DE913719C

DE913719C - Method and device for operating gas turbines

Info

Publication number: DE913719C
Application number: DEP3960D
Authority: DE
Inventors: Hermann Papst
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1939-03-28
Filing date: 1939-03-28
Publication date: 1954-06-18

Description

Verfahren und Einrichtung zum Betrieb von Gasturbinen Man hat bisher bei Gasturbinen wegen der hohen Arbeitsverluste bei der Verdichtung und der Baustoffgrenzen unbefriedigende Wirkungsgrade erzielt. Die Erfindung betrifft die Verbesserung des Wirkungsgrades von Gasturbinenanlagen, insbesondere durch Entlastung der Maschinen von der Verdichtungsarbeit.Method and device for operating gas turbines in gas turbines because of the high work losses during compression and the limits of building materials unsatisfactory efficiencies achieved. The invention relates to improving the Efficiency of gas turbine systems, in particular by relieving the machines from the compression work.

Das Betriebsverfahren nach der Erfindung besteht darin, daß die Turbine mit einer größeren Entspannung als das Verdichterdruckgefälle arbeitet, wobei nach dieser Entspannung Wärme entzogen und die Austrittsenergie der Turbine danach in einem Diffusor die Rückverdichtung des Gases um das Differenzgefälle auf den Anfangsdruck des Prozesses bewirkt. Der Wärmeentzug geschieht dabei vorteilhaft vor dem Diffusor vor der Turbine, so daß diese mit mäßiger Temperatur ohne großen Luftüberschuß arbeitet und der Diffusor ein geringeres Volumen zu verdichten hat, wobei ein Arbeitsgewinn entsteht.The operating method according to the invention is that the turbine works with a greater relaxation than the compressor pressure gradient, with after heat is withdrawn from this relaxation and the exit energy of the turbine is then transferred into a diffuser to recompress the gas by the differential gradient to the initial pressure of the process. The heat extraction takes place advantageously in front of the diffuser in front of the turbine, so that it works at a moderate temperature without a large excess of air and the diffuser has a smaller volume to compress, with a gain in work arises.

Der Entzug der restlichen Rückverdichtungs-und Abwärme kanp in dem Diffusor mindestens in dessen Teil mit Unterschallgeschwindigkeit geschehen, indem er als Kühler oder als Wärmetauscher ausgebildet wird. Die damit gleichzeitig erzielte Senkung der Rückverdichtungsarbeit ergibt wie bei der isotherrnischen Verdichtung einen zusätzlichen Nutzarbeitsgewinn. Der Diffusorwärmetauscher arbeitet mit den ziemlich hohen Gasgeschwindigkeiten bei mäßigem Aufwand wirkungsvoll. Die Anlage ist daher auch gut ortsbeweglich ausführbar. Der Diffusor leistet den Unterdruckteil der Gesamtverdichtung unmittelbar aus der Austrittsenergie der Turbine mit nur einer einzigen Umformung bei sehr gutem Wirkungsgrad. Der Maschinensatz wird daher um die entsprechenden Leistungen bei der Turbine und dem Verdichter kleiner. Die Anordnung ist daher so lange vorteilhafter als die bisherigen, als der Diffusorwirkungsgrad das Produkt von Turbinen- und Verdichterwirkungsgrad übertrifft.The removal of the remaining recompression and waste heat can be done in the Diffuser done at least in its part at subsonic speed by it is designed as a cooler or as a heat exchanger. The one achieved at the same time A reduction in the work of recompression results in the same way as isothermal compression an additional gain in useful work. The diffuser heat exchanger works with the fairly high gas velocities with moderate effort. The attachment is therefore also easily portable. The diffuser does the negative pressure part of the total compression directly from the exit energy of the Turbine with only a single transformation with very good efficiency. The machine set is therefore smaller by the corresponding power in the turbine and the compressor. The arrangement is therefore more advantageous than the previous ones as long as the diffuser efficiency exceeds the product of turbine and compressor efficiency.

Man kann das Betriebsverfahren auch ohne einen eigentlichen Verdichter durchführen, wenn nur die gesamten Strömungswiderstandsverluste durch ein Hilfsgebläse gedeckt werden und wenn vor und im Diffusor die Abwärme weitgehend nutzbar entzogen wird.The operating procedure can also be carried out without an actual compressor perform if only the total drag losses through an auxiliary fan are covered and if in front of and in the diffuser the waste heat is largely usable will.

