DE748208C - Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

• Gasturbinenanlage Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage, welche einen Hauptturboverdichter und einen ihm vorgeschalteten Vorturboverdichter, eine Hauptturbine und eine ihr nachgeschaltete, den Vorverdichter. antreibende Hilfsturbine aufweist. Das erfinderische Neue besteht darin, daß das Arbeitsmittel nach der Entspannung in der Hauptturbine durch einen Rekuperator strömt und dann in der Hilfsturbine weiter entspannt wird und daß zur Einstellung der Leistung der Gesamtanlage die vom Vorverdichter geförderte Luftmenge durch Veränderung der Drehzahl der Hilfsturbine dem Leistungsbedarf entsprechend eingestellt wird, zum Zweck, das Leistungsgleichgewicht an Hilfsturbine und Vorverdichter so einhalten zu können, daß der Gesamtwirkungsgrad der Anlage innerhalb eines weiten Teilbelastungsbereiches praktisch auf dem Höchstwert erhalten bleibt.
• Die vom Hilfsturbov erdichter verdichtete Luft kann durch eine Hilfsverbrennungskamtner unmittelbar zur Hilfsturbine geführt werden. In weiterer Ausbildung der Erfindung kann durch willkürliche Beeinflussung der Drehzahl des Hilfsturboaggrebates (Aggregat, bestehend aus Hilfsverdichter und Hilfsturbine) die in der Zeiteinheit von der Anlage zu verarbeitende Luft bzw. Gasmenge verändert und damit die Leistung der Anlage geregelt werden.
• Die vom Hilfsturboverdichter verdichtete Luft kann durch eine ffilfsverbrennungskammer unmittelbar zur Hilfsturbine geführt werden, um das Hilfsaggregat auch selbständig als kleine Gasturbinenanlage laufen zu lassen. Es können auch Mittel vorgesehen sein, um eine Leistungsübertragung vom Hilfsaggregat auf die Hauptanlage zu ermöglichen, um die Hauptanlage von dem in diesem Fall vorübergehend als selbständige Gasturbine laufenden Hilfsaggregat aus anzuwerfen.

  In @liesulri Falle kann das Hilfsaggregat mit

  firm 1-f@tut)taggregat Tiber ein geeignetes Über-

  setznngsgetrie@e finit Ausrückkupplun- vor-

  11I)la',:Ilellrl gekuppelt seilt.

  E-; sind bereits Gasturbinenallla-en 1)z#-

  kaillitgewordun, bei denen Hochdruckturbinen

  und \ iederdruckturbinen vorgesehen sind.

  Auch ist es bekannt, bei solchen Anlagen die

  Abgase durch eilten Rekuperator strömen zu

  la @@e Il, 11111 einen Teil der Abgaswarme zu-

  rückzugewinnen. Demgegenüber werden aber

  nach der Erfindung clie Gase schon flach Aus-

  tritt aus der Hochdruckturbine, geli<iiiiit

  14sitil)tttirl)inc, durch den Rekuperator geleitet

  und dann erst in einer Z ie,lerdruclcturl)ine,

  genannt Hilfsturbine, zti Ende expandiert.

  wobei diese J-lltsturbine einen @"V1"l'erdl@litel'

  der Anlage antreibt.

  Es sind ferner Dampfturbinen bekannt-

  geworden, bei denen eine Antriebsturbine der

  I-Iilf;iilpttnlpe die zur mechanischen Drehung

  cler warenzuhaltenden Turbine erforderliche

  Leistung abgibt. wobei der Abdampf der

  Hilfsturbine zur Heizung der warenzuhalten-

  den Turbine dient. In diesem Falle handelt

  os sich nur uni ein langsames Durchdrehen

  ehiei' Dainpfturbilie zum Zweck der gleich-

  llliiiiigen Warmhaltung der Turbine.

  fiel doll 1):sller bekannten Anordnun-en ist

  e'.Ile lelastungsltllderun- notwendlgel'«-e:äe

  niit einer wesentlichen Änderung der WarIlle-

  strecl:en der Gebläse und der Turbinen ver-

  hunden, so dafl auch der @-@'irl:ungsgrad der

  Anlage von deniienigen abweicht, der bei

  normaler Last vorhanden ist. Besonders bei

  "Felllast wird er sehr ungünstig. denn es tre-

  toll in den Turbomaschinen andere Winkel.

  andere Geschwindigkeiten und somit Stoß-

  verluste auf. lach der Erfindung wird im

  Gegensatz zu bekamite n '`erfahren in weiten

  Belastungsbereichen ein guter Wirkungsgrad

  erzielt. Die Leistungsregelung kommt nach

  der Erfindung dadurch zustande, dap ein-

  fach der ganze Arbeitsprozeß in der Haupt-

  a-rllage je nach der verlangten Leistung in ein

  Gel):et anderer Dichte verlegt wird, wobei die

  Druckverhältnisse und Temperaturen in der

  Hauptanlage angenähert konstant bleiben. so

  dal.l die Kurve, die den Wirkungsrad als

  Funktion der Belastung darstellt, ini Gebiet

  der praktisch wichtigen Belastungen einen

  sulir flachen Verlauf hat.

