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Turbinenanlage mit mindestens zwei hintereinandergeschaltetenTurbinen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenanlage für kompressible Arbeitsmittel
mit mindestem zwei hintereinandergeschalteten Turbinen, welche voneinander mechanisch
getrennte Maschinen mit einem einstellbaren Leistungsverhältnis. antreiben, und
einer mit einer Durchflußregelung ausgerüsteten Umgehungsleitung, welche von. der
einen Turbine durch eine Hilfsturbine in die nachgeschaltete Turbine führt. Die
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, draß die Umgehungsleitung einen Teil der Stufen
in der nachgeschalteten Turbine umgeht und die Hilfsturbine mit der vorgeschalteten
Turbine gekuppelt ist.
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Soll bei der Anlage nach der Erfindung zur Einstellung des Leistungsverhältnisses
die Leistung der vorgeschalteten Turbine vermindert und diejenige der nachgeschalteten
Turbine vergrößert werden, so muß der Querschnitt der Umgehungsleitung vermindert
werden. Dadurch wird nicht nur die Leistung der mit der Hochdruckturbine gekuppelten
Hilfsturbine vermindert, sondern auch deren Auslaßdruck erhöht. Bei@d@e Regelwirkungen
machen sich also im gleichen Sinn geltend. Die Gesamtleistung der Hochdruckturbine
wird in verstärktem Maß vermindert und die Leistung der Niederdruckturbine entsprechend
vermehrt. Die Wirkungen der beiden Vorgänge addieren, sich, so daß die Empfindlichkeit
der Regelung gesteigert wird. Die gleichen Überlegungen zeigen auch, daß im gleichen
Sinn eine Steigerung der Empfindlichkeit eintritt, wenn die
Leistung
der vorgeschalteten Turbine vergrößert und diejenige der nachgeschalteten Turbine
vermindert werden soll. ,\ußerdem würden inbeiden Fällen die mit der Leistungseinstellung
zusammenhängenden Verluste vermindert werden, weil die Druckabsenkung im Arbeitsmittel
arbeitleistend erfolgt.
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Zweckmäßig sind hinter der Austrittsstufe der vorgeschalteten Turbine
auf dem gleichen Läufer noch weitere, eine Hilfsturbine bildende Stufen: angeschlossen,
durch die eine regelbare Teilmenge an Arbeitsmittel einer Zwischenstufe der nachgeschalteten
Turbine zugeführt werden kann. Stellen die beiden hintereinanderge.schalteten Turbinen
einen Teil der Gasturbinenanlage dar, so kamt, in der die beiden Turbinen miteinander
verbindenden IIauptleitung ein Zwischenerhitzer für das Arbeitsmittel angeordnet
sein, welcher von der Umgehungsleitung der nachgeschalteten Turbine umgangen. werden
kann.
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Zwei Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt.
Fig. i veranschaulicht eine Gasturbinenanlage mit einmaligem Durchfluß des Arbeitsmittels,
Fig.2 eine Gasturbinenanlage, bei welcher ein Teil des Arbeitsmittels in einem Kreislauf
umströmt.
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Der Verdichter i der Gasturbinenanlage nach Fig. r saugt durch die
Leitung 2 aus der Atmosphäre Luft an und fördert sie in verdichtetem Zustand durch
die Leitung 3 in den Gaserhitzer 4. Das hierin entstehendehocherhitzte Gemisch aus
Luft und Verbrennungsgasen strömt durch die Leitung 5 in eine erste Turbine 6 und
gelangt anschließend durch die Leitungen 7 und 8 in die zweite Turbine 9. Die Abgase
dieser letzteren Turbine strömen endlich durch die Leitung io aus der Anlage fort.
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Die vorgeschaltete Turbine 6 treibt den Verdichter i und ist außerdem
mit einer elektrischen Maschine 11 gekuppelt. Diese elektrische Maschine dient zum
Anlassen der Anlage. Sie kann. nötigenfalls auch zum Beschleunigen der Anlage verwendet
werden und ist sch,tießlich auch imstande, einen Überschuß an Leistung der Turbine
6, welcher vom Verdichter i nicht benötigt wird, aufzunehmen. Die nachgeschaltete
Turbine 9 treibt einen Stromerzeuger 12, welcher die Nutzleistung der Anlage in
ein Netz 13 liefert.
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Der Gaserhitzer 4 besitzt einen Brenner 14, dem durch die Leitung
15 ein flüssiger Brennstoff zugeführt wird. Ein Teil der durch die Leitung 3 zugeführten
verdichteten Luft gelangt als Verbrennungsluft durch die Öffnung 16 in den Brennraum
17, während eire anderer Teil durch dien Kühlmantel 18, zur Kühlung der Brelmra.umwände
strömt. An der Stelle 1g vereinigen sich die aus der Brennkammer 17 ankommenden
Verbrennungsgase und die aus dem Kühlmantel ankommende erhitzte Luft.