Eine weitere Verbesserung des effektiven Wirkungsgrades wird in Ergänzung der Erfindung durch die völlige betriebssichere Vermeidung der Wärmeverluste der Verbrennungskammer und der Düse erreicht, indem die Strahlung des Gasballes durch einen Wärmespiegelbelag aus Edelmetall zurückgeworfen wird, wobei der aufgenommene Strahlungswärmeanteil und auch der bisherige Ableitungsverlust durch den über die ganze poröse Wandfläche der Verbrennungskammerauskleidung eingeführten Luftstrom in die Brennzone ständig zurückgeführt wird. Der Strahlungsspiegel entlastet daher die poröse Wand weitgehendst vom Wärmeaustausch, während andererseits auch die überall eingeführte Luft noch bei hoher Vorwärmung für Rückgewinnung der Abwärme den Wärmespiegel auf mäßiger Temperatur und damit beständig erhält.A further improvement of the effective efficiency is in addition of the invention through the completely reliable avoidance of heat losses Combustion chamber and the nozzle reached by the radiation of the gas ball through a heat mirror coating made of precious metal is thrown back, the recorded Radiant heat share and also the previous dissipation loss through the the entire porous wall surface of the combustion chamber lining is constantly returned to the combustion zone. The radiation mirror therefore relieves the load the porous wall largely from heat exchange, while on the other hand also everywhere Introduced air still with high preheating for recovery of the waste heat the heat level maintained at a moderate temperature and thus consistently.

Berechnet man überschlägig die Temperaturerhöhung, die die Luft erfährt, die durch die porige Innenwand in die Brennkammer einströmt, so erkennt man die Notwendigkeit und Zweckmäßigkeit der Anbringung von Strahlungsspiegeln über die gesamte innere Oberfläche dieser Kammer. Während man bei Annahme einer inneren Oberfläche, die wie ein schwarzer Körper absorbieren würde, auf Temperaturen kommt, bei welchen ein Weich-@verden hochfeuerfester Massen und ein Ans:interrn von Asche zu befürchten ist, werden diese Temperaturen bei Anwendung von gut reflektierenden Spiegeln um die Größenordnung von einigen hundert Grad niedriger. Der trotz solcher hochwertiger Reflexion noch durch Wärmeleitung von innen nach außen gerichtete Abwärmestrom wird durch die entgegengesetzt einströmende frischeVerbrennungsluft weitgehend wieder in den Reaktionsraum zurückgeführt. Die gemeinsame Anwendung beider Mittel zur Wärmerückführung in die Brennkammer ergibt eine ausreichende und beständige Wirkung, zumal bei niedrigerer Temperatur das Durchgangsvolumen und die Strömungsverluste in den Poren viel kleiner werden.If you roughly calculate the temperature increase experienced by the air, which flows through the porous inner wall into the combustion chamber, you can see it Necessity and expediency of attaching radiation mirrors over the entire inner surface of this chamber. While assuming an inner surface, that would absorb like a black body, come to temperatures at which a soft @ verden of highly refractory masses and an answer to fear from ashes , these temperatures are around when using highly reflective mirrors the order of a few hundred degrees lower. Despite such high quality Reflection is still through heat conduction from the inside to the outside directed waste heat flow largely again due to the fresh combustion air flowing in in the opposite direction returned to the reaction chamber. The joint use of both means for heat recovery in the combustion chamber gives a sufficient and constant effect, especially with lower Temperature the passage volume and the flow losses in the pores are much smaller will.

