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Vorrichtung zum Anlassen von Gasturbinenaggregaten Die Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung zum Anlassen von Gasturbinenaggregaten derjenigen Art,
bei welchen der zum Anlassen erforderliche Leistungszuschuß in Form von pneumatischer
Energie von einem Gebläse geliefert wird. Zweck der Erfindung ist die Schaffung
einer solchen Anlaßvorrichtung, die in ihrem Aufbau und ihrer Arbeitsweise besonders
einfach ist.
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Gemäß der Erfindung ist das durch eine äußere Energiequelle angetriebene
Anlaßgebläse in Reihen-oder Parallelschaltung oder in zeitlich nacheinander erfolgender
Parallel- und Reihenschaltung mit dem durch die Gasturbine angetriebenen Verdichter
des Aggregats derart verbunden, daß es die Gasturbine während des Anlassens mit
Luft versorgt und selbsttätig außer Wirkung kommt, sobald die Luftförderung des
Verdichters ausreicht, um allein den Gang der Gasturbine aufrechtzuerhalten.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert.
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Abb. z ist ein Diagramm zur Erläuterung des Arbeitsprinzips der Vorrichtung
gemäß der Erfindung; Abb.2 bis 7 veranschaulichen schematisch verschiedene Ausführungsformen
der Anlaßvorrichtung gemäß der Erfindung.
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Da die Drehzahl eines Gasturbinenaggregates von Null an wächst, wächst
die durch den der Turbine vorgeschalteten Luftverdichter aufgenommene Leistung und
gegebenenfalls diejenige der anzutreibenden Belastung, wenn letztere nicht abgekuppelt
oder abgeschaltet werden kann, mit der Drehzahl entsprechend einem Gesetz, welches
durch die Kurve a
der-Abb. z wiedergegeben ist. Die von der Turbine
abgegebene Leistung hängt von der Geschwindigkeit und der Temperatur der Antriebsgase
ab, und jeder Drehzahl des Aggregates entspricht eine bestimmte Temperaturgrenze
für die den Gasen am stärksten ausgesetzten mechanischen Teile der Turbine: Die
maximale Leistung, welche von der Turbine mit Sicherheit geliefert werden kann,
verläuft daher als Funktion der Drehzahl etwa nach der Kurve b der Abb. i.
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Bei geringen Drehzahlen liegt die Kurve b immer unterhalb der Kurve
a, die sie bei A entsprechend einer Drehzahl N, schneidet. Jenseits
der Drehzahl N, kann das Aggregat selbständig arbeiten und Nutzleistung abgeben.
Von der Drehzahl o bis zur Drehzahl No, d. h. während der AnlaBperiode, muß dem
Aggregat ein gewisser Leistungszuschuß geliefert werden, welcher als Funktion der
Drehzahl durch die Kurve c der Abb. i dargestellt ist. ' Die Vorrichtungen, die
nachstehend mit Bezug auf die Abb. 2 bis 7 beschrieben werden sollen, ermög-_ lichen,
dieses Ergebnis in wirtschaftlicher Weise zu erreichen.
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Bei allen Ausführungsbeispielen ist keine bestimmte Art des Antriebes
des Hauptverdichters des Aggregates im normalen Betrieb vorausgesetzt. Im besonderen
läßt sich die Erfindung auch bei Gasturbinenaggregaten mit einer einzelnen oder
mehreren Wellenleitungen anwenden, gleichgültig, ob der Hauptverdichter durch eine
von der eigentlichen Antriebsturbine verschiedene Turbine angetrieben wird oder
nicht und wie auch die Gruppierung der Turbinen in Reihen- oder in Parallelschaltung
sein mag.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. 2 bezeichnet V das AnlaBgebläse
und C den Hauptluftverdichter, welcher die nicht dargestellte Gasturbine des Aggregates
speist. Mit r1 ist eine Rückschlagklappe bezeichnet, die dazu dient; ein Zurückströmen
des Luftstromes des Verdichters zu verhindern. Während des Anlassens mittels des
AnlaBgebläses V öffnet sich diese Rückschlagklappe y1 selbsttätig, und wenn der
Hauptverdichter C eine ausreichende Drehzahl erreicht hat, erzeugt letzterer- einen
Druckunterschied, der gleich demjenigen des.Anlaßgebläses - V ist. - Mit r2, ist
eine Rückschlagklappe bezeichnet, die den Durchgang der vom Verdichter C geförderten
Luft durch die Leitungen des Anlaßgebläses V verhindern soll. Diese Klappe y2 schließt
sich selbsttätig, wenn der Verdichter einen höheren Druck als das Anlaßgebläse liefert.
