerung der spezifischen Leistung bezogen auf den Luftdurchsatz zur Folge hat, eignet sie sich nur im Teillastbereich. Im Spitzenlastbereich wird deshalb das Ventil 6 umgeschaltet, so daß das Abgas aus der Turbine 3 direkt, d.h. ohne durch den Wärmetauscher 4 zu gelangen, der Arbeitsturbine 5 vorgegeben wird. In diesem Fall wird auf ein Aufwärmen der verdichteten Frischluft verzichtet.

Da das Nicht an Tw? S ι-inen der Fr Inch luft durch einen höheren Brennraittelverbrauch erkauft wird, eignet sich die erfindungsgemäße Schaltung insbesondere für Gasturbinensätze, die überwiegend im Teillastbereich betrieben werden, wie z.B. Gasturbinensätze in Kraftfahrzeugen, Kampfpanzern und Schienenfahrzeugen.

In Fig. 2 ist eine räumlich andere Anordnung der einzelnen Bauteile des Gasturbinensatzes dargestellt, sowie der zur Umsteuerung notwendige Regelkreis. Im Gegensatz zu der Darstellung in Fig. 1 ist in Fig. 2 zwischen der Gasgeneratorturbine 3 und der Arbeitsturbine 7 ein Kegelabschnitt 9 aus strömungstechnischen Gründen angeordnet. Auf dem Umfang des Kegelabschnitts 9 ist an dessen der Arbeitsturbine 7 zugewandten Ende ein Führungskörper 10 befestigt- Der Führungskörper 10 dient dem als Schieber ausgebildeten Ventil 6 als Führungsfläche.

Konzentrisch zur Achse des Kegelabschnitts 9 ist mit einem radialen Abstand der Wärmetauscher 4 angeordnet, der in diesem Fall aus den beiden Bauteilen 4.1 und 4.2 besteht. Die Wärme-

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tauscherbauteile 4.1 und 4.2 können in diesem Beispiel radial von innen nach außen durchströmt werden» Aus diesem Grunde ist um die Wärmetauscherbauteile eine Abdeckung 11 angeordnet, die einen radialen sowie in Richtung auf die Arbeitsturbine 7 auch einen axialen Abstand zu den Wärmetauscherbauteilen aufweist. Diese Abstände bilden Kanäle 12 und dienen zur Führung des Abgases zur Arbeitsturbine 7.

Der eingangs erwähnte Schieber ist in dem radialen Abstand zwischen den Wärmetauschern 4.1 und 4.2 und dem Führungskörper angeordnet. 3Sr weist Umlenkkanäle 13 auf, welche durch einzelne Stützrippen voneinander getrennt sind. Die Anzahl und die· Form der Umlenkkanäle 13 ist derart, daß sie einen möglichst geringen Strömungswiderstand für das zur Arbeitsturbine 7 strömende Abgas bilden. Der Schieber ist derart angeordnet, daß sein Umfang die Kanäle 12 sperren kann und die Umlenkkanäle 13 freigibt bzw. umgekehrt.

In der in Fig. 2 dargestellten Stellung des Schiebers arbeitet die Arbeitsturbine 7 im Vollastbereich, d.h. die Wärmetauscherbaurfceile 4.1 und 4.2 werden nicht vom Abgas durchströmt, so daß die der Brennkammer 5 zugeführte, vorverdichtete Frischluft nicht erwärmt wird.

Des weiteren ist in Fig. 2 schematisch der Reglerkreis zur Steuerung des Schiebers dargestellt. Dazu ist an der Gasgeneratc turbinenwelle 2 ein Drehzahlgeber 14, beispielsweise ein Tachogenerator, angeordnet. Er liefert eine der Drehzahl proportional Spannung in den Soll-Istwert-Vergleicher 15» welcher einen fest eingestellten Sollwert aufweist. Der Sollwert entspricht der* Grenzdrehzahl der Welle 2, wenn der Gasgenerator 3 gerade noch im Teillastbereich arbeitet. Wird "durch die Belastung der Arbeitsturbine 7 die Drehzahl der Gasgeneratorturbine 3 erhöht,,

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so überschreitet der Istwert den Sollwert, so daß der Soll-Istwert-Vergleicher 15 ein Signal in den Verstärker 16 liefert, welcher einen Schaltimpuls zu der Verstelleinrichtung 17 liefert, welche den Schieber 6 von Teillast auf Vollast verschiebt.