Bei Anwendung einer nur einstufigen Turbine kann vor derselben noch ein weiterer Wärmeaustauscher nach voller Entspannung des Gases auf größte Geschwindigkeit vorgesehen werden. Hierbei ist jedoch die wärmeaufnehmende Fläche, etwa die der Schaufeln eines Gleichdruckleitrades vor dem Laufrad, sehr begrenzt, doch sind die Gasgeschwindigkeiten besonders hoch. Die Abgabe erfolgt daher über eine größere Außenfläche in die langsame Strömung, zweckmäßig mit einem für hohe Temperaturen geeigneten Zwischenmittel, etwa mittels einer Lithium- oder Natriumfüllung. Diese Wärmerückgewinnung kann auch bei Heißluftstrahltriebwerken nach Entspannung der auf volle erreichbare kinetische Energie beschleunigten Gase vorteilhaft angewendet werden.If only a single-stage turbine is used, the same can still be used Another heat exchanger after the gas has been fully expanded to maximum speed are provided. Here, however, is the heat-absorbing surface, such as the The blades of a constant pressure stator in front of the impeller are very limited, but they are Gas velocities particularly high. The levy is therefore carried out via a larger one Outside surface in the slow flow, useful with one for high temperatures suitable intermediate means, for example by means of a lithium or sodium filling. These Heat recovery can also be done with hot air jet engines after the relaxation of the Gases accelerated to the full attainable kinetic energy are advantageously used will.

Die Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung des neuen Betriebsverfahrens mitEntspannung über das Verdichterdruckverhältnis hinaus und Rückverdichtung nach der Turbine auf Anfangsspannung in einem Diffusor, welcher gleichzeitig als Wärmeaustauscher dient.The drawing shows a schematic representation of the new operating method with expansion beyond the compressor pressure ratio and recompression after the turbine on initial tension in a diffuser, which doubles as a heat exchanger serves.

Es bezeichnet i den Kesselmantel der Brennkammer, insbesondere für Gleichdruckverbrennung, 2 ist ein gewöhnlicher feuerfester Mantel in derselben, in welchem mit Abstand eine weitere Auskleidung3 mit einem innersten Wärmespiegelbelag4 mit Poren für die Lufteinführung eingesetzt ist. In den Innenraum 5 der Brennkammer erfolgt die Einblasung von festem Brennstoffstaub oder Öl oder Brenngas, z. B. mit einem injektorartigen, zwecks Wirbelung tangential gestellten Strahlapparat. Die Gase entweichen aus dem Brennkammerraum 5 durch eine Düse 7, die ebenfalls mit dem Wärmespiegelbelag versehen sein kann. Ein kleiner Teil der im Raum zwischen 2 und 3 eingeführten Frischluft kann als Trennschicht gegen die heißen Gase in etwa tangentialerRichtung über dieinnereDüsenwand 4 strömen, um die Beständigkeit dieser Wand zu sichern. Die Düse 7 setzt sich in dem bogenförmigen Kanal 8 mit Entaschungsschlitzen fort.It denotes i the boiler shell of the combustion chamber, especially for Equal pressure combustion, 2 is an ordinary refractory jacket in the same, in which at a distance another lining3 with an innermost heat mirror coating4 is inserted with pores for the introduction of air. In the interior 5 of the combustion chamber solid fuel dust or oil or fuel gas is blown in, e.g. B. with an injector-like jet device placed tangentially for the purpose of swirling. the Gases escape from the combustion chamber space 5 through a nozzle 7, which is also connected to the Heat mirror coating can be provided. A small part of the space between 2 and 3 fresh air introduced can act as a separating layer against the hot gases in an approximately tangential direction Flow over the inner nozzle wall 4 in order to ensure the durability of this wall. The nozzle 7 continues in the arcuate channel 8 with ash removal slots.

Daran kann sich ein feststehender Leitschaufelkranz 9 anschließen, welcher den Gasen in bekannter Weise eine günstige Richtung zu den Laufradschaufeln ii gibt, ohne jedoch eine Düsenwirkung auszuüben. Zum Schutze dieser Leitschaufeln 9, welche der vollen Stauwärme ausgesetzt wären, sind diese mit einem wirkungsvollenKühlmittel für hohe Temperaturen, etwa mit einer Lithium- oder Natriumfüllung versehen, welche den Wärmetransport in die äußeren, größeren Wärmeabgabeflächen io bewirkt. Die Füllung mit flüssigem Metall gestattet auch die Ausbildung der Leitschaufeln mit den für sehr hohe Gasgeschwindigkeiten erforderlichen schlanken Profilen.This can be followed by a stationary guide vane ring 9, which the gases in a known manner a favorable direction to the impeller blades ii gives, however, without exerting a nozzle effect. To protect these vanes 9, which would be exposed to the full accumulated heat, these are with an effective coolant for high temperatures, for example with a lithium or sodium filling, which causes the heat transport to the outer, larger heat dissipation surfaces io. The filling with liquid metal also allows the guide vanes to be formed with the for very high gas velocities required slim profiles.

