DE829825C

DE829825C - Gas turbine plant with two load ranges

Info

Publication number: DE829825C
Application number: DEE2116A
Authority: DE
Inventors: Ernest George Sterland
Original assignee: English Electric Co Ltd
Current assignee: English Electric Co Ltd
Priority date: 1945-12-13
Filing date: 1950-09-14
Publication date: 1952-01-28

Description

Gasturbinenanlage mit zwei Lastbereichen Die T:rtittdtttig bezieht sich auf eine Gasturbinen- anlage und ist insbesondere bei einer Anlage an- wendbar, bei welcher der normale Leistungsbedarf erheblich unter (lern liiiclistbedarf liegt und ein kolier Wirkungsgrad bei Normal- oder Nennbetrieb mehr oder ebenso erwünscht ist, als bei Betrieb tuit der liöclistleistuttg. Manche Bauarten von Kompressoren unterliegen 1'endelungen, wenn sie an der Förderung einer gewiss en tnitiitnaleti Striimungsmenge gehindert werden, deren Wert stark von der Drehzahl ab- hängt. Derartige Koml>ressor-eti werden im fol- genden als Turhokompressoren bezeichnet. Axial- strömungs- und Flielikrafttypen von Kompressoren zeigen diese Charakteristik. Andere Typen von Kompressoren. %\ ie die Bauart mit Verdrängung, zeigen diese Charakteristik nicht. Die Bauart mit Verdrängung ist Jedoch nicht geeignet zur Förde- rung von @so großen Luftmengen wie die Axialstrcimungs- oder Fliehkrafttypen mit vergleichbaren Drehzahlen.Gas turbine plant with two load ranges The T: rtittdttig refers to a gas turbine system and is particularly important for a system reversible, at which the normal power requirement considerably below (learn liiiclist requirement and a Kolier efficiency in normal or nominal operation is more or just as desirable as in operation tuit of liöclistleistuttg. Some types of compressors are subject to 1'endelungen if they are involved in the promotion of a Certain tnitiitnaleti amount of flow hindered whose value strongly depends on the speed hangs. Such Koml> ressor-eti are in the fol- called turho compressors. Axial Flow and fluid force types of compressors show this characteristic. Other types of Compressors. % \ ie the type with displacement, do not show this characteristic. The type with However, displacement is not suitable for conveying tion of such large amounts of air as the axial or centrifugal types with comparable speeds.

Eine Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung umfaßt eine mit einer Verbrennungskammer an ihrem Einlaß versehene Turbine zur Erzeugung der Nutzleistung (Leistungsturbine) und auch zum Antrieb eines Verdrängungskompressors zur Förderung von Druckluft an ihre eigene Verbrennung skammer und eine Hilfsturbine mit einer 'Verbrennungskammer an ihrem Einlaß, welche einen Turbokompressor für die Förderung von Druckluft an ihre eigene Verbrennungskammer und auch an die Verhrenmingskammer der Leistungsturbine antreibt.A gas turbine plant according to the invention includes one having a combustion chamber turbine provided at its inlet to generate useful power (power turbine) and also to drive a positive displacement compressor to deliver compressed air their own combustion skammer and an auxiliary turbine with a 'combustion chamber at its inlet, which connects a turbo compressor for the delivery of compressed air their own combustion chamber and also to the exhaust chamber of the power turbine drives.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung. Fig. i zeigt schematisch eine Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung; Fig. 2 zeigt eine geänderte Ausführung der Anlage nach Fig. i ; Fig. 3 zeigt eine Einzelheit in größerem Maßstabe.Further details and advantages of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing. Fig. i shows schematically a gas turbine plant according to the invention; Fig. 2 shows a modified design of the system according to FIG. i; Fig. 3 shows a detail in greater detail Scale.

In Fig. i ist die Nutzlast der Anlage als elektrischer Generator 6 dargestellt, welcher der Generator eines elektrischen Schiffsantriebssystems sein kann.In FIG. I, the payload of the system is shown as an electrical generator 6 shown to be the generator of an electric marine propulsion system can.

