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Gasturbinenanlage Wenn eine Gasturbine mit anderen Kraftmaschinen
in einen erfolgreichen Wettbewerb eintreten soll, dann ist neben einem günstigen
Wirkungsgrad des erforderlichen Verdichters und der Turbine eine sehr hohe Hitzebeständigkeit
und Festigkeit der Turbinenschaufeln und des Turbinenläufers unbedingte Voraussetzung.
Der Verdichter, welcher die erforderliche Verbrennungsluftmenge auf den, in der
Brennkammer herrschenden Druck fördert, ist ein unentbehrlicher Bauteil einer jeden
Gasturbine. Bei den großen Luftmengen, um die es sich in fast allen Fällen handelt,
kommt, um Preiswürdigkeit und geringen Raumbedarf zu erzielen, nur ein Strömungsgebläse
(Kreiselverdichter) in Betracht. Alle Strömungsgebläse arbeiten aber nur dann mit
bestem Wirkungsgrad, wenn sie mit sehr hohen Drehzahlen laufen. Da die Gebläse zweckmäßig
von der Gasturbine selbst angetrieben werden, erhebt sich also gleichzeitig die
Forderung nach hoher Drehzahl der Gasturbine. Andererseits liegen aber die Drehzahlen
der von Gasturbinen angetriebenen Maschinen zum größten Teil bedeutend niedriger
als die der Verdichter, so daß, um ein Untersetzungsgetriebe zu vermeiden bzw. ein
Getriebe mit einem geringeren übersetzungsverhältnis zu erhalten, die Gasturbine
langsam laufen müßte.
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Die sich widersprechenden Forderungen werden erfindungsgemäß in der
Weise erfüllt, daß bei einer Gasturbinenanlage mit mehreren hintereinandergeschalteten
Turbinenstufen, deren Laufschaufeln und Läufer in an sich bekannter Weise entweder
aus keramischen Massen oder aus Stahl bzw. aus ho.chdauerstandfähiger Legierung
bestehen, die Stufengruppe, deren Laufschaufeln und Läufer aus keramischen Massen
bestehen, zuerst von den
licit-en Casun beaufschlagt wird und unmittelbar
mit einer langsam laufenden Arbeitsmaschine, z. B. einem elektrischen Stromerzeuger,
gekuppelt ist und mindestens eine der nachgeschalteten Turl)inenstufen, deren Laufschaufeln
und Läufer in ebenfalls an sich bekannter Weise aus Stahl oder ; ilicr hochdauerstandfesten
i.egieruii@@ bestehen, unmittelbar mit einem scliiiell laufenden ':@tr;ämungsgebläse
gekuppelt- ist. Es ist zwar bekannt, Turbinen nach dem Druck in Hochdruck-, Mitteldruck-
und \iederdruckteile zu unterteilen. Diese Unterteilung erfüllt jedoch einen anderen
Zweck und erfolgt auch nach anderen Gesichtspunkten. Die erste Stufengruppe der
Turbine wird null von den iieil3`n Gasen, deren untere Tümperaturgrenze etwa bei
65o bis 6oo- C liegt, beaufschlagt, die von =den bisher bekannten hitzebeständigen
Sonderstählen nicht mehr verarbeitet werden können. Da die Schaufein und der Läufer
dieser Gruppe aus keramischen Massen hergestellt sind, können Gase von derart hoher
Temperatur ohne weiteres verwendet werden. Die Drehzahl der Gruppe ist jedoch niedrig
festgelegt, um einerseits eine unmittelbare Kupplung mit einer Arbeitsmaschine,
beispielsweise einem elektrischen Stromerzeuger, zu ermöglichen und andererseits
die Beanspruchung im Turbinenläufer in den für keramischen Massen zulässigen Grenzeil
zu halten. .Nach dem Verlassen der ersten Stufengruppe treten die Verbrennungsgase
in eine zweite Stufengruppe ein, die wegen der geringeren Temperaturen mit Schaufeln
und Läufer aus eitlem hochdauerstandfesten Sonderstahl ausgerüstet ist, und deren
Drehzahl wesentlich höher als die der ersten Gruppe gewählt ist. Dadurch kann der
mechanisch festere Wcrhstof der Schaufeln und des Laufrades weitg, hendst ausgenutzt
werden und diese zweite Stufengruppe lzanii mit de m schnell laufenden @-.er dichterzur
Beschaffung derVerbrennungsluft unmittelbar gekuppelt «-erden. Auf diese `'eise
ergibt sich eine au13erordentlich günstige wirtschaftliche Ausnutzung des Treibstoffes,
da es einerseits möglich ist, die hohe Temperatur der Gase ohne Abkühlung in der
aus keramischen Teilen bestehenden Turbine auszunutzen und andererseits die für
den Verdichter notwendige Drehzahl ohne Cbersetzungsgetriebe zti erreichen. Es werden
lieben der günstigen Wärmeausnutzung also alle Getriebe in der Anlage vermieden.