An die zweckmäßig voll beaufschlagten Laufradschaufeln i i schließt sich der Diffusor 15 an, in welchen die Taschen 16 des Wärmeaustauschers für die Rückgewinnung der Abwärme hineinragen und ihn unterteilen. Der luftseitige Zulauf 17 zum Wärmetauscher ist mit dem Gebläse oder Verdichter 18 zweckmäßig über einen äußeren Hilfskessel i9 verbunden, welcher die Brennkammer i einschließt, um noch deren durch die vorgewärmte Luft bedingte Verlustwärme zurückzuführen.Closes to the expediently fully loaded impeller blades i i the diffuser 15, in which the pockets 16 of the heat exchanger for the Recover waste heat protrude and subdivide it. The air-side inlet 17 to the heat exchanger is useful with the fan or compressor 18 via a external auxiliary boiler i9 connected, which includes the combustion chamber i, to still their heat loss caused by the preheated air.

Der luftseitige Abfluß 2o des Wärmeaustauschers mündet gegebenenfalls über den weiteren Leitschaufelwärmeaustauscher io in den Zwischenraum zwischen den feuerfesten Wänden 2 und 3 der Verbrennungskammer i, wonach die Frischluft durch die Poren der Innenwand 3 und des Spiegelbelages q. in den Brennraum 5 eindringt. Die restliche Abwärme nach dem Wärmeaustauscher 16 kann noch zur Trocknung und Vorwärmung des Brennstoffes etwa in einem Drehrohr 2 1 dienen.The air-side outlet 2o of the heat exchanger opens, if necessary Via the further guide vane heat exchanger io into the space between the refractory walls 2 and 3 of the combustion chamber i, after which the fresh air passes through the pores of the inner wall 3 and the mirror covering q. penetrates into the combustion chamber 5. The remaining waste heat after the heat exchanger 16 can still be used for drying and preheating of the fuel are used in a rotary tube 2 1.

Bei Kohlenstaubbetrieb erfolgt eine Entaschung des Gasstrahles durch die Bogen- oder Drallführung der Gase in dem Kanal 8, so daß die ausgeschleuderten Ascheteilchen durch die Schlitze in die geschlossene Aschenkammer 22 hineinschießen, während die Gase nach Erzeugung des Gegendruckes in der Düsenbahn weiterströmen. Die Aschenkammer kann durch eine Drehschleuse 23 entleert werden.In the case of pulverized coal operation, ash is removed from the gas jet the arc or swirl guidance of the gases in the channel 8, so that the ejected Shoot ash particles through the slots into the closed ash chamber 22, while the gases continue to flow in the nozzle path after the counterpressure has been generated. The ash chamber can be emptied through a rotary lock 23.

Die Gefährdung der Turbinenschaufeln durch die Stauwärme ist in an sich bekannter Weise durch Einhüllung derselben in eine kühle Trennschicht vermeidbar. Das Anlassen kann daher ohne Gefahr für die Turbine mit gleichzeitiger Ingangsetzung der Verbrennung erfolgen, wobei ein nicht dargestellter Zünder, etwa in dem Strahlrohr 6, die Verbrennung in bekannter Weise lediglich einleitet. Die mitangeworfene oder von der Strömung des für sich angetriebenen Verdichters 18 in Gang gesetzte Turbine i i bewirkt dann sehr bald die Ausbildung einer Unterdruckströmung, so daß der Diffusor 15 zur Wirkung kommt, was von einer schwachen Drallströmung in bekannter Weise begünstigt wird.The risk to the turbine blades from the accumulated heat is on can be avoided in a known manner by wrapping the same in a cool separating layer. Starting can therefore be carried out without endangering the turbine and starting it up at the same time the combustion take place, with an igniter (not shown), for example in the jet pipe 6, which merely initiates combustion in a known manner. The thrown or the turbine set in motion by the flow of the compressor 18 which is driven by itself i i then very soon causes the formation of a negative pressure flow, so that the diffuser 15 comes into effect, which favors a weak swirl flow in a known manner will.

