DE2900014A1 - Gasturbinenvorrichtung - Google Patents
GasturbinenvorrichtungInfo
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Description
Anmelder: Firma Thomassen Holland B.V.
5 Pinkelseweg
NL - De Steeg
5 Pinkelseweg
NL - De Steeg
"Gasturbinenvorrichtung"
Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenvorrichtung, insbesondere für den 6.000-bis 10.000-kW-Bereich, die aus einem mehrteiligen
Gehäuse besteht, in dem eine Turbine und ein Radialkompressor auf Längs wellen angeordnet sind, die miteinander fluchten. Eine Gasturbine
dieser Art ist lediglich für eine Leistung unterhalb des vorgenannten Bereichs bekannt.
Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer Gasturbine, die insbesondere
im angegebenen Bereich von 6.000 bis 10.000 kW eine nützliche und leistungsfähige Ergänzung zu den bestehenden Gasturbinenvorrichtungen
der eingangs erwähnten Art bildet. Dabei wird berücksichtigt, daß ein derartiges neues Konzept nur Erfolgsaussichten hat, wenn ein Wirkungsgrad von mindestens 40% ohne
Erhöhung des Kostenpreises erreicht wird.
— 2—
909828/0858
29000U
11 777 -^If' 29. 12. 1978
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Anwendung
einer axialen einstufigen Turbine, an die sich mindestens
eine axiale Turbinenstufe und ein zweistufiger Radialkompressor anschließen, dessen ND-Stufe zweiseitig ausgebildet ist,
ferner mit einem Kompressionszwischenkühler und einem Regenerator oder Wärmeaustauscher im Auslaß der Gasturbine.
eine axiale Turbinenstufe und ein zweistufiger Radialkompressor anschließen, dessen ND-Stufe zweiseitig ausgebildet ist,
ferner mit einem Kompressionszwischenkühler und einem Regenerator oder Wärmeaustauscher im Auslaß der Gasturbine.
Das Vorsehen eines Kompressionszwischenkühlers hat zur Folge, daß eine Einsparung der zur Luftkompression erforderlichen
Leistung auftritt. Hierdurch genügt eine einstufige Axialturbine mit einem günstigen Stufennutzeffekt zum Antrieb des
Kompressors. Ohne Kompressionszwischenkühlung würde eine
mehrstufige Turbine notwendig sein. Eine einstufige Turbine
hat einen geringeren Kühlluftbedarf als eine mehrstufige
Turbine; hierdurch wird der Wirkungsgrad der Gasturbinenvorrichtung positiv beeinflußt.
Leistung auftritt. Hierdurch genügt eine einstufige Axialturbine mit einem günstigen Stufennutzeffekt zum Antrieb des
Kompressors. Ohne Kompressionszwischenkühlung würde eine
mehrstufige Turbine notwendig sein. Eine einstufige Turbine
hat einen geringeren Kühlluftbedarf als eine mehrstufige
Turbine; hierdurch wird der Wirkungsgrad der Gasturbinenvorrichtung positiv beeinflußt.
Die Zwischenkühlung erniedrigt die Eintrittstemperatur der
Luft in die zweite Kompressorstufe um ca. 150°C. Im Zusammenhang hiermit wird eine größere Wärmemenge aus den Abgasen der vom Kompressor gelieferten Luft übertragen. Über den Regenerator wird die zur Erwärmung der Kompressorluft bis zur Eintrittstemperatur der Turbine erforderliche Brennstoffmehrmenge kompensiert. Man spricht in diesem Fall von einem "regenerative
intercooled" Zyklus.
Luft in die zweite Kompressorstufe um ca. 150°C. Im Zusammenhang hiermit wird eine größere Wärmemenge aus den Abgasen der vom Kompressor gelieferten Luft übertragen. Über den Regenerator wird die zur Erwärmung der Kompressorluft bis zur Eintrittstemperatur der Turbine erforderliche Brennstoffmehrmenge kompensiert. Man spricht in diesem Fall von einem "regenerative
intercooled" Zyklus.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind hinter
der axialen einstufigen Turbine zwei weitere axiale Turbinenstufen vorgesehen. Durch diese Anordnung ist genügend Raum
verfügbar für eine richtige Formgebung in dem Übergang zwischen der ersten und zweiten axialen Turbine, während auch der
Diffusor hinter der zweiten Turbine genügend Raum zur Verfügung hat, um Strömungsverluste an diesen Stellen auf ein Minimum
zu beschränken.
verfügbar für eine richtige Formgebung in dem Übergang zwischen der ersten und zweiten axialen Turbine, während auch der
Diffusor hinter der zweiten Turbine genügend Raum zur Verfügung hat, um Strömungsverluste an diesen Stellen auf ein Minimum
zu beschränken.
