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Gasturbinenanlage mit Schnellreglung Die Erfindung bezieht sich auf
eine Gasturbinenanlage, bei der das Arbeitsmittel in mindestens einem Turboverdichter
verdichtet und nach Erhitzung in mindestens einer Turbine wieder entspannt wird,
wobei Mittel vorgesehen sind, durch welche bei rascher Belastungssteigerung zusätzliches,
gespeichertes, gasförmiges Arbeitsmittel einer der Beschleunigung des Regelvorgangs,
dienenden zusätzlichen Turbine zugeführt wird. Die Erfindung besteht darin, daß
das zusätzliche Arbeitsmittel nach Austritt aus der Regelturbine an einer Stelle
erhöhten Druckes in den übrigen Arbeitsprozeß eingeführt wird.
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Besitzt die Gasturbinenan;lage eine aus Turbine und Verdichter bestehende
Aufladegruppe, die - vom Hauptverdichter und vom Nutzleistung abgebenden Teil der
Anlage mechanisch unabhängig ist, so wird die Regelturbine zweckmäßig mit dieser
Aufladegruppe gekuppelt. Ferner kann ein Absperrorgan vorgesehen sein, durch das
die Regelturbine mit der freien Atmosphäre in Verbindung gebracht werden kann und
in der Verbindungsleitung zwischen der Regelturbine und der übrigen Anlage ein Rückschlagorgan
eingebaut ist. Zweckmäßig kann. mindestens hinter einem der Gebläse ein Rückschlagorgan
vorgesehen sein. Ferner kann die Luft oder das Gas beim Übertritt vom Luftspeicher
in die Regelturbine durch ein wärmespeicherndes System geleitet werden.
Aufladeaggregate
für Gasturbinenanlagen haben die Eigenschaft: verhältnismäßig langsam auf Regeleinflüsse
anzusprechen, so daß sich hesonders beim Antrieb von Stromerzeugern durch Gasturbinenanlagen
die Drehzahl der Aufladegruppe zu langsam dem jeweiligen Belastungszustand anpaßt.
Für solche Anlagen ist die Erfindung von besonderer Bedeutung, da sie in diesem
Fall besonders wirksam ist und somit die Möglichkeit gibt, gleichzeitig schnell
und wirtschaftlich zu regeln. Die Anlage kann je nach der verlangten Leistungsabgabe
auf mehr oder weniger hohen Druck dadurch aufgeladen werden, daß man durch geeignete
Mittel die Drehzahl der Aufladegruppe einstellt. Diese Art der Regelung erlaubt
es, über einen weiten Belastungsbereich einen guten Wirkungsgrad zu erzielen. Sie
hat überdies den Vorzug,- eine stetige, stufenlose '\-"eränderung des Betriebszustandes
zu ermöglichen.
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Es ist bekannt, daß die aus den Reservebehältern kommende Luft, nachdem
sie in der Beschleunigungsturbine Arbeit geleistet hat. unmittelbar ins Freie entweicht,
während beim Erfindungsgegenstand die Luft nach der Arbeitsleistung in dieser Turbine
in die Hauptanlage selbst geleitet wird. Diese Art der Regelung ist bedeutend rascher
wirksam, da denn Arbeitsprozeß selbst zusätzliches Arbeitsmittel zur Verfügung gestellt
wird, noch bevor das Ladegebläse eine höhere Drehzahl angenommen hat und eine erhöhte
Luftmenge liefert.
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In der Zeichnung stellt Fig. i beispielsweise wesenhaft ein Ausführungsbeispiel
einer Gasturbinenanlage dar, die mit der erwähnten Schnellregelung versehen ist.
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Fig.2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Gasturbinenanlage.
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Die Gasturbinenanlage, bestehend aus einem Turboverdicher i und einer
Turbine 6, wird durch ein besonderes Aufladeaggregat, bestehend aus Aufladegebläse
i' und Aufladeturbine 6'. auf höheren Druck aufgeladen. DieLuft wird durch das Gebläse
i' aus der Atmosphäre angesaugt. verdichtet und durch den Kühler hindurch dem Gebläse
i zugeführt. Durch das C-i-bläse i wird beispielsweise bei einmaliger Zwischenkühlung
im Kühler 2 die Luft auf den Höchstdruck des Arbeitsliro7esses, z. B. 8 ata, weiter
verdichtet. Durch die Leitung 3 gelangt die Luft oder das Gas in den Rekuperator
4. und von diesem in die Hauptbrennkammer 5.