Eine Leistungsturbine 5 ist mit der Last 6 und finit einem Anlaßmotor 15 dauernd gekuppelt. Für Normalbetrieb ist sie ferner mittels einer Kupplung 12 mit einem Verdrängungskompressor 8 gekuppelt. Die von dein Kompressor 8 geförderte Druckluft wird durch einen Wärmeaustauscher 9 und ein Ventil io in eine Verbrennungskammer 7 geleitet. Für den Betrieb bei oder unter Nennleistung werden die Ventile i i und 1:I geschlossen. Der Ausgang aus der Verbrennungskammer 7 wird mit der Eingangsseite der Leistungsturbine 5 verbunden, wobei auch ein Nebenwegventil 13 geschlossen ist. Die .\bgase aus der Leistungsturbine 5 werden durch einen Wärmeaustauscher 9 geleitet, so daß ein Teil ihrer Wärme auf die von dem Komliressor 8 geförderte Luft übertragen wird.A power turbine 5 is with the load 6 and finite a starter motor 15 permanently coupled. For normal operation, it is also by means of a coupling 12 coupled to a displacement compressor 8. The one supported by your compressor 8 Compressed air is passed through a heat exchanger 9 and a valve io into a combustion chamber 7 headed. For operation at or below nominal power, the valves i i and 1: I closed. The exit from the combustion chamber 7 becomes the entry side connected to the power turbine 5, a bypass valve 13 also being closed. The. \ Bgases from the power turbine 5 are passed through a heat exchanger 9, so that some of their heat is transferred to the air conveyed by the Comliressor 8 will.

Eine Hilfsturbine 2 ist dauernd mit einem Kompressor i gekuppelt, der eine Axialströmungs- oder Flielikrafttype sein kann, und sie ist ferner mit einem Anlaßmotor 3 gekuppelt. Wenn die Leistungsturbine 5 bei oder unter Neinileistung betrieben wird, wird diese zweite die Hilfsturbine 2 unifassende Gruppe nicht ausgenutzt und kann stillgesetzt oder im Leerlauf betrieben xverden, je nachdem wie es zweckmäßig erscheint. Wenn ein Betrieb bei einer höheren als der Nennleistung erforderlich ist, wird jedoch diese zweite Gruppe in Betrieb gesetzt, das Ventil i i wird geöffnet, Ventil to geschlossen und die Kupplung 12 gelöst.An auxiliary turbine 2 is permanently coupled to a compressor i, which can be an axial flow or fluid force type, and it is also with a starter motor 3 is coupled. If the power turbine 5 at or under no output is operated, this second group comprising the auxiliary turbine 2 is not used and can be shut down or operated in idle mode, depending on how it is expedient appears. When operation at higher than rated power is required is, however, this second group is put into operation, the valve i i is opened, Valve to closed and clutch 12 released.

\\'enn die zweite Gruppe in Betrieb ist, fördert ihr Kompressor i Druckluft in die 'Verbrennungskaiimer d, und die von dieser Verbrennungskamine( geförderten Gase gehen durch die den Kompressor i antreibende Hilfsturbine 2. Die Druckltiftförderung des Kompressors i i-st für diesen Zweck mehr als ausreichend, und der Überschuß gebt durch das Ventil i i in die Verbrennungskamine( ; und wird in der Leistungsturbine 5 verwenclet. Unter diesen Umständen arbeiten daher die Turbinen ? und 5 als paralleles Strömungssystem. hei \\elcheni jeweils die eigene `xerbrennungskaminer aln Einlaß liegt. Die gesamte von der Turlline; etit%vickelte Leitung wird dann an der Last 6 aLlsgeIltltZt.\\ 'hen the second group is in operation, its compressor delivers i Compressed air into the 'combustion chimneys, and from these combustion chimneys ( The pumped gases go through the auxiliary turbine 2 driving the compressor i Druckltiftförder the compressor is more than sufficient for this purpose, and the excess is fed through the valve i i into the combustion chimneys (; and is used in the power turbine 5. In these circumstances, therefore, the Turbines? and 5 as a parallel flow system. is called \\ elcheni each their own `The combustion chimney is located at the inlet. The whole of the turlline; etit% vickelte The line is then applied to load 6.

[)er Wärlneaustauscher 9 ist für die Luftzufuhr aus <lern Kompressor h gebaut, die mengenmäßig icl geringer ist als die Luft aus dem Kompressor i, und für die Zufuhr der Abgase aus der Leistungsturbine ; bei :Nennleistung (bei MarschgeschNvindigkeit).[) The heat exchanger 9 is for the air supply from the compressor h, the quantity icl less than the air from the compressor i, and for the supply of exhaust gases from the power turbine; at: rated power (at cruising speed).