Die Regelung erfolgt am einfachsten durch Veränderung der Brennstoffmenge und gegebenenfalls noch durch Änderung des Verdichterdruckes und damit der Gasmenge.The easiest way to regulate this is to change the amount of fuel and possibly also by changing the compressor pressure and thus the amount of gas.

Es kann eine Regelung auch durch Änderung der Beaufschlagung erzielt werden, indem Teile des durch die Taschen 16 des Wärmeaustauschers unterteilten Diffusors 15 abgeschlossen oder geöffnet werden, was an dessen Ende etwa durch umlegbare Klappen an den Taschen 16 leicht durchgeführt werden kann. Die in Verlängerung der abgeschlossenen Taschen liegenden Teile der Turbine und der gegebenenfalls vor dieser angeordneten Leitschaufeln, welche als Düsenunterteilungen dienen, bleiben dann unwirksam. Bei Regelung mit veränderlicher Beaufschlagung kann das Druckverhältnis und auch der Luftüberschuß gleichgehalten werden. Die nach der Erfindung mit dem Diffusor nutzbar anwendbare große Austrittsgeschwindigkeit läßt eine einfachere Ausbildung der Turbinenschaufelung mit geringeren Verlusten zu. Die Turbine kann infolge des bei Unterdruck größeren Volumens mit voller Beaufschlagung und auch infolge der kleineren Dichte mit geringen Strömungsverlusten arbeiten, womit im allgemeinen ein guter Wirkungsgrad und hohe Umfangsgeschwindigkeit ermöglicht werden, so daß die Turbine leicht als einfache Geschwindigkeitsturbine ausgebildet werden kann.A regulation can also be achieved by changing the loading by closing or opening parts of the diffuser 1 5 subdivided by the pockets 1 6 of the heat exchanger, which can easily be carried out at its end, for example by folding flaps on the pockets 16. The parts of the turbine lying in the extension of the closed pockets and the guide vanes, which may be arranged in front of this and which serve as nozzle partitions, then remain ineffective. In the case of regulation with variable admission, the pressure ratio and also the excess air can be kept the same. The high exit velocity that can be used according to the invention with the diffuser allows a simpler design of the turbine blades with lower losses. The turbine can work with full admission due to the larger volume at negative pressure and also due to the lower density with low flow losses, which generally enables good efficiency and high peripheral speed, so that the turbine can easily be designed as a simple speed turbine.

Die Stautemperatur an den Schaufeln bleibt bei der Überentspannung mehr hinter der Ursprungstemperatur zurück als bei einem kleineren Druckgefälle. Daher sind höhere Temperaturen anwendbar, was den Wirkungsgrad begünstigt. Die infolge der größeren Entspannung erzielte Senkung der eigentlichen Gastemperatur kommt vornehmlich den rückwärtigen Schaufelteilen zugute, während die Stauhitze an den Schaufelvorderkanten durch eine ausströmende kühle Trennschicht unschädlich gemacht werden kann.The accumulation temperature on the blades remains with the over-relaxation behind the original temperature more than with a smaller pressure gradient. Therefore, higher temperatures can be used, which favors the efficiency. The result The lowering of the actual gas temperature achieved by the greater relaxation comes primarily the rear vane parts benefit, while the accumulated heat at the vane leading edges can be rendered harmless by a cool separating layer flowing out.

Der Wärmeentzug im Wärmetauscher vor der mit voller Gasgeschwindigkeit beaufschlagten Turbine und die mittels der Überentspannung zusätzlich erzielte Absenkung der Stautemperatur gestatten die Anwendung eines noch größeren Temperaturverhältnisses und Betrieb mit weniger Luftüberschuß. Dies bedeutet eine stärkere Wärmebelastung des Gasdurchsatzes, dessen Verkleinerung und damit die aller ebenfalls davon berührten Teile der Anlage, insbesondere auch der Wärmetauscher.The heat extraction in the heat exchanger before the full gas velocity acted upon turbine and the additional lowering achieved by means of the over-expansion the damming temperature allow an even greater temperature ratio to be used and operation with less excess air. This means a greater thermal load the gas throughput, its reduction and thus that of all also affected by it Parts of the system, especially the heat exchanger.

