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Brennkraftturbinenanlage mit Gleichdruckverbrennung Bei Gasturbinen
mit Gleichdruckverbrennung ist vielfach die Gasturbine mit dem zur Beschaffung der
Verbrennungsluft erforderlichen Verdichter und der leistungsverbrauchenden Arbeitsmaschine,
z. B. dem elektrischen Stromerzeuger, gekuppelt. Diese Anordnung hat den großen
Vorteil der Einfachheit. Man benötigt für eine derartige Anlage nur eine Turbine,
einen Verdichter, eine Brennkammer und einen Wärmeaustauscher. Bei Änderung der
Belastung stellen sich jedoch bei dieser Anordnung Nachteile ein. Geht man z. B.
mit der Belastung herunter, dann muß weniger Brennstoff eingespritzt werden. Da
es nun zweckmäßig ist, die Luftüberschußzahl möglichst bei allen Laststufen gleich
zu halten, muß man mit Verringerung der Brennstoffmenge auch die Luftmenge verringern.
Dadurch wird man einerseits gezwungen, den Verdichter langsamer laufen zu lassen,
wenn man nicht die unwirtschaftliche Drosselregelung anwenden will. Mit Rücksicht
auf den elektrischen Stromerzeuger soll aber andererseits die Drehzahl bei allen
Belastungen gleichbleiben.
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Es sind nun schon Anlagen bekanntgeworden, bei denen zur Vermeidung
dieses. Nachteils zum Antrieb der Arbeitsmaschine
und des Verdichters
je eine Gasturbine vorgesehen ist. Bei dieser bekannten Anordnung sind aber beide
Gasturbinen in Reihe hintereinandergeschaltet. Um den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen,
ist dabei gewöhnlich vor der zweiten Gasturbine noch eine besondere Brennkammer
vorgesehen, in der zusätzlich so viel Brennstoff verbrannt wird, daß die Gastemperatur
vor dem Eintritt in die zweite Turbine genau so hoch ist wie vor der ersten Turbine.
Diese Anordnung hat aber wiederum hei großen Anlagen den Nachteil, daß die gesamte
Gasmenge hintereinander durch jede der beiden Turbinen strömen muß. Da aber bei
Gasturbinenanlagen die verarbeiteten Gasmengen infolge der hohen Temperaturen und
der verhältnismäßig kleinen Drücke sehr groß sind, erhält nian sehr langeTurbinenschaufeln
und damit große Abmessungen der Maschine. Außerdem läßt sich bei sehr langen Turbinenschaufeln
schlechter ein günstiger Wirkungsgrad verwirklichen als bei weniger langen Schaufeln.
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Man hat auch schon Anlagen entwickelt, bei denen beide Turbinen parallel
geschaltet sind. Hierbei werden die Turbinen entweder von einer Brennkammer gespeist,
oder es ist jeder Turbine eine besondere Brennkammer vorgeschaltet. Iin ersteren
Fall erfolgt die Hauptregelung durch Änderung der Brennstoffeinspritzung in die
gemeinsame Brennkammer durch einen auf der Welle der die Arbeitsmaschine antreibenden
Turbine angeordneten Drehzahlregler. Beide bekannten Ano-rdnungeci haben hinsichtlich
der Regelung erhebliche -Nachteile, wie noch nachstehend gezeigt wird. Es ist auch
bekannt, neben der Hauptregelung durch '\,-eränderung der Brennstoffzufuhr zu der
für die Nutzleistungs- und Verdichterturbine gemeinsamen Hauptbrennkaminer eine
zusätzliche Regelung der Verdichterturbine vorzunehmen, 7.B. durch die Anordnung
einer zusätzlichen Brennkammer für die Verdichterturbine oder durch zusätzliche
Luftleitung. die die gemeinsame Brennkammer umgeht und einen Teil der verdichteten
Luft unmittelbar in die zur -Nutzleistungsturbine führende Treibgasleitung gelangen
läßt. wobei dieser Luftanteil in Abhängigkeit vom Luftdruck hinter dem Verdichter
geregelt wird. Diese bekannter. Regelungsarten weisen jedoch eine Reihe von .Nachteilen
auf. Im erstgenannten Beispiel wird die zusätzliche Brennkammer, durch die die Treibgase
aus der Hauptbrennkammer zur Verdichtungsturbine hindurcliströmen. mir zeitweilig
(Regelfall) mit zusätzlichem Brennstoff versehen, st1 daß der Brenner, wenn er nicht
im Betrieb ist, sehr leicht verkokt. Außerdem muß bei Überlast wegen der schneller
laufenden Verdichterturbine die Temperatur in der zusätzlichen Brennkammer gegenüber
der in der Hauptbrennkammer erniedrigt werden. Im Fall der Luftregelung bei nur
einer gemeinsamen Brennkammer ist eine Anpassung der Temperatur der Treibgase an
die Drehzahl der Verdichterturbine nicht möglich.