Wie in Fig.2 gezeigt, kann eine direkt nach der .\tmoslihäre führende und ein Abblasventil 17 enthaltende :\ttsströmleitutig 16 zwischen dem Aus- laß der Turbine - und dein I?inlaß des VN'ärmeaus- tauschers 9 abgezweigt «-erden. Diese Einzelein- richtung ist auch bei der allgemeinen Anordnung nach Fig. i anwendbar. Bei voller Leistung, weine ein polier tliermi:scher Wirkungsgrad nicht wichtig ist, wie z. B. im Falle einer Schiffsantriebsanlage für die Zwecke der Flotte, wird die Luftförderung aus dem Kompres- sor i durch das Ventil 1 i und die Verbrennungs- kammer 7 in die Turbine y geleitet, während der Verdrängungskompressor 8 stillgelegt wird, wobei (las Ventil 1 i ganz geöffnet und das Ventil io ganz geschlossen wird. Die stark erhöhte -Menge der Abgase aus der Turbine ; wird direkt durch den \llzweig i( durch Öffnen des _\l>l>lasventils 17 herausgelassen, um eine Llberhitzung des \\'ärmeaustauscliers 9 zu vermeiden, dessen kalter Kanal unter (fiesen Vin- ständen nicht finit Luft beliefert wird. In anderer Weise kann der Wärmeaustauscher cg an dem Eingang zu der Verbrennungskaintner 7 der Leistungsturbine (Feg. 2) eingeschaltet werden. so daß die gesamte Luft für die Leistungsturbine 5 durch ihn geht, entweder \ an (lein Verdrängungs- kompressor 8 durch Ventil t o oder von dein Turbo- kompressor i durch Ventil i i. il. 1i. lief jedem Be- triebszustand. Der Wärnieatistatischer 9 wird dann für eine maximale Luftströmung Beinessen. Während des Betriebes bei Nennleistung oder darunter, kann lief beiden Ausführungsformen die Hilfsturbine 2 und der Kompressor i ganz still- gelegt oder mit Leerlaufdrehzahl betrieben werden. Das Ventil i i ist geschlossen. Wenn die Ausgangs- leistungweiterhin lierahgesetzt werden soll,braucht nur die Bretinstoffzuftilir züi der Verbrennungs- kammer 7 der Leistungsturhine 5 vermindert zil werden. Der Kompressor N hat, (la er eitre Ver- drängungstype ist. unter cl;esen Umstanden keilic Pendelneigung. \Venn es erwünscht ist, (1a13 die Ixi:tung nach Betrieb mit Höchstleistung schnell auf geringe `'Werte herabgesetzt werden kann. wird bei lwideti Ausführungen das Ventil i i als Drossel in der Luftzuführung der Leistungsturbine 5 verwendet und ein Abblasventil rd katiri geöffnet werden, uln ein Pendeln des Kompressors i zu verhindern. wenn das Ventil i i geschlossen ist. \ach einem weiteren Verfahren zur :\usfiiii- rung des hegelsysteins geni:il.i der Erfindung wird ein einziges (nicht <largestdltes@ Randrad vor- gesehen, welches Nocken mler andere Einrichttnt- gen in der Weise betiitigt, daß die Kupplung 1= gelöst und das Ventil to geschlossen sowie das Ventil ii geöffnet wird, weint die ,\usgatigsleistuiig der Leistungsturbine 3 erhöht wird. und (Maß das :\bblasventil 1d geöfftIet i( ird, \\ enn (las Ventil i t geschlossen wird. während die Hilfsturbine noch hei kleiner Last oder Leerlauf läuft. Die Leistungsturbine ; @@-ird für höclisteit Wir- kungsgrad bei Iktrieb mit Nennleistung gebaut. Die Drehzahl wird unter dieser 1ieditigLnig gewöhn- lich kleiner sein als die Prelizahl hei Höchst- leistung, insbesondere hei .\invendungen für Schiffszwecke. w ähr(@ti(1 nur ein geringer Unter- scli2]ed in dem verfügbaren v\'ärmegefälle sein wird. Wenn die 13eschatifelung der Leistungsturbine für (las optimale \"erhältnis von Schaufelgeschwindig- keit zu Gasgeschwindigkeit bei normaler Leistung ausgebildet ist, wird dieses Verhältnis dann für den "Zustand bei l-löclistleistung zu hoch und da- her der \\'irkungsgra(1 hei Höchstleistung verhält- nisnläl3ig schlecht sein. ['in die \'erniin(lerting des Wirkungsgrades bei Ilöclistleistung möglichst klein zu machen, kann (-ine 1)escliatifelung finit stark verdicktem Profil ( [;g. ,;) mit citier abgerundeten Leitkante benutzt (werden, welche ritte geringe Änderung des Wir- kungsgrades mit (lein Verhältnis von Schaufel- zu Gasgeschwindigkeit ergibt. In ander(u- Weise kamt di(# Leistungsturbine 5 mit (#inent \elxnwegkanal verseben werden, in wel- c lieni, wie gezeigt, ein lZegelventil 13 angeordnet i#t. das für 13etrieh bei Höchstleistung geöffnet werden kann. I)adurcli wird eine größere Gas- menge (Itircli (lie Leistungsturbine 5 eingelassen und f(#rner (lic (#ffektiv in 13etriel) befindliche Anzahl vom stufen lieral)gesetzt und so (las Verhältnis von `chtitifelgescli\indigkeit