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Wenn W der während der Anlaßperiode des Aggregates- zu liefernde maximale
Leistungszuschuß und W, die dem Anlaßgebläse vom Wirkungsgrad 0, zuzuführende Leistung
ist, so hat die Leistung, die in der vom AnlaBgebläse geförderten Luft zur Verfügung
steht, den Wert e7, - TV, In der dem Aggregat zugeordneten Verbrennungskammer (nicht
dargestellt) wird durch die Erhöhung der Lufttemperatur die zur Verfügung stehende
Leistung um einen Faktor K vervielfältigt. An der Eintrittsseite der Gasturbine
des Aggregates steht alsdann eine Leistung K - O,, - W" zur Verfügung, und
wenn der Wirkungsgrad des Aggregates_pt ist, so ist der an- der Welle der Turbine
verfügbare Leistungszuschuß K - @, - Ot - Wv, der mindestens
gleich W sein muß. Dadurch, daß man diese Maßnahme anwendet und nur eine geringe
zusätzliche Brennstoffmenge verbrennt, wird das Anlassen des Gasturbinenaggregates
gewährleistet. Da ferner das Produkt K - pt - w im allgemeinen größer als
i ist, so wird die Leistung des Motors, welcher das Anlaßgebläse antreibt, gleich
K . et . Q#, , d. h.
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kleiner als W. Durch eine geeignete Bauart kann das Produkt der Wirkungsgrade
et - O", sogar während der Anlaßperiode bei geringer Drehzahl, gleich
0,5
sein; der Faktor K kann wesentlich größer als 2 sein, so daß der Faktor
K @Ot Q" beträchtlich größer als i sein kann.
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Bei der in Abb. 3 dargestellten Ausführungsform ist das Anlaßgebläse
V in Reihenschaltung mit dem Hauptverdichter C des Aggregates angeordnet. In einer
Abzweigung der Verbindungsleitung zwischen der Förderseite des Gebläses V und der
Ansaugseite des Verdichters C ist eine Rückschlagklappe y3 angeordnet, die sich
schließt, wenn das Gebläse an der Saugseite des Verdichters einen Überdruck erzeugt,
und die sich öffnet, wenn das Gebläse stillsteht oder wenn es auf der Förderseite
keinen Druck liefert.
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Zu Beginn der Anlaßperiode setzt der Verdichter dem Durchgang des
vom Gebläse geförderten Luftstromes einen gewissen Widerstand entgegen, derart,
daB während der Anlaßperiode die Ausführungsform gemäß Abb. 3 der vorher beschriebenen
unterlegen ist. Wenn die Drehzahl des Verdichters zunimmt, verschiebt sich der Punkt,
welcher das Wirksamwerden des Gebläses auf seiner die Fördermenge in Abhängigkeit
vom Druck anzeigenden Kurve darstellt, in den Bereich der zunehmenden Fördermengen,
und am Ende der Anlaßperiode erreicht der Förderdruck des Anlaßgebläses den Wert
Null. In diesem Augenblick öffnet sich die Rückschlagklappe y3 selbsttätig; der
Verdichter saugt die Luft unmittelbar aus der Atmosphäre an, so daß der Antriebsmotor
des Anlaßgebläses stillgesetzt werden kann.
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Bei der in- Abb. 2 dargestellten Ausführungsform arbeitet zu Beginn
der Anlaßperinde.der.Hauptverdichter C mit der Fördermenge Null und darauf mit allmählich
zunehmenden Fördermengen, so daß er für einen Augenblick in eine Zone gelangen kann,
in der er mit einer Pumpwirkung arbeitet. Die Ausführungsform nach Abb. 2 ist somit
in dieser Hinsicht derjenigen nach Abb. 3 unterlegen, bei welcher der Verdichter
seinen normalen Arbeitszustand von der Zone der geringen Drücke an erreicht.