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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftturbinenanlage mit Gleichdruckverbrennung
je einer parallel geschalteteten Turbine für den Luftverdichter und für die Arbeitsmaschine.
je einer besonderen Brennkammer für jede Turbine und Regelung der Brennstoffzufuhr
für die beiden Brennkammern durch einen mit der Arbeitsmaschine verbundenen Drehzahlregler.
Eine besonders wirtschaftliche Regelung einer derartigen Gasturbinenanlage wird
dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß zusätzlich die Brennstoffzufuhr für die Brennkammer
des Verdichtersatzes in Abhängigkeit vom Luftdruck hinter dem Verdichter geregelt
wird.
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Die Vorteile dieser Regelung nach der Erfindung sind nachstehend an
Hand der schematischen Zeichnung einer derartigen Gasturbinenanlage dargelegt.
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Die Anlage besteht aus zwei parallelen Maschinensätzen. Von den aus
den Brennkainmern i und 2 und den Gasturbinen 3 und d. bestehenden Turbinensätzen
treibt die eine über die Kupplung @ den Luftverdichter 6 und die andere über die
Kupplung 7 dis Arbeitsmaschine 8, z. B. einen elektrischen Stromerzeuger. an. Die
durch den Lufteintritt 9 angesaugte Luft strömt nach der Verdichtung über die Druckleitung
io durch den Wärmeaustauscher i i zu den Brennkammern i und 2. Der Brennstoff wird
den Brennkammern i und 2 durch die Bretitier 12 und 13 zugeführt. Von den Kammern
treten die heißen Treibgase über die Leitungen 14 und 15 in die Gasturbinen 3 und
.1 ein und verlassen diese über die Ableitungen 16 und 17 und den Wärmeaustauscher
i i, aus dein sie durch die Leitung i,, ins Freie treten.
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Auf der Welle der Arbeitsmaschine 8 ist ein Drehzahlregler ig angeordnet.
der über ein Gestänge 20, 2 1 und 22 die Brentistoifzufuhr zu den Brennern 12 und
13 regelt. Zur zusätzlichen Regelung der Brennstoff- und Luftzufuhr zum Brenner
12 des Verdichtungssatzes dient ein vom Luftdruck in der Leitung io bzw. der Zweigleitung
23 gesteuerter Kontaktgeber 2.4, dessen Steuerimpulse auf elektrischem, hydraulischem
oder pneumatischem `Fege an das Steuerorgan 25 der Druckluftzweigleitung26
zur Brennkammer i. an den Leitapparat 27 des Verdichters f@ und an die Brennstoffzufuhrregelung
des Brenners 12 geleitet «-erden. Die zusätzliche Regelung der Brennstoffztifulir
zum Brenner 12 erfolgt
vollkommen unabhängig von. der Brennerregelung
durch den Drehzahlregler ig mit Hilfe des eingebauten Zwischengliedes 28. Als Kontaktgeber
24 kann irgendeine bekannte Ausbildungsart Verwendung finden. Die Erfindung selbst
wird dadurch nicht berührt.
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Geht man mit der Belastung der Anlage herunter, dann wird weniger
Brennstoff eingespritzt. Die Gastemperatur sinkt infolgedessen, und.die Turbinenleistung
geht zurück. Bei allen Anlagen, die zur elektrischen Stromerzeugung dienen, und
auch noch bei vielen anderen Arbeitsmaschinen muß aber unabhängig von der Belastung
die Drehzahl gleichbleiben. Bei der Anlage nach der Erfindung wird nun die zum Antrieb
der Arbeitsmaschine 8 bzw. des Stromerzeugers dienende Gasturbine q auf gleichbleibende
Drehzahl geregelt. Die zum Antrieb des Verdichters 6 dienende Turbine 3 wird dagegen
anders geregelt. Die Brennstoffmenge beider Brennkammern i und 2 wird von dem Drehzahlregler
ig der Nutzl.eistungsturbine q. beeinflußt. Bei Verringerung der Brennstoffzufuhr
wird daher auch die Last der Ve-rdichterturbine 3 ermäßigt, so daß der Verdichter
6 langsamer läuft und entsprechend weniger Luft von geringerem Druck liefert. Demzufolge
nimmt die Leistung beider Turbinen weiter ab, bis der Drehzahlregler ig wieder etwas
mehr Brennstoff gibt und den neuen Beharrungszustand einstellt.