Da bei Vollastbetrieb die Arbeitsturbine 7 mit dem temperaturmäßig höheren Abgas aus der Gasgeneratorturbine 3 beaufschlagt wird, ist es sinnvoll, beim Umschalten auf Vollast gleichzeitig das Leitrad der Arbeitsturbine 7 zu verstellen, und zwar derart, daß von dem heißen Abgas eine größere Leitradfläche beaufschlagt wird.

Eine Umschaltung von dem Vollastbereich auf den Teillastbereich geschieht umgekehrt, d.h. sind die Gasgeneratordrehzahlen unter dem am Soll-Istwert-Vergleicher 15 eingestellten Sollwert gefallen, so liefert der Soll-Istwert-Vergleicher 15 wiederum ein Signal in den Verstärker 10, welcher einen Steuerimpuls zu der Verstelleinrichtung 17 liefert und zwar derart, daß der Schieber derart verschoben wird, daß die Umlenkkanäle 13 von der Gasgeneratorturbine 3 zu der Arbeitsturbine 7 versperrt werden. Dadurch muß das Abgas durch die Wärmetauscherbauteile 4,1 und 4.2 und die Kanäle 12 strömen, so daß die verdichtete Frischluft erwärmt wird. Nach dem Passieren der Wärmetauscherbauteile gelangt das leicht abgekühlte Abgas zu der Arbeitsturbine 7.

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L e e'r s e i t e

Claims

Patentansprüche

Λ J Gasturbinensatzy bestehend aus einem Verdichter, der mit einer Gasgeneratorturbine mechanisch gekoppelt ist, aus einer Brennkammer, einer Arbeitsturbine, die mit. einer Γ-Arbeitsmaschine mechanisch gekoppelt ist, und einem Wa.rrae-.--~-, tauscher für die verdichtete Luft,

dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (4) abgasseitig/ im Teillastbereich zwischen der Gasgeneratorturbine (3) und "" der ArbeitstvLrbine (7) geschaltet ist, während im Vollastbe^r~- reich die Atyyine der (Innp.nnernborturbine (3) direkt in die " Arbeitsturbine (7) geleitet werden.
2. Gasturbinensatζ nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmetauscher (4) ein Rekuperator vorgesehen ist.
3. Gasturbinensatz nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Axialschieber (6) zum Umschalte: vom Teillast- in den Vollastbereich vorgesehen ist, der in Abhängigkeit der Drehzahl der Gasgeneratorturbine (3) betätigbar ist.
4. Gasturbinensatz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Arbeitsturbine mit einem einstellbaren Leitrad ausgerüstet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß das Leitrad der Arbeitsturbine (7) und der Schieber (6) gemeinsam von einer Verstelleinrichtung (1' verstellbar sind.

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5. Gasturbinensatz nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß als Schieber (6) ein konzentrisch zur Arbeitsturbinenachse angeordneter Ring vorgesehen ist, welcher im wesentlichen axial verlaufende Kanäle aufweist.
6. Gasturbinensatz nach einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß der Gasgenerator (1, 3» 5) und die Arbeitsturbine (7) koaxial zueinander angeordnet und zu einer Baueinheit vereinigt sind und daß der Wärmetauscher (4) zweiteilig (4.1, 4.2) ausgebildet ist und konzentrisch zur Maschinenachse zwischen der Gasgenerator- (3) und Arbeitsturbine (7) angeordnet ist.
7. Gasturbinensatz nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (4) von den Abgasen radial von innen nach außen durchströmt wird und daß auf der Seite der Arbeitsturbine (7) an den Wärmetauscher (4) Umlenkkanäle (11, 12) vorgesehen sind, deren Durchströmquerschnitt von dem Schieber (6) steuerbar ist.

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