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Die Gasturbinenvorrichtung kann eine einzige Welle aufweisen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind jedoch zwei Wellen
vorgesehen, wobei der Kompressor mit der axialen einstufigen Turbine auf einer Welle und die weiteren Turbinenstufen auf
der anderen Welle angeordnet sind.
Der Nutzeffekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann durch
die Kombination des regenerativen Zyklus mit einem sogenannten "bottoming" Zyklus, zum Beispiel einem Rankine-Zyklus noch
weiter gesteigert werden. Dieses System ist besonders nützlich für ein Gewinnen mechanischer Energie aus Wärme, die sich
auf einem niedrigen Temperaturniveau befindet, beispielsweise aus der verlorenen Xiärme der Gasturbinenvorrichtung in Abgasen
und Kompressionszwischenkühler. Bei einem Rankine-Zyklus erfolgt in einem geschlossenen Kreislauf eine Kompression des angewandten
Mediums in der Flüssigkeitsphase und eine Expansion in der Gasphase.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung, die verschiedene
Ausführungsbeispiele zeigt, näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung,
Figur 2 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform,bei der die Wärme mittels
Wasser aus dem Zwischenkühler abgeführt wird,
Figur 3 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform, bei der die Wärme mittels Luft aus dem
Zwischenkühler abgeführt wird,
schematische Darstellungen von weiteren Ausführungsformen der Erfindung,
Diagramme, aus denen der Effekt der Anwendung einer Zwischenkühlung in einem Zweistufenkompressor
ersichtlich ist. _^_
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Figur | 4 |
bis | 6 |
Figur | 7 |
und | 8 |
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Die Vorrichtung besitzt ein Turbinengehäuse 1 und ein Kompressorgehäuse
2, die jeweils aus einer Anzahl kleinerer Teile aufgebaut sind. Zwischen den Gehäusen 1 und 2 ist eine rohrförmiges
Zwischenstück 3 angeordnet. Jedes der beiden Gehäuse 1 und 2 wird separat abgestützt. Im Gehäuse 1 ist eine axiale
einstufige Turbine 4 angeordnet, während sich im Gehäuse 2 ein zweistufiger Radialkompressor 5 befindet. Der Turbine 4
sind zwei axiale Turbinenstufen 6 und 7 nachgeschaltet. Der Rotor dieser zweistufigen Turbine ist auf einer Welle 8 angeordnet.
Der Rotor 9 der einstufigen Turbine 4 ist mit dem Kompressor 5 auf einer mehrteiligen Welle 10 angeordnet. Der
linke Teil der Welle 10 läuft in Lagern 11, während der rechte
Teil in Lagern 12 läuft.
Die Turbine 4 ist mit einer kreisförmigen Verbrennungskainmer
mit einer Anzahl von beispielsweise 16 Zerstäubern 14 versehen.
Die aus dem Kompressor 3 abfließende Verbrennungsluft tritt
in das Gehäuse über beispielsweise 4 radiale Einlasse 15 ein,
die in die Kammer 13 münden. Das Gehäuse 1 besitzt verschiedene Öffnungen 16. Zwischen dem Rotor 9 der Turbine 4 und der folgenden
Turbinenstufe 6 ist ein Übergangsstück 17 angeordnet. Hinter der Turbinenstufe 7 ist ein Austrittsdiffusor 18 angeordnet.
Die Lagerung des Rotors der die Turbinenstufen 6 und 7 aufweisenden Turbine erfolgt in der Nähe der Enden der Welle
über Lager 19 und 20. Das an der rechten Seite in Figur 1
befindliche Lager 20 ist ein kombiniertes Radial-Axial-Lager.
Auch von jedem Wellenteil 10 ist eines der Lager 11 und 12
als kombiniertes Radial-Axial-Lager ausgebildet.
Der Kompressor 5 besteht aus einer doppelseitigen ND-Stufe 21,
deren Rotor auf dem linken Wellenteil 10 angeordnet ist. Auf demselben Wellenteil befindet sich der Rotor der HD-Stufe 22 des
Kompressors. Die mehrteilige Welle 10 ist an verschiedenen Stellen in Lagern 11 und 12 gestützt, wobei in einigen dieser Lager
Axialkräfte aufgenommen werden können. Die Welle 10 fluchtet mit der Welle 8, welche die Turbinenstufen 6 und 7 trägt.