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Danach wird die hocherhitzte Luft oder das Gas in der Turbine 6 expandiert,
wobei das Gas durch eine Brennkammer 7 zwischenerhitzt wird. Die Expansion der Gase
erfolgt aber nicht bis auf den atmosphärischen Druck, vielmehr verlassen die Gase
die Turl}itie (_i noch unter erheblichem Überdruck, durchströmen den Rekuperator
q. im Gegenstrom und gelangen schließlich in die Turbine 6', wo sie zu Ende expandiert
werden. Die Turbine 6' treibt das Gebläse i'. Durch Änderung der Drehzahl des Aggregates
1'-6' kann die Druckhöhe der ganzen Anlage geändert und damit auf sehr wirtschaftliche
«"eise geregelt werden. Die Welle 35 kann einen Generator, eine Schiffsschraube
od. dgl. antreiben.
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Die Drehzahländerung des Aufladeaggregates 6'-1' läßt sich in verschiedener
Weise herbeiführen. Im vorliegenden Fall ist beispielsweise für die Teilbelastung
ein Umgehungsventil 2 2 vorgesehen, welches vom Servomotor 23 eingestellt wird und
mindestens einen Teil der Gase, z. B. durch die Leitung 30, in den Auspuffstutzen
31 überströmen läßt. Die Untersuchung zeigt, daß diese Regelung, trotzdem ein Teil
des Gases unausgenutzt durch das Umgehungsventil 22 gellt, wirtschaftlich ist. Zum
Zweck der Überlastung der Anlage können ein oder mehrere Hilfsbrenner 24 vorgesehen
sein, welche es erlauben, die Temperatur vor der Turbine 6' zu erhöhen und eine
Drehzahlerhöhung des Aggregates zu bewirken.
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Die so entstehende Regelung ist eine sehr zweckmäßige und kann durch
Verwendung von Regelvorrichtungen. die vollkommener sind als das Umgehungsventil
22, noch Wirtschaftlicher gestaltet werden. Sie hat aber den Nachteil, daß die Zeit,
welche das Aggregat 6'-i' braucht, um seine Drehzahl jeweils den geänderten Betriebsbedingungen
anzupassen, für manche Zwecke zu lang ist. Es muß deshalb dafür gesorgt «-erden,
daß bei plötzlich einsetzender starker Belastung die Drehzahl des Aggregates 6'-1'
rasch auf den gewünschten "Tert gebracht wird.
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Zu diesem Zweck ist eine beispielsweise als Aktionsrad ausgebildete
Beschleunigungsturbine 13 mit dem Aggregat 6'-i' gekuppelt. Die Beschleunigungsturbine
13 kann von einem über die Leitung 2i auffüllbaren Gasnder Druckluftbehälter 8 gespeist
werden. Durch die Ventile i i und 12. welche z. B. selbstätig durch die Servomotoren
15 und 16 eingestellt werden können, kann dann die Luft oder das Gas oder das Gasgemisch
aus dem Behälter 8 durch die Leitung g und i o der Turbine 13 zugeführt «-erden.
Nach dem Austritt aus der Turbine 13 gelangt die Luft oder das Gas durch die Leitung
14 in den übrigen Arbeitsprozeß der Anlage, und zwar wird sie an der Stelle höchsten
Druckes des Arbeitsprozesses eingeführt. Das ganze Beschleunigungssystem liegt dann
auf einer hohen Druckstufe. und die Abmessungen der Turbine 13 werden entsprechend
klein.
Man erkennt, daß die Leitungen g und io zu konzentrischen
Leitkränzen 32 führen. Ein Rücksch.lagorgan 18 verhindert das Rückströmen von Luft
oder Gas aus der Anlage in die Beschleunigungsturbine 13, die folglich, wenn sie
nicht arbeitet, durch ein Ventil ig, das durch den Servomotor 2o eingestellt wird,
mit der freien -Atmosphäre; in Verbindung gesetzt werden kann. Dadurch werden die
Ventilationsverluste der Turbine 13 auf ein Mindestmaß tierabgesetzt. Am Austritt
der Luft aus dem Hauptgebläse i ist ein weiteres Rückschlagorgan 17 vorgesehen,
durch welches verhindert wird, daß beim Regelvorgang Luft bzw. Gas durch den Verdichter
i zurückströmt.