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Nach Austritt der Gase aus der Austrittsstufe 20 der vorgeschalteten
Turbine 6 strömt die ganze Menge oder mindestens ein größerer Teil durch die Hauptleitung
7 zur Eintrittsstufe 21 der nachgeschalteten Turbine 9. Eine durch das Regelorgan
22 einstellbare Teilmenge kann durch die Umgehungsleitung 8 der Zwischenstufe 23
der nachgeschalteten Turbine zugeführt werden. Diese Teilmenge umgeht also die Eintrittsstufe
21 der nachgeschalteten Turbine. In die Urngehungsleitung 8 ist eine Hilfsturbine
24 eingeschaltet, deren Schaufelung auf dem gleichen Rotor sitzt wie die Schaufelung
der vorgeschalteten Turbine 6.
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Soll das Leistungsverhältnis der beiden Turbinen 6 und 9 zugunsten
der Turbine 6 verändert werden. so wird die durch die Umgehungsleitung 8 strömende
Teilmenge durch Vergrößern des nuerschnitts des Regelorgans 22 vergrößert. Hierdurch
wird die Leistung der Turbine 9 vermindert, weil die EintrittsstUfe 21 eine geringere
Gasmenge erhält und gleichzeitig der Eintrittsdruck fällt, dagegen aber die Leistung
der Turbine 6 vergrößert, weil die Hilfsturbine 24 in vermehrtem Maß beaufschlagt
wird und der Gegendruck niedriger wird. Soll das Leistungsverhältnis umgekehrt zugunsten
der nachgeschalteten Turbine 9 verändert werden, so ist der Querschnitt des Regelorgans
22 zu vermindern, gegebenendalls vollständig zu schliefen. Dadurch erhält die Eintrittsstufe
21 der Turbine 9 bei steigendem Eintrittsdruck eine vergrößerte Arbeitsmittelmenge,
während die Beaufschlagung der Hilfsturbine 24 vermindert wird und der Gegendruck
der vorgeschalteten Turbine 6 steigt. Durch die Hilfsturbine 24 wird nicht nur die
Regelwirkung der Umgehungsleitung bedeutend unterstützt, sondern gleichzeitig werden
auch die Drosselverluste am Regelorgan 22 wesentlich verkleinert. Es ist so möglich,
eine verlangte Regelwirkung mit Umgehungsleitungen von geringerem Querschnitt zu
erhalten als wie bisher ohne Hilfsturbine.
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Bei der Anlage nach Fig. 2 wird durch den Niederdruckverdichter 31
und den Hochdruckverdichter 32 aus der Leitung 33 ankommende Luft verdichtet und
durch die Leitungen 34 und 35 zwei Wärmeaustauschern 36 und 37 zugeführt. Während
der Verdichtung findet in einem Zwischenkühler 38 eine Kühlung der teilweise verdichteten.
Luft statt, um die Verdichtungsarbeit zu vermindern. Die beiden in den Wärmeaustauschern
36 und 37 erwärmten Teilmengen der Luft vereinigen sich wieder und strömen in. die
Leitung 39. An der Stelle 40 findet eine erneute Aufteilung in zwei Teile statt,
wovon eine Teilmenge durch die Leitung 41 in den Gaserhitzer 42 weiterströmt. Nach
Erhitzung gelangt diese Luftmenge durch die Leitung 43 in die Turbine 44 und von
hier durch die Leitung 45 in den Wärmeaustauscher 36. Sie durchströmt hier die Wärmeaustauschrohre
46 und erwärmt hierbei unter Abgabe eines Teils ihrer Restwärme den einen aus dem
Verdichter 32 ankommenden Teil der Luft. Durch die Leitung .47 gelangt sie in den
Kühler 48 weiter, wo ein weiterer Teil ihrer Restwärme abgeführt wird. Die nun gekühlte
Luft gelangt durch die Leitung 33 wieder in den Verdichter 31 zurück, wo sie den
beschriebenen Kreislauf von neuem beginnt.