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Hinter der zweiten Stufengruppe können noch ,.eitere Gruppen vorgesehen
werden, die je nach den vorliegenden Umständen zur Kupplung mit dem Verdichter mit
hoher Drehzahl oder zur Kupplung mit beispielsweise einem elektrischen Stromerzeuger
mit geringer Drehzahl laufen. Der Werkstoff für Läufer und Schaufeln wird jeweils
so getsälilt, dali die auftretenden Beanspruchungen den vorhandenen Festigkeitseigenschaften
des ijctr. N#'erlkstofies angepabt sind.
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in der Zeichnung ist wesenhaft ein @Xusführungsbeispiel einer Gasttirli)iienalilag"
nach dvr Lrrindung dargestellt. In der mit i "bezeichneten Brennkammer wird unter
Zuführung von Druckluft der Bretiiistofverbrannt-Die heiLleil Z'erbrenriungsgase
werden durch die Leitung 2 in die erste Stufc-rigruppe 3 der Brennkraftturbine geleitet.
deren Laufschaufeln .l und Läuferscheiben 5 aus keramisch-=n blassen bestellen.
Mit der Welle 6 der langsam laufenden ersten Stufengruppe ist unmittelbar ein Stromerzeuger
; gekuppelt. Aus der ersten Stufengruppe 3 treten die Verbrennuligsgase durch die
Leitung 5 in die zweite Stufengruppe 9 ein, deren Schaufeln io und Läuferscheiben
i i aus hochdauerstandfesteni Sonde:- stahl bestehen. Der n~ eitere Stufengruppe
9 ist noch eine dritte Stufengruppe 1 2 nachgeschaltet, die mit der gleichen Drehzahl
wie die zweite Stufengruppe 9 umläuft. Auch bei ihren Schaufeln 13 und Läuferscheiben
1 4. handelt es sich um für hohe Drehzahlen geeigneten Werkstoff, der jedoch nicht
nicht die hohe Hitzebeständigkeit aufzuweisen ])raucht, wie der in der ersten und
zweiten Stufengruppe verwendete Werkston. Aus der dritten Stufengruppe 1 2 treten
die Brenngase durch die Leitung 15 in ein_n nicht dargestellten Luftvorwärmer oder
werden vorher noch je nach ihrer Beschaffenheit weiteren Stufengruppen der Gasturbinenania@
e zugeleitet. Mit den schnell laufenden Stufengruppen 9 und 12 ist unmittelbar ein
sch.nelllaufeilder Verdichter 16 gekuppelt, welcher die Luft durch den Stutzen 1;
ansaugt und über die Leitung 18 in die Brennkammer i zur Verbrennung -des eingeführten
Brennstoffes drückt. Ist für den Antrieb des Gebläses nur eine Stufengruppe erforderlich,
dann können die Verbrennungsgase, soweit sie noch Energie abzugeben vermögen, in
anderen Stufengruppen ausgenutzt werden. die einiveder ebenfalls mit dem Stromerzeuger
; unmittelbar gekuppelt sind, oder sie können mit anderen Arbeitsmaschinen gekuppelt
:Derden, wobei die Drehzahl der Stufengruppen derjenigen der betreffenden Arbeitsmaschine
angepaf5t ist. Für den . Fall, dal.> die Brenngase vor Eintritt in die den Verdichter
16 antreibende schnell laufende Stufengruppe,) i noch eine zu hohe Temperatur aufweisen,
kann man an dieser Stelle noch einen Lufterwärmer einschalten, in dem die Verbrennungsluft
für die Brenlilzainmer i vorgewärmt wird. Selbstverständlich können auch ixicli
i an anderen Stellen der Anlage derartige Lufterwärmer angeordnet sein. Es ist zwar
bekannt,
Wärmeaustausch er in den Gasstrom zwischen zwei Gasturbinen
einzuschalten. Doch hat diese Maßnahme nicht den Zweck, eine der Hitzebeständigkeit
der nachgeschal toten Gasturbine entsprechende Abkühlung der Gase zu erreichen,
es soll damit lediglich Luft vorgewärmt werden.
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Es ergeben sich bei der Arbeitsunterteilung nach der Erfindung auf
die verschieden-,n Stufengruppen der Gasturbinenanlage wesentliche bauliche Vorteile
bei weitgehendsterA.usnutzung der aus der Brennkammer austretenden Verbrennungsgase.