  Einige Ausführungsbeispiele des Erfin-

  ;lungsgugenstandes sind auf der Zeichnung

  wesenhaft dargestellt.

  1n F i-. i ist das Wesen einer Gasturbinen-

  Mila-e Bach der Erfindung dargestellt. Die

  Luft oder ein Gas oder Gasgemisch tritt bei i

  in den Ililfsturboverdichter 2 ein, verläßt

  ;fiesen bei 3 und strömt über in den Haupt-

  Dieser wird in der Regui

  als gelciililter Turboverdichter ausgebildet

  :eile. D'#_e verdichtete Luft tritt Ixi 5 aus

  dein I-Iauptturbover(lichter aus. durchstriiint

  dun 1Zel;til)erator 6, wo sie durch (liu Abgase

  er 1 fauptturbine aufgewärmt wird. Sie tritt

  (tann in eine Verbrennungskannner 7 ull(1 ge-

  langt von dieser aus in die Hauptturbine K

  We Hauptturbine kann finit mehreren 7-wi-

  scliuilvurl)reniiurigsstufeii atisgebil<let sein.

  Da: Gas wird nun in der Hauptturbine nicht

  -):s auf doll atnlosphaf:-c'lleIi Druck el)tspannt,

  sondern bei höherem Druck -huch (1,r Lu:-

  tung c( von der Turbine weggeführt und durch

  den Rukuperator getrieben. Dort überträgt

  das leas einen grollen Teil seiner \i'ärnic all

  die voln Turboverdichter kommende Luft und

  stl'()int dann in abgekllhltunl Zustand du'r

  fl.:lf@t@lrb:Iie io 711, in welcher es his auf (1e11

  atmosphärischen Druck entspannt und bei i t

  fort- leitet wird. Mit dein \fascliinenaggre-

  gat, bestehend aus Hilfsturl>o@-erdichter und

  Hilfsturl)ine. kann noch eine weitere Ma-

  schilie gekuppelt sein (z. l'). ein 1:Ielctrc>mc)tor

  t=), die Leistung abgei)en oder :ttiinuliiiien

  kann.

  Die Regelung der ganzen Atilagc ri-fol"t

  nun so, dall die Drehzahl des I-Ii@fsaggru-

  gats 2, io, 1= heim Regeln je nach dci' l')c-

  lasttuig passend eingestellt wird. Dadurch

  wird erreicht, (laß e:nerseas der Anfangs-

  druck vor dein Hatil)tturl)ovurdicliter.l geän-

  dert werden kann, während sich andererseits

  der 13nddrticl: hinter der Hauptturbine S auch

  entsprechend ändert; die beiden Drücke wut'-

  den praktisch meist ungefähr (1etiell)eil Würt

  haben. Somit wird also die gesamte Druck-

  hölle des Hauptaggregats Je nach der Bela-

  stung geändert. und diese: Aggregat arbeitet

  mit praktisch konstanten Druck- und Tenil)e-

  raturverhältnissen. also auch mit praktisch

  konstantem l@'irkungsgrad. Einzig der Wir-

  kungsgrad des Hilfsaggregats häligt voll sei-

  ner Drehzahl (also der Belastung) ab, aber

  nicht in allzu starkem Maße. da diese '-Maschi-

  nen wegen ihrer kleinen Druckverhältnisse

  verhältnismäßig wenig Stufen erhalten. Es

  wird im allgemeinen zweckmäßig ;ein, zwi-

  schen dein Hilfsturboverdichter= und (lein

  Hatiptturbover(lichter .I einen ersten Zwi-

  schenkühler 13 einzuschalten. Damit diel)ruh-

  zahl des Hilfsaggregats 2, io inögl:clist rasch

  geändert werden kann, können @rrl):n@l-ungslci-

  ttin;en vorgesehen werden. clie es #gest<itten,

  den Rauin vor der Turbine io niit irgendeiner

  Zwischenstufe der Hauptturbilie 8 durch ein

  Steuerorgan 15 oder anderseits mit der freien

  Atmosphäre durch ein Steuerorgan 16 in Ver-

  bindung zu bringen. Durch diese 1)liitzliclie

  Druckänderung vor der Hilfstui'1)ine 1o läßt

  .ich die Drehzahl des Hilf-;a g;.rugats rasch

  ändern.