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Um eine wirtschaftlich arbeitende Gasturbinenanlage zu erhalten, ist
es erforderlich, daß alle Teile der Anlage möglichst voll ausgenutzt werden. Die
Gastemperaturen vor den Turbinen sind im allgemeinen so bemessen, daß bei der höchsten
Belastung die Turbinenläufer noch eine genügende Dauerstandfestigkeit besitzen.
Nun läuft bei kleinerer Last der Verdichter 6 langsamer. Die Fliehkraft und damit
die Beanspruchung der Schaufeln und der Turbinenscheibe wird damit geringer. Bei
Belassung der Gastemperatur auf der der Höchstlast entsprechenden Höhe wird also
die zum Antrieb des Verdichters dienende Turbine nicht mehr voll ausgenutzt. Um
die volle Ausnutzung zu erreichen, wird daher die Gasturbine 3 bei kleinerer Drehzahl
mit Gasen höherer Temperatur beaufschlagt. Demzufolge wird der Brenner 12 für die
Brennkammer i des Verdichtersatzes zusätzlich durch den Luftdruck hinter dem Verdichter
6 beeinflußt, und zwar derart, daß mit abnehinendem Luftdruck die Brennstoffmenge
für die Brennkammer i des Verdichtersatzes wieder etwas vergrößert wird, aber nur
so weit, daß die Gastemperatur hinter der Brennkammer i die langsamer laufende Turbine
3 des Verdichtersatzes nicht überbeansprucht. Da nun aber bei gleicher Gas- und
Luftmenge ein bestimmter Luftdruck hinter dein Verdichter 6 einer ganz bestimmten
Gastemperatur vor der Verdichterturbine 3 entspricht, kann man natürlich die Gastemperatur
vor der Verdichterturbine 3 nicht beliebig erhöhen. Es ist daher mit der zusätzlichen
Regelung der Brennstoffmenge für die Brennkammer i des Verdichtersatzes ein Regelorgan
25 gekuppelt, welches die Luftmengen auf die beiden Brennkammern verteilt, und zwar
derart, daß die Brennkammer i des Verdichtersatzes weniger Luft erhält. Die Brennkammer
2 der Nutzleistungsturbine 4 bekommt daher mehr Luft als bei Vollast. Dies bewirkt
jedoch wieder ein Ansteigen der Drehzahl der Nutzleistungsturbine q., und der vom
Drehzahlregler ig beeinflußte Brenner 13 der Brennkammer 2 der Nutzleistungsturbine
4. wird noch weniger Brennstoff geben, wodurch die Luftüberschußzahl in unerwünschter
Weise zunehmen wird. L m diesen Nachteil zu vermeiden, wird der Leitapparat 27 vor
der ersten Stufe des Verdichters verstellbar ausgeführt, so daß durch Verdrehung
der Leitschaufeln die Luftmenge weiter verringert werden kann. Die Verkleinerung
der Luftmenge kann selbstverständlich auch durch Umführung eines Teiles der verdichteten
Luft in die Saugleitung oder durch irgendeine andere Regelungsart vorgenommen werden.
Durch das Regelorgan 25 in der Luftleitung zu den Brennkammern i und 2 wird die
so verringerte Luftmenge auf beide Brennkammern nun derart verteilt, daß die Brennkammer
2 der Nutzleistungsturbine q. nur die Luft erhält, die sie ohne die Regelung durch
den Leitapparat 27 erhalten würde. Die durch die Leitapparateregelung zusätzlich
verringerte Luftmenge wirkt sich also nur bei der Brennkammer i für die Verdichterturbine
3 aus. Auf diese Weise läßt sich eine wirtschaftlich außerordentlich günstige Regelung
der Gasturbinenanlage erreichen.