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Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, ist die Vorrichtung mit einem im Fundament 24 der Maschine angeordneten Kompressionszwischenkühler
23 versehen. Diese Ausführungsform ist zur Verwendung
an Stellen bestimmt,an denen Kühlwasser verfügbar ist.
Die Zeichnung zeigt ferner sehr schematisch einen Regenerator 25, der zwischen dem Auslaß 26 der Turbinenstufen 4, 6, 7 und der
Leitung 27 zwischen der Kompressorstufe und der Leitung 15 angeordnet
ist. In Figur 2 sind ferner noch der Startmotor 28 und einige Schmierölkühler 29 ersichtlich.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform mit einem Luft/Luftkühler
Der besseren Übersichtlichkeit halber ist hier der Regenerator nicht dargestellt. Diese Ausführungsform eignet sich für
Gebiete,in denen kein Kühlwasser verfügbar ist, zum Beispiel für Wüstengebiete.
Die vorerwähnte Vorrichtung ermöglicht einen hohen Nutzeffekt. Hierzu trägt in erster Linie die Anwendung des Kompressionszwischenkühlers
23, 30 in Kombination mit dem Regenerator 25 (siehe Figuren 4 bis 6) bei. An zweiter Stelle trägt zu dem
hohen Nutzeffekt der Vorrichtung die Anwendung einer axialen einstufigen Turbine mit einem günstigen Stufennutzeffekt bei,
welche durch die Anwendung des Kompressionszwischenkühlers möglich ist. Ohne Zwischenkühlung würde eine mehrstufige Turbine
erforderlich sein. Eine einstufige Turbine hat einen geringeren Kühlluftbedarf als eine mehrstufige Turbine. Hierdurch wird der
Nutzeffekt der Gasturbinenvorrxchtung positiv beeinflußt. Diese Kombination ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auch deshalb besonders günstig, weil das Verhältnis zwischen der angesogenen Luftmenge und der Leistung der Einrichtung
kleiner ist als bei den meisten bisher bekannten Turbinenvorrichtungen .
Zur Erhöhung des Wirkungsgrads der Gasturbinenvorrichtung kann
der "regenerative intercooled" Zyklus mit einem sogenannten "bottoming" Zyklus, zum Beispiel einem Rankine-Zyklus,kombiniert
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werden. Dieser wird durchgeführt in einem geschlossenen System, das aus einem Wärmeaustauscher 32, einer Expansionsturbine
33, einem Kondensator 34 und einer Zirkulationspumpe besteht. Das geschlossene System arbeitet mit einem Medium mit
einer niedrigen Verdampfungswärme , zum Beispiel einer fluorierten Chlormethanverbindung wie beispielsweise Freon
(siehe Figur 6).
In der Ausführung, wie sie in Figur 6 dargestellt ist, wird
noch ein extra Zyklus mit Wasser als Medium angewandt, der den Zweck hat, die in den Abgasen vorhandene Wärme über einen
Wärmeaustauscher 38 und den Kompressionszwischenkühler 23 zu sammeln' und dem Medium des Rankine-Zyklus über Wärmeaustauscher
32 zuzuführen. Die Zirkulation des Wassers erfolgt mittels einer Zirkulationspumpe 39.
Ein weiterer Vorteil eines derartigen Kreislaufs besteht darin, daß das Medium des Rankine-Zylklus nicht in direkte^. Kontakt
mit den heißen Teilen der Gasturbine kommt; dies ist im Hinblick auf die Sicherheit wünschenswert. Unter gewissen Umständen
kann die Anwendung eines Dampfzyklus, der aus einem geschlossenen System von Dampfkessel 35, Dampfturbine 36 und
Kondensator 37 (siehe Figur 5) besteht, günstig sein. Das geschlossene System ist dabei im Auslaß angeordnet. Hierbei
wird kein Regenerator verwendet.