  Bringt man auf der Welle des Hilfsaggregats noch einen Elektromotor an (12), so besteht noch die Möglichkeit, folgendes Regelverfahren anzuwenden: Der Elektromotor -ist finit dem angetriebenen Generator 2o elektrisch so gekuppelt, daß zu jeder- elektrischen Leistungsentnahme, des Generators eine bestimmte Drehzahl des Elektromotors gehört, wobei der Elektromotor 12 je nachdem als Motor oder als Bremse b.zw. Generator wirkt, wenn seine Drehzahl zu tief oder zu hoch liegt. Auf diese Art ist es möglich, die ganze Gasturbinenanlage unmittelbar vorn primären Imlitils aus zu regeln, nämlich durch den elektrischen Leistungsbedarf. Der Flielikraftregler, der zudem noch angebracht sein muß, hat dann mir noch die Aufgabe eines korrigierenden und beschleunigenden Regelorgans, wenigstens in dein Pelastungstlere:cli, in welchem durch die Drehzahländerung des Hilfs-,tggreg,tts allein geregelt werden kann.
• Das Hilfsaggregat 2, 10, 12 kann auch als Anlaßvorrichtung für die Anlage benutzt werden. Zu diesem Zweck kann das Aufladeaggregat als selbständige kleine Gasturb:tie laufen gelassen werden. Es sind dabei ZIittel vorzusehen, die eine Erhitzung des Arbeitsmittels vor Eintritt in die Hilfsturbine gestatten, beispielsweise ein Brenner. Unter Umständen wird es z"vecl:mäß:g sein, noch eine Verbindungsleitung vorzusehen, welche die Luft aus dem Hilfsturboverdichter 2 in die Hilfsturbine 1o überzuleiten gestattet. Ferner sind Mittel vorzusehen, die eine Leistunsübertragung vom Hilfsaggregat auf die' Hauptanlage gestatten. Dies kann durch irgendeine mechanische, hydraulische oder magnetische Kupplung geschehen. In solchen Fällen, in denen mit dem I-Iilfsaggregat noch eine elektrische Maschine 12 gekuppelt ist, ergibt sich die besonders gtiristige Möglichkeit, diese Maschine als Generator von dem als Gasturbine arbeitenden Hilfsaggregat aus anzutreiben und die Leistung auf den Hauptgenerator zu übertragen, der dann die Hauptanlage anläßt. Es entsteht auf diese Art eine elektrische Kupphing zwischen - Hilfsaggregat und Haupt-<ullage.
• In der Leitung 5o ist ein Regelorgali 51 angeordnet, durch welches die Leistungsübertragung zwischen den Maschinen 12 und 2o 1,cregelt wird.
• Fig. ä zeigt das Entropiediagramin TS einer flach dein vorgeschlagenen Verfahren arbeitenden Gasturbinenanlage, wobei mehrfache Zwischenkühlung im Verdichter und mehrfache Zwischenerliitzting in der Turbine vor-",Sehen sind.
• Der Arbeitsprozeß ist folgender; -Verdichtung im Hilfsturboverdichter voll 22--23, Zwischenkühlung von 23-2d, Verdichtung in einer ersten Stufengruppe des Hauptturboverdichters von 2.I-25, Zwischenkühlung von 25-26, Verdichtung in einer zweiten Stufengruppe des Hauptturboverdichters von -26-27, Zwischenkühlung von -27-28, Verdichtung in einer dritten Stufengruppe von 28-29, Erwärmung im Rekuper.ator voll 29-30, weitere Erwärmung ,in der Brentikaintlier voll 3O-31. Entspannung in einer ersten Stufengruppe der Hauptturbine voll 31-32, ZWischenerhitzung 'roll 32-33, Entspannung in einer zweiten Stufengruppe voll 33-3d., Zev:-schenerhitzung von 3.I-35, Intsparint1n- ill einer dritten @ttlfellgi-ullpe voll _;5-36, Zwischenerhitzung von 36-37, Entspannung ili der letzten Stufengruppe der Hauptturbinc von 37-38 (im Punkt 38 herrscht noch höherer' Druck als der atmosphärische), Abkiihltilig ini Rekuperator von 38-39, Endentspannung in der Hilfsturbine voll 3cr-d.o. Diese Hilfsturllaie treibt den H:lfsturboverdichter.
• Mail erkennt aus dein Entropiediagrainni, daß eine Änderung dieser beiden Wärmeunterschiede 22-23 und 39-.I0 im lveselltlichell eine waagerechte Verschiebung des ganzen übrigen Diagrainins zur Folge hat, so daß alle Wärmegefälle praktisch konstant bleiben und die Leistung der Anlage nur dadurch geändert wird, claß der gesamte Prozeß inl Bcre:ch anderer spezifischer Volumen vor sich dellt.
• Fig. 3 zeigt noch eine weitereAusfiihrunl;sform des Erfindungsgedankens. Es wird hierbei nur ein Teil der gesamten in der Anlage verarbeiteten Gasmenge schon bei höherem als dein atmosphärischen Druck aus der Hauptturbine 8 entnommen und nach Abkühlung im Rekuperator 6' in der Hilfsturbine io zu Ende entspannt, während der übrige Teil des Gases bereits in der Hauptturbine 8 zti Ende entspannt wird (auf i ata) und dann erst ini Rekuperator 6" abgekühlt wird. Die .lrbeasweise dieser Anlage ist also insgesamt folgende: Vorverd'chtung iniHilfsturhoverdichter 2. Verdichtung im Hauptturboverdichter.I (dabei werden an geeigneten Stellen Zwischeilkühlanlagen eingeführt). Trennung der Luft in zwei Ströme; der eine Teil der Luft durchströmt den Rekuperator 6" und wird dabei erwärmt, während die Erwärinung des anderen Teils ini Rekuperatur 6i erfolgt. `'Wiedervereinigung der beiden Luftströme in der Verbrennungskamiller 7. Elftspannung in der Hauptturbine 8 unter mehrfacher Zwischenerhitzung. .All einer geeignet gewählten Stelle der Hauptturbine wird ein Teil des Gases abgezapft, wird abgekühlt ini Rekuperator 6' und zti Ende entspannt in der Hilfsturbine to. Diese treibt den HilfsturboverdiChter 2, Der andere Teil des Gases ent-