zu Gasgeschwindigkeit verlxssert. Ihls \"(#ntil 13 kann durch das gemein- sanie Kegelhandra(1 betätigt werden, wie oben für clie hegeluii;; (1(#1- anderen Ventile beschrieben wtink#. As shown in Fig. 2, a blow-off valve 17 leading directly after the muslihare and containing a blow-off valve 17 can be used between the outlet let the turbine - and your I? inlet of the UN heat exhaust - exchangers 9 branched «-earth. These single direction is also with the general arrangement according to Fig. i applicable. At full power, a polisher tliermi: shear weep Efficiency is not important, such as B. in the case a ship propulsion system for the purposes of Fleet, the air delivery from the compression sor i through valve 1 i and the combustion chamber 7 passed into the turbine y, during the Displacement compressor 8 is shut down, wherein (read valve 1 i fully open and valve io fully is closed. The greatly increased amount of exhaust gases from the Turbine; is given directly by the branch i ( let out by opening the gas valve 17, to avoid overheating of the heat exchanger 9 avoid having its cold canal under (nasty vin- would not be supplied with finite air. In another way, the heat exchanger cg at the entrance to the incinerator 7 the power turbine (Fig. 2) are switched on. so that all the air for the power turbine 5 goes through it, either \ an (lein displacement compressor 8 through valve to or from your turbo compressor i through valve i i. il. 1i. ran every instinctual state. The heat static 9 is then for a maximum air flow leg eating. During operation at nominal power or including, both embodiments can ran the Auxiliary turbine 2 and the compressor i completely shut down laid or operated at idle speed. The valve ii is closed. If the initial performance is to continue to be set, needs only the bretin material supplies for the combustion chamber 7 of the power turhine 5 reduces zil will. The compressor N has, urge type is. under cl; esen circumstances keilic Pendulum tendency. If it is desired, (1a13 the Ixi: tung according to Operation with maximum performance quickly to low '' Values can be lowered. is at lwideti Versions the valve ii as a throttle in the Air supply to the power turbine 5 is used and a blow-off valve rd katiri be opened, uln to prevent oscillation of the compressor i. when valve ii is closed. A further procedure for: \ usfiii- tion of the hegelian system geni: il.i of the invention a single (not <largestdltes @ Randrad vor- seen which cam with other set-up gen in such a way that the clutch 1 = solved and the valve closed as well as that Valve ii is opened, the crying, \ usgatigsleistuiig the power turbine 3 is increased. and (measure that : \ blow valve 1d opened i (ird, \\ enn (read valve it is closed. while the auxiliary turbine is still under low load or idling. The power turbine; @@ - ird for Höclisteit we- degree of efficiency with Iktrieb built with nominal power. The speed is under this 1ditigLnig usual- be smaller than the Preliz number at maximum performance, especially hot. \ invendings for Ship purposes. during (@ti (1 only a small scli2] ed will be in the available heat gradient. If the description of the power turbine for (read optimal \ "ratio of blade speed speed to gas velocity at normal power is formed, this ratio is then for the "condition with the oil-deletion list is too high and there- here the \\ 'irkungsgra (1 he high performance behaves- be slightly bad. ['in the \' erniin (lerting the efficiency at Making Ilöclist performance as small as possible can (-ine 1) escliatifelung finite, strongly thickened profile ( [ ; g.,;) used with citier rounded leading edge (will what little change in economic degree of efficiency with (lein ratio of blade results in gas velocity. In other (u way came di (# power turbine 5 with (#inent \ elxnwegkanal will be shifted, in which c lieni, as shown, a lpin valve 13 is arranged i # t. that open for 13etrieh at maximum performance can be. I) adurcli is a larger gas quantity (Itircli (lie power turbine 5 and f (#rner (lic (#ffective in 13etriel) the number vom stufen lieral) set and so (read ratio of `` close to gas velocity relieved. Ihls \ "(# ntil 13 can be sanie Kegelhandra (1 operated as above for clie hegeluii ;; (1 (# 1- other valves described wtink #.

