-
Gasturbinenanlage mit teilgeschlossenem Kreislauf Die Erfindung bezieht
sich auf eine Gasturbinenanlage, bei der ein Kreislauf des Arbeitsmittels stattfindet,
aus welchem eine Teilmenge entnommen und dafür mittels eines Kreiselverdichters,
der mit einer Turbine der Anlage gekuppelt ist, eine Ersatzmenge zugeführt wird.
-
Wird der Verdichter von einer Nutzleistung erzeugenden Turbine angetrieben
oder lediglich zum Leistungsausgleich mit einer der Hauptmaschinen gekuppelt, so
war es bisher notwendig, bei der sich nach den Bedingungen der Nutzleistungsgruppe
richtenden Drehzahl die Ersatzmenge durch Drosselung vor dem Verdichter den Betriebsverhältnissen
entsprechend einzustellen. Diese Drosselung führt indessen zu empfindlichen Leistungsverlusten.
Zur 'Verhütung von Leistungsverlusten wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, vor
der Schaufelung des Verdichters eine dem Läufer Leistung abgebende und von der Ersatzmenge
beaufschlagte Turbinenstufe mit einstellbarer Leitscheibe vorzuschalten. Dadurch
wird es möglich, bei unmittelbarer Kupplung des Verdichters mit einer Nutzarbeit
leistenden Gasturbine, die bei der Regelung der Ersatzmenge frei werdende Arbeit,
anstatt durch Drosselung zu vernichten, wieder nutzbar zu machen.
-
Zweckmäßig erfolgt die Kupplung des Verdichters mit der Nutzleistung
erzeugenden Turbine in bekannter Weise auf mechanische Art, um zwischen der Drehzahl
des Verdichters und der Drehzahl der Turbine ein festes Verhältnis einhalten zu
können.
-
Ein Beispiel des Erfindungsgegenstandes ist in "der Zeichnung vereinfacht
dargestellt.
Fig. i zeigt eine Anlage nach der Erfindung; Fig.2
stellt einen Längsschnitt durch den die Ersatzmenge fördernden Verdichter der Anlage
nach der Erfindung dar; Fig.3 veranschaulicht den Schaufelplan und Fig.4 die Geschwindigkeitsdreiecke
des Verdichters nach Fig. 2.
-
Der Verdichter i fördert das durch die Leitung 2 -angesaugte Arbeitsmittel
durch die Rohranlage 3 eines Wärmeaustauschers 4 und die Rohranlage 5 eines Gaserhitzers
6 in die Turbine 7. Das entspannte Arbeitsmittel gelangt aus der Turbine durch die
Leitung 8 in den Wärmeaustauscher 4, in welchem es die Rohranlage 3 beheizt und
anschließend in den Kühler 9, in welchem es durch die Rohranlage io gekühlt wird.
Durch die Leitung 2 wird das Arbeitsmittel schließlich dem Verdichter i wieder zugeführt,
um den Kreislauf von neuem zu beginnen.
-
Ein Teil des Arbeitsmittels wird durch die Leitung i9 dem Kreislauf
entzogen und als Verbrennungsluft in den Brennraum des Gaserhitzers 6 geführt. Die
im Gaserhitzer entstehenden Verbrennungsgase strömen durch die Leitung i i in die
Abgasturbine 12 und durch die Leitung 13 ins Freie öder zu anderen Verbrauchsstellen.
-
Zum Ersatz des durch die Leitung rg dem Kreislauf entzogenen Arbeitsmittels
wird durch den Verdichter 14 aus der Leitung 15 frisches Arbeitsmittel, z. B. Luft,
angesaugt und in verdichtetem Zustand durch die Leitung 16 in den Kühler g eingeführt.
Die Gasturbine 7 und die Abgasturbine 12 sind auf einer gemeinsamen Welle mit den
Verdichtern 1 und 14 und dem Stromerzeuger 17 angeordnet, der die Leistung der Gesamtanlage
an ein Netz i8 abgibt. Die Welle läuft mit unveränderlicher Geschwindigkeit, die
der Periodenzahl des elektrischen Netzes 18 entspricht.
-
. Beim Verdichter 14 ist, wie die Fig. 2 zeigt, eine dem Läufer Leistung
abgebende Turbinenstufe mit einstellbarer Leitscheibe vor dem Verdichterfeil angeordnet,
um die Verluste bei der Regelung der Verdichtungs- oder Förderleistung zu vermeiden.
Der Läufer 21 des Verdichters besitzt die Schaufelkränze 22 bis 25, von denen der
Kranz 22 als Turbine und die Kränze 23 bis 25 als Verdichter zur Wirkung kommen.
Dem Turbinenkranz 22 ist ein einstellbarer Leitkranz 26, den Verdichterkränzen 23
bis 25 je ein fester Leitkranz 27 bis 29 vorgesetzt. Jede Schaufel des Leitkranzes
26 ist auf einer Welle 3o befestigt, die mit Hilfe eines Armes 31 und eines Gestänges
32 je nach der verlangten Verdichtungsleistung eingestellt werden kann.
-
Zwischen dem Raum 33 vor dem einstellbaren Leitkranz 26 der Turbinenstufe
und dem Raum 34 hinter dem Turbinenlaufkranz 22 ist eine durch das Ventil 35 abschließbare
Umgehungsleitung 36 vorgesehen, durch welche das zu verdichtende Mittel unmittelbar
aus dem Raum 33 dem ersten Leitkranz 27 des Verdichters zugeführt werden kann.