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Die zweite Teilmenge der an der Stelle 4o aufgeteilten Luft wird dem
Luftkreislauf entzogen und durch die Leitung 49 dem Lufterhitzer 42 zugeführt. Ein
Teil dieser Luft dient als Verbrennungsluft für
| den durch den Brenner 51 zugeführten flüssigen |
| Brennstoff, ein anderer Teil dient zunächst als Kühl- |
| luft für die Wandungen und die Einbauten des |
| Brennraums 5o und mischt sich hernach mit den Ver- |
| lyrennutigsgasett. Das Gasgemisch strömt durch die |
| Wärmeaustauschrohre 52 und erhitzt hierbei die |
| Luft des Kreislaufs. Nach Austritt aus dem Gas- |
| erhitzer 42 strömt das Gasgemisch durch die Leitung |
| 53 in die erste von zwei hinteieinandergeschalteten |
| Turbinen 54 und 55. Nach Austritt des Gas- |
| gemisches aus der Austrittsstufe 2o der vorgeschal- |
| teten Turbine 54 gelangt <las Gas durch die Leitung |
| 56 in den Zwischerigaserhitzer 57, wo der Restgehalt |
| von Sauerstoff zur \'erlirennuiig des durch dein |
| Breittier 58 zugeführten fliissigen Brennstoffs dient. |
| Das wiederum erhitzte Gas striinit nun durch die |
| Leitung 59 zur Eintr-itt#stufe 21 der Turbine 55. |
| Nach Entspannung in dieser Turbine strömt das Gas |
| endlich durch die Leitung 6o zum Wärmeaus- |
| tauscher 37, durchströmt hier die Wärmeaustausch- |
| rohre 61 und erwärmt hierbei den durch die Leitung |
| 35 ankommenden Teil der verdichteten Luft. Durch |
| die Leitung 62 verläßt das Gas die Anlage. |
| Als Ersatz für die -in der Stelle ,4o (lern Kreislauf |
entnommene Teilmenge wird mittels des Verdichters 63 durch die Leitung 64 aus der
Atmosphäre angesaugte Luft in verdichtetem Zustand durch die Leitung 65 an der Stelle
66 in den Kreislauf eingeführt.
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Die Nutzleistung der Anlage. wird durch die Turlrine 55 erzeugt und
über das Getriebe 67 und die Welle 68 auf einem Schiffspropeller 69 mit Wendeflügeln
weitergeleitet. Die der Nutzleistungsturbine 55 vorgeschaltete Turbine 54 treibt
den Verdichter 63 für die Ersatzluft. Die Verdichter 31 und 32 werden durch
die Turbine 44 getrieben. Außerdem ist dieses Aggregat auch noch mit einer elektrischen
Maschine 70 gekuppelt, welche zum Anlassen der Anlage, zur allfälligen Zuführung
eines Leistungsmangels oder zur Entnahme eines Leistungsüberschusses dient.
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Die Nutzleistungsturbine 55 besitzt zu Regelungszwecken eine Umgehungsleitung
8, in welcher ein Regelorgan 22 angeordnet ist. Die durch die UmgehungsJeitung geführte
Teilmenge des Gasgemisches lxaufschlagt die Hilfsturbine 24, deren Läufer mit (lern
Läufer der Turbine 54 gekuppelt ist. Wird der Querschnitt des Regelorgans 22 vergrößert,
so verschiebt sich das Leistungsverhältnis zwischen den Turbinen 54 und
5,3 zugunsten der Turbine 54 und bei Verminderung des Querschnitts zugunsten
der Turbine 55. Bei dieser Regelung entsteht außer der Veränderung der Beaufschlagung
der Hilfsturbine 24 und der Nutzleistungsturbine 55 und des Zwischendrucks zwischen
beiden, Turbinen auch eine Veränderung der den Zwischengaserhitzer 57 durchströmenden
Gasmenge. Ändert man in diesem Fall die Brennstoffzufuhr zum Zwischengaserhitzer
57 in zweckentsprechender Weise, so kann die Wirkung der Regelung noch weiter unterstützt
werden. Bei Verminderung des Querschnitts des Regelorgans 22 wird nicht nur der
Zwischendruck zwischen den Turbinen 54 und 55 vergrößert und die Leistung der Hilfsturbine
24 vermindert, sondern auch die zugeführte «.ärmemenge im Gaserhitzer 57 vergrößert,
wodurch in erhöhtem Mali eine Leistungssteigerung an der Turbine 55 erreicht wird.
In gleichem Sinai wird bei Vergrößerung des. Querschnitts des Regelorgans 22 nicht
nur der Zwischendruck zwischen den beiden Turbinen 54 und 55 vermindert und die
Leistung der Turbine 24 vergrößert, sondern auch die im Gaserhitzer 57 zugeführte
Wärmemenge vermind.ert. Damit wird die Leistung der Turbine 55 in vermelirtein Maß
gesenkt, dieselbe der Turbine 54 aber vergrößert.
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Die beschriebene Erfindung läßt sich allgemein auf alle Turbinenanlagen
anwenden, bei (knien zwei Turbinen ini Strom des Arbeitsmittels hintereinarndergeschaltet
sind. Sie läßt sich also auch anwenden auf Gasturbinenanlagen, bei denen das gesamte
Arbeitsmittel in, einem Kreislauf umströmt und dabei zwei hintereinandergeschaltete
Gasturbinen beaufsch.lagt, und ebenso auf beliebige Dampfkraftanlagen mit hintereinandergeschalteten
Dampfturbinen.