Der Wärmetauscher vor der Turbine bewirkt durch die Verkleinerung des Gasvolumens auch eine Herabsetzung der vom Diffusor nach der Turbine zu leistenden Verdichtungsarbeit und damit einen im Geschwindigkeitsgefälle der Turbine nützlichen Arbeitsgewinn. Der Wärmeentzug vor dem Diffusor oder der Turbine bewirkt also eine Entlastung des Maschinensatzes von Verdichtungsarbeit.The heat exchanger in front of the turbine causes the downsizing of the gas volume also means a reduction in the amount to be provided by the diffuser after the turbine Compression work and thus useful in the speed gradient of the turbine Labor gain. The extraction of heat in front of the diffuser or the turbine thus causes a Relief of the machine set from compaction work.

Die Wiederverdichtungswärme des Diffusors wird in dem damit vereinigten Wärmeaustauscher gleichzeitig mit der übrigen Abwärme in den Prozeß weitgehend nutzbar zurückgeführt. Zusätzliche Verluste lassen den Wärmeaustauscher mehr Wärme zurückführen als ohne dieselben und verbessern darum dessen Wirkung erheblich.The recompression heat of the diffuser is combined with it in the Heat exchanger largely usable in the process at the same time as the remaining waste heat returned. Additional losses allow the heat exchanger to return more heat than without them and therefore improve its effect considerably.

Der wirtschaftliche Wirkungsgrad der beschriebenen Anordnungen wird durch die bessere Wärmetauscherwirkung, den beim Wärmeentzug entstehenden Arbeitsgewinn im für die Turbine verfügbaren Gefälleteil, die nahezu wärmeverlustfreie Brennkammer und besonders durch Ersparnis an Verdichterleistung des Maschinensatzes verbessert. Ein wichtiger Vorteil ist die durch die Entlastung des Verdichters mittels des Diffusors und des Wärmeentzuges erzielte Verkleinerung der Maschinenanlage.The economic efficiency of the arrangements described will due to the better heat exchanger effect, the gain in work resulting from the extraction of heat in the part of the slope available for the turbine, the combustion chamber, which is almost free of heat loss and especially improved by saving on the compressor output of the machine set. An important advantage is the relief of the compressor by means of the diffuser and the reduction in the size of the machinery achieved by heat extraction.

Der auf die beschriebene Weise mit kleineren Verdichtermaschinen erzielte Unterdruckbetrieb der Turbine ermöglicht auch kleine ortsbewegliche Anlagen etwa für Fahr- und Flugzeuge, wobei der geringere Aufwand am Maschinensatz und für die Abwärmerückführung besonders günstig ist.The one achieved in the manner described with smaller compressor machines Vacuum operation of the turbine also enables small, portable systems, for example for vehicles and airplanes, with the lower expenditure on the machine set and for the Waste heat recovery is particularly favorable.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Operating method for gas turbines, characterized in that the turbine works with a greater expansion than the compressor pressure gradient, with heat being extracted after the expansion and the exit energy after the turbine in a diffuser causes the propellant gases to be recompressed by the differential gradient to the initial pressure. z. Operating method for gas turbines according to Claim i, characterized in that heat is extracted from the propellant gases upstream of the turbine and the diffuser. 3. Operating method for gas turbines according to claim i, characterized in that heat is withdrawn from the propellant gases in the diffuser for as little recompression work as possible. q .. Gas turbine for carrying out the method according to claim i, characterized in that a heat exchanger is arranged in front of the turbine after full expansion of the propellant gases, the heat thereof optionally via an intermediate filling with good thermal conductivity at high temperatures, such as. B. Li or Na, is transferred to the gas to be preheated over a larger wall area. 5. Gas turbine for performing the method according to claim i, characterized in that the diffuser is designed as a heat exchanger. 6. Gas turbine, especially for performing the method according to claim i, characterized in that the inner wall of the combustion chamber and the expansion nozzle is covered with heat mirror metal, in particular noble metals, the fresh air into the combustion chamber through its fine-pored wall with the likewise porous metal coating over the whole inner surface is blown in, so that heat losses are suppressed and the wall is kept so cool by the low radiation absorption and the fresh air blown in through the pores that the heat reflective metal remains stable, with non-porous wall parts against the hot propellant gases from one in on , are supported in a known manner along the wall flowing cool separating layer.