-
Für die in Fig. 3 dargestellte Schaufelform der Laufkränze 22 bis
25 und der Leitkränze 27 bis 29 ergeben sich beim Normalbetrieb die in den Schaubildern
der Fig.4 eingetragenen Strömungsgeschwindigkeiten.
-
Mit Co ist die absolute Eintrittsgeschwindigkeit in den Turbinenlaufkranz
22 angegeben. Die Schaufelung ist so geformt, daß die Austrittsgeschwindigkeit cl
aus dem Turbinenlaufkranz 22 gleich zur richtigen Eintrittsgeschwindigkeit in den
nachfolgenden Verdichterleitkranz 27 wird. Den absoluten Eintritts- und Austrittsgeschwindigkeiten
c. und cl entsprechen die relativen Eintritts- und Austrittsgeschwindigkeiten wo
und w1, welche die Form der Turbinenlaufschaufeln bestimmen.
-
Im Leitkranz 27 wird die Eintrittsgeschwindigkeit c1 in die Auatrittsgeschwindigkeit
c2 umgelenkt. Mit dieser Geschwindigkeit c. tritt das Arbeitsmittel in den Laufkranz
23 ein. Im Laufkranz 23 ergibt» sich eine Umlenkung in die Geschwindigkeit c3 am
Austritt aus dem Laufkranz 23. Den absoluten Geschwindigkeiten c2 und c3 im Laufkranz
23 entsprechen die relativen Geschwindigkeiten 2u2 und 2z3, welche für die Schaufelform
und Schaufelstellung des Ver dichterlaufkranzes maßgebend sind.
-
Man sieht, daß das Arbeitsmittel gleich gerichtet und gleich schnell
aus dem Laufkranz 23 austritt, wie es in den Leitkram 27 eingetreten ist. Aus diesem
Grund ergeben sich bei Einhaltung des gleichen Verhältnisses für die Volumenabnahme
bei der Verdichtung und für die Verkleinerung der Schaufelhöhe in den aufeinanderfolgenden
Stufen in allen Stufen gleiche Schaufelquerschnitte.
-
Beim Betrieb mit normaler, voller Verdichtungsleistung und bei einem
Eintrittsdruck von z. B. i ata im Raum 33 findet in der Turbinenstufe eine Entspannung
auf ungefähr o,85 ata statt. Zur Verminderung der Verdichtungsleistung kann durch
Verkleinern, des Strömungsquerschnittes im Leitkranz 26 die Entspannung in der Turbinenstufe
verstärkt werden. Zur Vergrößerung der Verdichterleisturig kann durch Öffnen des
Leitkranzes 26 die Entspannung in der Turbinenstufe so weit vermindert werden, bis
schließlich im Raum 34 nahezu derselbe Druck wie im Raum 33 herrscht. Im Grenzfall,
bei größter Verdichtungsleistung, wird das Ventil 35 geöffnet, so daß das zu verdichtende
Mittel unter Umgehung der Turbinenstufe 22, 26 unmittelbar aus dem Raum 33 durch
den Kanal 36 in den Raum 34 gelangt.
-
Die Schaufelung (Fig. 3) ist so geformt, daß bei Normallast der beste
Wirkungsgrad erzielt wird. Bei größter Überlast findet nur eine geringe Abnahme
dieses Wirkungsgrades infolge der Pumpverluste im Turbinenrad statt, während bei
kleineren Überlasten und bei Teillasten ebenfalls ein geringer Abfall des Wirkungsgrades
eintritt, weil die etwas veränderten Geschwindigkeiten nicht mehr ganz den Schaufelformen
entsprechen.
-
Die Erfindung kann selbstverständlich auch bei Verdichtern angewendet
werden, deren Zuführungsdruck kleiner oder größer als i ata ist. In besonderen Fällen
könnten auch mehr als eine Turbinenstufe
vor dem Verdichter angeordnet
«erden, die einzeln oder in Gruppen durch Umgehungskanäle überbrückt werden können.
Die Erfindung läßt sich ebenso wie bei axial durchströmten Verdichtern auch bei
radial durchströmten Verdichtern anwenden.
-
Mit der Erfindung wird der Vorteil erreicht, daß sich die Fördermenge
und der Förderdruck bei Veränderung der Belastung gleichzeitig und ungefähr proportional
zueinander verändern. Hierbei kann die Drehzahl unveränderlich gehalten werden.
Trotzdem bleibt der Wirkungsgrad über einen weiten Bereich sehr groß.
-
Die Hauptturbine kann unter Umständen in mehrere Maschinen unterteilt
sein. Der die Ersatzmenge fördernde Verdichter ist dann mit einer dieser Turbinen
gekuppelt. Die Kupplung kann unmittel- oder mittelbar erfolgen, in der Weise, daß
z. B. zwischen dem Verdichter und der Turbine noch eine andere Maschine eingeschaltet
ist. Außer einer mechanischen kann auch eine hydraulische oder eine elektrische
Kupplung in Frage kommen. Der die Ersatzmenge fördernde Schaufelverdichter kann
auch mit -einer einen Verdichter des Kreislaufs antreibenden Turbine gekuppelt sein.
Eine solche Turbine kann unabhängig von der die Nutzleistung abgebenden Turbine
sein. -