Aus den Figuren 7 und 8 sind die Vorteile ersichtlich, die durch die Anwendung des Zwischenkühlers 23 oder 30, der zwischen
den beiden Stufen 21 und 22 des Kompressors angeordnet ist, erzielt werden. Figur 7 zeigt im schraffierten Teil die in
den Abgasen noch vorhandene Wärmemenge, die zur Erhöhung der Temperatur der komprimierten Luft verfügbar ist, bevor die
Verbrennung stattfindet. Aus Figur 8 ergibt sich, daß durch Anwendung der Zwischenkühlung eine größere Wärmemenge verfügbar
ist. Die in dem Zwischenkühler 23, 29 abgeführte Wärmemenge kann in der Vorrichtung gemäß Figur 6 noch im Wasserkreislauf
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zwischen den Wärmeaustauschern 32 und 38 benutzt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist verschiedene wesentliche
Vorteile auf. Durch die Möglichkeit der Anwendung einer hohen Gastemperatur an der Einlaßseite der Turbine 4 kann der Nutzeffekt,
bzw.die Energieausbeute gesteigert werden. Wegen der Anwendung der Zwischenkühlung im Kompressor 5 kann die für
diesen Kompressor erforderliche Leistung durch die einstufige axiale Turbine 4 geliefert werden, so daß die Axialturbine 6,7
vollständig für die Erzeugung der Wellenleistung zur Verfügung steht. Ferner ist es günstig, daß die Lager 19 und 20 der Turbinenwelle
8 sich im relativ kühlen Teil der Vorrichtung befinden.
Nachstehend folgt ein zahlenmäßiges Beispiel der wichtigsten Werte bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung:
Luftmenge
Eintrittstemperatur Kompressorstufe 21 Ausgangstemperatur Kompressorstufe 21
Eintrittstemperatur Kompressorstufe 22
Ausgangstemperatur Kompressorstufe 22 Kompressionsverhältnis Stufe 21
Kompressionsverhältnis Stufe 22 Nutzeffekt Regenerator 25 Eintrittstemperatur Turbine 4
Leistung Kompressor 5
Leistung Turbine 6,7
Tourenzahl Turbine 6,7
Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung gem.Fig.4
Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung gem.Fig.5 Gescimtwirkungsgrad der Vorrichtung gem.Fig. 6
25 kg/sec.
15°C
160°C
30°C
180°C
3 : 1
3 : 1
85%
6300 kW
7350 k.w
+9200 U/min.
44,5%
44,5%
51%
Als wichtigste Anwendungsgebiete der erfindungsgemäßen
Vorrichtung werden angesehen:
1. Antrieb von Gastransportkompressoren,
2. Antrieb von Pumpen und Kompressoren bei öl-und Gasgewinnung,
3. Elektrizitätserzeugung -8-
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4. Schiffsantrieb
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Claims (8)
- Patentansprüche:ι 1. Gasturbinenvorrichtung, insbesondere für den 6.000-bis 10.000-kW-Bereich, die aus einem mehrteiligen Gehäuse besteht, in dem eine Turbine und ein Radialkompressor auf Längswellen angeordnet sind, die miteinander fluchten, dadurch gekennzeichnet, daß eine axiale einstufige Turbine (4) vorgesehen ist, an die sich mindestens eine axiale Turbinenstufe (6) und ein' zweistufiger Radialkompressor (5) anschließen, dessen ND-Stufe (21) zweiseitig ausgeführt ist, ferner mit einem Kompressionszwischenkühler (23, 30) und einem Wärmeaustauscher (25) im Auslaß der Gasturbine.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß hinter der axialen einstufigen Turbine(4) zwei weitere axiale Turbinenstufen (6 und 7) vorgesehen sind.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Wellen (8 und 10) vorgesehen sind und der Kompressor (5) mit der axialen einstufigen Turbine (4) auf der einen Welle (10) und die weiteren axialen Turbinenstufen (6 und 7) auf der anderen Welle (8) angeordnet sind.
- 4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Auslaß der Axialturbine (6, 7) ein Dampfkessel (35) zur Dampferzeugung angeordnet ist.90982 8/085 82300014777 29. Dezember 1978
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, da durch gekennzeichnet , daß auf der Auslaßseite ein aus einem geschlossenen System von Dampfkessel (35), Dampfturbine (36) , Kondensator (37) und Zirkulationspumpe (39) bestehender Dampfzyklus vorgesehen ist.
- 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß im Auslaß der Axialturbine (6, 7) ein Wärmeaustauscher (38) vorgesehen ist, der mit einem Rankine-Zyklus kombiniert ist, der aus einem geschlossenen System von Wärmeaustauscher (32), Expansionsturbine (33), Kondensator (34) und Zirkulationspumpe (39) besteht und mit einem Medium mit niedriger Verdampfungswärme, beispielsweise mit fluoriertem Chlormethan betrieben wird.
- 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß ein Zwischenkreislauf in einem geschlossenen System vorgesehen ist, das aus Wärmeaustauschern (23, 32 und 38) und Zirkulationspumpe (39) besteht.
- 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß als Betriebsmedium für den Zwischenkreislauf Wasser verwendet wird.909828/0850
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