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Die Ausführungsform gemäß Abb. q. weist die Vorteile der vorhergehenden
Ausführungsformen auf, ohne deren Nachteile zu haben. Das Anlaßgebläse V ist hier
gleichzeitig mit der Ansaug- und der Förderseite des Verdichters C verbunden. Zu
Beginn der Anlaßperiode erfolgt wegen des vom Verdichter C dargebotenen Widerstandes
die Förderung des Anlaßgebläses V fast gänzlich durch die Rohrleitung t hindurch
am Verdichter vorbei, und man erhält alsdann die Arbeitsbedingungen der Ausführungsform
gemäß Abb. 2.
Der Verdichter C beschleunigt sich, und der Anteil
der vom Gebläse V geförderten Luftmenge, der durch den Verdichter hindurchgeht,
wächst. Von einem gewissen Augenblick an wird der Druck auf der Förderseite des
Verdichters C höher als derjenige, welcher auf der Förderseite des Anlaßgebläses
V erzeugt wird. Die Rückschlagklappe r4 schließt sich alsdann selbsttätig, und die
Fördermenge in der Leitung t wird Null, so daß die Vorrichtung alsdann wie diejenige
nach Abb. 3 arbeitet. Eine Rückschlagklappe r, ist in einer Abzweigung der Verbindungsleitung
zwischen der Förderseite des Gebläses und der Ansaugseite des Verdichters angeordnet.
Diese Klappe v. bleibt so lange geschlossen, wie das Anlaßgebläse einen Überdruck
liefert, und sie öffnet sich, um das unmittelbare Ansaugen des Verdichters C aus
der Atmosphäre zu ermöglichen, sobald man den Antriebsmotor des Anlaßgebläses anhalten
kann.
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Das Arbeiten entsprechend der Ausführungsform nach Abb. 2 findet nur
zu Beginn der Anlaßperiode statt, wo der Hauptverdichter C nur eine sehr geringe
Drehzahl hat. Die Gefahr einer Pumpwirkung, die im hohen Maße von der Zusammendrückbarkeit
der Luft und der aufgebrachten mechanischen Leistung abhängt, ist nicht vorhanden.
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Abb. 5 betrifft die Anwendung der Ausführungsform nach Abb. q in dem
Fall, daß zwei in Reihe geschaltete Verdichter, ein Niederdruckverdichter Cl - und
ein Hochdruckverdichter C2, verwendet werden.
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Die Art der Gruppierung der Gasturbinen zum Antrieb dieser Verdichter
kann irgendeine beliebige sein. Zu Beginn der Anlaßperiode geht fast die ganze Fördermenge
des Anlaßgebläses V durch den Umleitungskanal t hindurch, weil dem Durchgang der
Luft durch die in Ruhe befindlichen Verdichter hindurch ein erheblicher Widerstand
entgegengesetzt wird. Der Hochdruckverdichter C., der sehr klein ist, läuft zuerst
an; bei seiner Beschleunigung verringert er seinen Widerstand, und er erreicht einen
Zeitpunkt, wo infolge des von ihm erzeugten Druckes die Rückschlagkläppe r6 sich
schließt, so daß ein Rückströmen von Luft in die Umleitung t2 verhindert wird. Die
Drehzahl des Niederdruckverdichters C1 wächst gleichfalls und erreicht einen Zeitpunkt,
in dem sich die Rückschlagklappe y, schließt, so daß ein Rückströmen von Luft in
die Umleitung t1 verhindert wird. Die ganze Fördermenge des Anlaßgebläses V geht
alsdann durch die beiden Verdichter C, und _C, hindurch. Eine Rückschlagklappe r8
ist in einer Abzweigung der Verbindungsleitung zwischen der Förderseite des Anlaßgebläses
V und der Ansaugseite des Verdichters Cl angeordnet. Diese Klappe bleibt so lange
geschlossen, wie das Gebläse einen Überdruck hat, und sie öffnet sich, um das unmittelbare
Ansaugen des Verdichters Cl aus der Atmosphäre zu ermöglichen, sobald man den Antriebsmotor
des Anlaßgebläses V anhalten kann.
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In entsprechender Weise können dieselben Einrichtungen für jede beliebige
Anzahl von in Reihe geschalteten Luftverdichtern verwendet werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die für den Anlaßvorgang
aufzubringende Leistung durch Verwendung folgender Anordnungen verringert.
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Gemäß Abb. 6 wird das Anlaßgebläse V l, das mit dem oder den Hauptverdichtern
(nicht dargestellt) auf eine der weiter unten näher beschriebenen Arten vereinigt
ist, durch die Turbine T eines Hilfsaggregates angetrieben. Ein Hilfsgebläse V2
liefert die komprimierte Luft für diesen Hilfskreis, welche in eine Verbrennungskammer
R gelangt, wo eine gewisse Brennstoffmenge mittels eines Brenners b verbrannt wird.