Claims

1'Art-: xTAxsl # h (hurries ::

t. ('#a <turbine system for alternating triel) in (#inein performance range below and () 1) (# rll; tll) of a nominal value, thereby identifying zeicllilet. (htl.i si <a power turbine, a \ er (li-: iiigtingskotnl) ressoi-, the hot _ \ usgangs- 1 (-i <tittlg (#ti finit () (fier below nominal value of this Turbine (ttigetri (#l> eii will and pressure air li (#f (#rii can, and an auxiliary turbine with one won this; tngetriel> etieti turbo compressor <(H- lllllfalit, (which with. \ Output services ül) cr Nenii \ crt Iwiden "turbines parallel pressure It is provided. Gasturbineiiatilag (° after. \ Tisl) rticli i, there- by @ckenilzeirhnet, (1a13 the Turhinc (5) for the I #: rren;, utig (more useful and for the \ litriel) e: ll: s \; rclr: in @ ungskoml) ressors (8) an n # iii I: inlal.l own \ "er) renntttigskam- »1e1- (7) ; runs. which 1) (# i nominal power (, the one below v () ii this l, Zotltl) ressor (8) I irud: luft (# fiilli-t becomes, \ olx # i an to triel) ciiles "hurl) () k () ml) ressors (i) provided I lilfs «trl) in. (2) aii illretn leave one more \ * (i-1) reiiii: iiilsl: ainni (#r (d) l. sits. \\ 'elclle at I. (@ Stul), @: 11 iiln-i- \ eniiwert wotl this com- @ (rca () r () i el) cils () ni; t compressed air 1) is delivered ) (i: (1i (\ - (# rbrentiungskamtller (7) of the >lnligstnrl> iiie (; l. ;. (@; istnrl> inenatilage after. \ iis saying t, that- @ lnrc @ gek (#nnzeiclniet. (let the displacement 1 :() ml) ie: s (, r (`) finite of the power turbine (5) l @) sl) areknl) lmlt, so (leave it out of action

can be brought when the compressed air for the power turbine (5) is supplied by the compressor (i) driven by the auxiliary turbine (2). 4. Gas turbine plant according to claim i, characterized in that a shut-off valve (ii) is arranged between the turbo compressor (i) and the power turbine (5) which is closed during start-up, and that the blow-off valve (14) in the delivery line of this Compressor (i) is provided, which is open during idling of this compressor in order to protect it against oscillation. 5. Gas turbine plant according to claim i, in which the charging of the power turbine is designed for the optimal ratio of blade speed to gas speed at the nominal power and Nentidrnehzahl, characterized by a bypass controlled by a valve (13), which the supply of combustion gases in an intermediate stage the power turbine (5) at or approximately at maximum output power and increased speed. 6. Gas turbine plant according to claim 5 with a heat exchanger (9) for the heat exchange between the exhaust gases of the power turbine (5) and the compressed air supplied by the displacement compressor (8) into the combustion chamber (j) of this turbine in the range from low power to rated power, characterized in that a bypass (16) regulated by a valve (17) is provided in order to extract at least part of these exhaust gases directly from this turbine when operating at or near maximum output (sen. gas turbine system according to claim i, characterized in that the Turbo compressor (i) is also connected to the inlet of the heat exchanger (9) in such a way that the latter is alternately traversed by compressed air supplied by one or the other (four compressors (8 and i). B. Gas turbine plant according to claim i, characterized in that the valves (io and ti) between the delivery of the two compressors (t and 8) and your entry to (for power Turbine (5) and the blow-off valves (14 and t, -) as well as the bridging valve (13) are operated by a single control element. y. Experienced in regulating the output power of a gas turbine system. which comprises two turbines, generally a power turbine (5) and an auxiliary turbine (2), which can be supplied with compressed air in parallel through chill lines including for the drive of a displacement compressor of relatively small capacity (-used and only supplied by this compressor (gi) and that the auxiliary turbine (2) is only used to drive a turbo compressor (i) of relatively large capacity when the output power exceeds the nominal value wind is used for the supply of the two turbines (2 and 5) in order to always avoid the compressor (i) with high capacity swinging due to low load and blowing back by deti Konil> ressor (8 @ tnit with small capacity during the (1 cycle periods between to prevent low and high loads if- the high pressure sides of the two compressors are directly connected to each other.