  spannt sich in der Hauptturbine i; bis auf den

  atmosphärischen Druck und gibt dann seine

  \V:irnie ini Rekuperatur fi ab..

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Gasturbinenatilage. «-elche einen ldaulitturboverdicliter und einen ihin vor- geschalteten Vorturboverdichter, eine Hauptturbine und eine ihr nachgeschal- tete, den @-orverdichter antreibende Hilfs- turbine aufweist. da#lurch gelcentizeicliiiet. date das Arbeitsmittel nach der Entspati- nun- in der Hauptturbine durch einen Re- kuperator strömt und dann in der Hilfs- turbine «-eiter entspannt wird und daf', zur-Einstellung der Leistung der Gesamt- anlage die voni Vorverdichter geförderte Luftmenge durch Veränderung der Dreh- zahl der Hilfsturbine dein l.eisttingslie- därf entsprechend eingestellt wird, zum Zweck, das Leistungsgleichgewicht an Hilfsturbine und Vorverdichter so einhal- ten zu können, daßl der Gesaintwirkungs- grad der Anlage hinerhalli eine; weiten Teill>elastungsl>ereichs praktisch auf dein llöchstwert erhalten üleilit. =. Gasturbinenanlage nach Anspruch i. dadurch gekennzeichnet. daß die vom HilfstürboVerclichterverdichtete Ltiftdurch unldilfsverlmennungshannner ( id) un- Mittelbar zur Hilfsturbine geführt «-erden kann, um das @ilfsa ggregat auch "cll)- , s v, ändit, S als kleine Gasturbinenanlage ]au- on zu lassen. 3. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, claßi Mittel vor- grsehen sind, uin eine Lei:tunr:ül>ertra- gUng voin Hilfsaggregat auf die Haupt- anlage zti ermdglichen, ztini Zweck, cl:e Hauptanlage von dem in d:esem ].--all vor- übergehend als .elbständige Gasturbine laufenden ldilfsag@regat aus anzuwerfen. .l. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das HAfs- a-gregat mit dein Hauptaggregat über ein geeignetes C-'ntei-setztui"sgetrielie finit Aus- riickkupplung vorübergehend gekuppelt werden kann, um die Hauptanlage von ilei- als eigentliche Gasturbine arbeitenden Hilfsgruppe aus anzulassen. Zur Abgrenzung des Anineldung@gegen- standes i-otn Stand der Technik sind im 1?r- teilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden: deutsche Patentschriften ..... N r. d= 390, 398 902, 597 089, 60; 273. 63o 62d1. 6do 927 ; österreiclii;clie Patentschrift Nr. 136 57o.