Für einen Antriebsmotor des Hilfsgebläses V2, der die Leistung P hat, hat die wiedergewonnene
Leistung in der komprimierten Luft des Hilfskreises den Wert o,8 P, wenn man einen
kungsgrad des Hilfsgebläses V2 von o,8 annimmt. Diese Leistung wird in der Verbrennungskammer
R um einen bestimmten Faktor vervielfacht. Setzt man für diesen Faktor den Wert
2 an, so beträgt die am Eintritt der Turbine T verfügbare Leistung 1,6 P, und bei
einem Wirkungsgrad von o,8 dieser Turbine hat die verfügbare Leistung für den Antrieb
des Anlaßgebläses V1 den Wert 1,3 P.
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Diese >;rhöhung der von dem Hilfsantrieb anfänglich gelieferten Leistung
wird auf Kosten eines gewissen Aufwandes an Brennstoff erhalten, jedoch hat dieser
keine besondere Bedeutung, da er nur während der Anlaßperiode allein auftritt.
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Gegebenenfalls kann auch die Einrichtung, die nachstehend beschrieben
ist, für den Antrieb des Anlaßgebläses einer der verschiedenen Ausführungsformen
gemäß den Abb.2, 3, q und 5 verwendet werden. Die Turbine T des Hilfskreises kann
dabei außerdem unmittelbar oder durch Vermittlung einer Kupplung oder auch über
ein die Drehzahl verminderndes Getriebe mit der Welle des Hauptaggregates verbunden
sein.
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Die Einrichtung kann schließlich als Relais dienen und in jeder Stufe
in Reihe mit der vorhergehenden vervielfacht werden, wodurch eine Vergrößerung der
Leistung für das Anlassen erhalten wird. So kann beispielsweise das Gebläse V1 die
Gase in eine zweite Verbrennungskammer, die ähnlich der Kammer R ist, fördern, um
eine zweite Turbine anzutreiben, die ähnlich der Turbine T, aber kräftiger als diese
ausgebildet ist und ihrerseits ein Gebläse antreibt, das kräftiger als das Gebläse
V1 ist usf., bis zu einem Endgebläse, das genügend kräftig ist, um mit dem oder
den Hauptverdichtern des Aggregates in einer der mit Bezug auf die Abb. 2 bis 5
beschriebenen Art verbunden zu werden.
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Diese Ausführungsform der Erfindung ist selbst für eine besondere
Anordnung geeignet, bei welcher das Anlassen durch ein Hilfsgasturbinenaggregat
erhalten wird, welches die erforderliche Leistung für den Antrieb des Anlaßventilators
des Hauptgasturbinenaggregates liefert.
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In Abb. 7 bezeichnet C den Verdichter dieses Hilfsaggregates, T seine
Turbine und R seine Verbrennungskammer. Das Ingangsetzen dieses Hilfsaggregates
selbst wird entweder in bekannter Weise mittels eines Zusatzmotors oder durch eine
der Anordnungen erreicht, die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bilden.
Der letztere Fall ist derjenige der
Abb.7, in der V2 ein Hilfsgebläse
bezeichnet, das auf die in Verbindung mit Abb. 4 beschriebene Art mit einem Hilfsverdichter
C verbunden ist.
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Wenn die erforderliche Leistung zum Anlassen eines Gasturbinenaggregates
von io ooo PS beispielsweise 500 PS ist, so wird die zum Anlassen dienende
Hilfsgasturbinengruppe eine Leistung von 500 PS haben, und um letztere selbst
anzulassen, genügt eine Leistung - von ungefähr 25 PS für das Hilfsgebläse V2. Das
Hilfsaggregat kann, nachdem das Anlassen des Hauptaggregats einmal erfolgt ist,
beispielsweise zum Antrieb von zum Hauptaggregat gehörigen Vorrichtungen dienen.
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Wenn eine Kraftanlage mehrere nebeneinander angeordnete Gasturbinenaggregate
aufweist, würde eine einzelne Hilfsgruppe genügen, um nacheinander das Anlassen
jedes der Gasturbinenaggregate mittels einer geeigneten Verteilungsrohrleitung zu
gewährleisten.