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Bei einem starken Belastungsstoß arbeitet die Schnellregelung folgendermaßen:
Zuerst öffnet sich eines der Ventile, z. B. das Ventil 12. Ist der Belastungsstoß
so, stark, daß dieses Ventil nicht genügt, so öffnet sich auch das. Ventil i i.
Dabei ist das Ventil ig geschlossen. Die Druckluft oder ein Druckgas strömt durch
die Turbine 13, die nun eine erhebliche Leistung an das Aggregat 1'-6' abgibt. Die
Auf ladeturbine 6' und der Auflade-3 i' werden beschleunigt. Die Luft bzw.
das Gas tritt durch die Leitung 14 in die Hauptanlage 6 über und hilft dort zusätzlich
mit, die Hauptanlage 6 auf höheren Druck aufzufüllen. Infolgedessen stellt sich
auch im Austrittsstutzen 33 der Turbine 6 und damit gleichzeitig am Eintritt 34
der Aufladeturbine 6' sehr rasch ein stark erhöhter Druck ein, so@ daß die Aufladeturbine
6' noch zusätzlich eine kräftigere Beschleunigung des Aggregates 6'-1' hervorruft.
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Die in die Hauptanlage i und 6 einströmende Luft- bzw. Gasmenge kann
dabei so groß sein, daß vorübergehend die Pumpgrenze des Gebläses i überschritten
würde. Da aber das Rückschlagorgan 17 ein Rückströmen der Luft unmöglich macht,
wird die ganze Hauptanlage durch die Leitung 14 mit Luft gespeist. Das hat gleichzeitig
dien Vorzug, daß der Regelvorgang nur um so schneller vor sich geht, da die Gebläse
i und i', weil sie in diesem Augenblick keine Luft fördern, auch sehr wenig Leistung
aufnehmen. Das Aufladeaggregat 6'-1' wird also noch schneller beschleunigt und auch
die resultierende Leistungsabgabe der Hauptanlage augenblicklich eine sehr große
sein, so daß der vorübergehende Drehzahlabfall, der mit dem Belastungsstoß verbunden
ist, sofort wieder rückgängig gemacht wird.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 saugt das Gebläse 4o Luft aus der
Atmosphäre, verdichtet und fördert sie durch das Rückschlagorgan 41 in die Brennkammer
42. Nach der Erhitzung gelangt das Verbrennungsgas von hier aus in die Gebläseturbine
.43 und die Nutzleistungsturbine 44, welch letztere den Stromerzeuger 45 antreibt.
Mit dem Aggregat .4o, 43, dessen Drehzahl sich je nach der Belastung ändert; ist
eine Beschleunigungsturbine 46 gekuppelt, die aus dem Behälter 47 über ein Ventil
48 bei raschen Belastungsvorgängen Druckluft oder Gas zugeführt erhält. Nach Austritt
aus der Turbine 46 gelangt die Luft durch das Rückschlagorgan 49 in den übrigen
Kreisprozeß der Anlage, ebenfalls an die Stelle höchsten Druckes.
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Als Besonderheit ist nach Fig. 2 noch ein Rohrschlängensy stem 5o
vorgesehen, durch das die Luft beim übertritt aus dem Behälter 47 in die Turbine
46 hindurchströmt. Dieses Rohrschlangensystem liegt im Bereich hoher Temperatur,
nimmt also im Betrieb die Temperatur des umgebenden Gases an. Strömt nun die Beschleunigungsluft
hindurch, so erwärmt sie, sich in diesem kohrschlangensystem und leistet folglich
mehr Arbeit in der Turbine 46, so daß andererseits weniger Luft benötigt wird.
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Durch das Ventil 51 kann die Turbine 46 mit der freien Atmosphäre
in Verbindung gebracht «-erden. Durch den beispielsweise von einem Elektromotor
53 angetriebenen Verdichter 52 wird der Luftvorrat des Behälters 47 fortwährend
ergänzt.
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Durch die Erfindung ist die Möglichkeit geschaffen, Gasturbinenanlagen,
bei denen eine wirtschaftliche Regelung durch stetiges Verändern der Drehzahl einer
Turbogruppe erzielt wird, auch für alle Anwendungszwecke genügend schnell zu regeln.