-
Gasturbinenanlage Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage
für stark veränderlichen Betrieb, die besonders für Antriebssysteme, z. B. für Fahrzeuge
mit Eigenantrieb, und vor allem für Schiffsantriebssysteme geeignet ist.
-
Für das Arbeiten der Antriebsmaschinen von Kriegsschiffen besteht
bekanntlich die Forderung, daß sie sowohl einen Betrieb für normale Fahrt als auch
einen solchen für sehr hohe Fahrt während des Kampfeinsatzes zulassen.
-
Das Verhältnis der Kraft bei diesen unterschiedlichen Betriebszuständen
kann je nach. der Art des Schiffes verschieden sein, jedoch liegen insbesondere
bei Geleitschutzschiffen die für diese beiden Betriebszustände verlangten Geschwindigkeiten
beispielsweise bei 15 und 3o Knoten. Die verlangten Geschwindigkeitsänderungen führen
dazu, Antriebssysteme vorzusehen, die fähig sind, einerseits die für den Normalbetrieb
benötigte Kraft in wirtschaftlicher Weise abzugeben und andererseits eine etwa zehnmal
größere Kraft für den Spitzenbetrieb während des Kampfeinsatzes zu liefern, die
nur ausnahmsweise benötigt wird, ohne daß es notwendig ist, sie auf Kosten einer
ebenfalls erhöhten Leistung zu erhalten.
-
Zur Anpassung eines Gasturbinensystems an die Änderungen der Betriebsbedingungen
sind bereits verschiedene Ausgleiehseinrichtungen vorgeschlagen worden.
-
Es sind auch Gasturbinenanlagen bekannt, die eine Anpassung des Systems
zur Erzielung guter
Wirkungsgrade bei geringen Belastungen zulassen.
-
Gemäß der Erfindung wird eine Gasturbinenanlage, welche die beiden
obenerwähnten Antriebsbedingungen bei Kriegs- und anderen Schiffen in bester Weise
zu erzielen gestattet, dadurch geschaffen, daß sie eine Antriebsgruppe für Normalbetrieb
und eine Gruppe für den Überlastbetrieb umfaßt, die von der Antriebsgruppe mechanisch
unabhängig ist und im Spitzenbetrieb zum Aufladen dieser Antriebsgruppe dient.
-
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung an mehreren Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Abb. i zeigt in schematischer Form eine Anlage einfacher Art; Abb.2
und 3 sind graphische Darstellungen, welche die Besonderheiten der Erfindung veranschaulichen;
Abb.4 zeigt schematisch eine vollständigere Ausführungsform einer Antriebsanlage
gemäß der Erfindung; Abb.5 ist eine abgeänderte Ausführungsform der Anlage nach
Abb. q.; Abb. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, die keiner zusätzlichen Zündung
bedarf, um in den Spitzenbetrieb zu gelangen.
-
Aus den schematischen Abb. 1, q. und 6 geht hervor, daß bei den Anlagen
zwei Turbinen-Verdichter-Gruppen vorgesehen sind; eine erste Gruppe, die im Normalbetrieb
allein wirksam ist, und eine zweite Gruppe, welche während des Spitzenbetriebes
die erste Gruppe aufladet.
-
Bei der in Abb. i wiedergegebenen Anlage umfaßt die erste Gruppe einen
Verdichter a und eine mechanisch mit ihm verbundene Turbine b. Die von dem Verdichter
a aus einer Leitung i angesaugte Luft wird von dem Verdichter in eine @"erbrennungskammer
2 gedrückt. Das die Verbrennungskammer 2 verlassende Gasgemisch speist sowohl die
Turbine b als auch eine mit ihr in Reihe geschaltete, aber mit ihr nicht in mechanischer
Verbindung stehende Turbine c. Die Gase entweichen aus der Turbine c durch die Leitung
io. Die Turbine c treibt über ein z. B. von Zahnrädern gebildetes Reduktionsgetriebe
4 ein die Kraft aufnehmendes Organ, beispielsweise eine Schiffsschraube 3, an. Die
Ansaugleitung i enthält ein Rückschlagventil 7. Für die aus Verdichter a und Turbine
b bestehende Gruppe ist ein Anlasser i i vorgesehen.
-
Die die Aufladung der ersten Gruppe bewirkende zweite Gruppe weist
einen Verdichter d auf, welcher bei 5 Luft ansaugt und sie in eine Verbrennungskammer
8 drückt. Das aus der Verbrennungskammer 8 austretende Gasgemisch speist eine Turbine
e, welche den Verdichter d antreibt. Die Gase entweichen aus der Turbine
e bei 9. Ein Anlasser 12 kann die Turbine e antreiben.
-
Eine durch eine Kühlvorrichtung 15 hindurchgehende Abzweigleitung
verbindet eine Zwischenstufe 6 des Verdichters d mit der Ansaugleitung des Verdichters
a. Ferner verbindet eine einen Sperrschieber v1 enthaltende Abzweigleitung eine
Zwischenstufe 16 der Turbine e mit der die Turbine c speisenden Leitung. Weiterhin
verbindet eine einen Sperrschieber v2 enthaltende Abzweigleitung eine Zwischenstufe
13 der Turbine c mit einer niederen Entspannungsstufe 14 der Turbine e.
-
Der besseren Übersichtlichkeit halber ist angenommen, daß die Schraube
3 eine solche mit umkehrbarer Steigung ist, und es ist daher keine besondere Turbine
für Rückwärtsfahrt vorgesehen. Es ist jedoch ersichtlich, daß eine solche Turbine
in die Anlage gemäß der Erfindung eingeschlossen sein könnte.
-
Die aus dem Verdichter d und den Turbinen b und c bestehende Gruppe
liefert für sich allein den Antrieb im normalen Betrieb.
-
Beim Übergang in den Spitzenbetrieb tritt die zweite, aus dem Verdichter
d und der Turbine e bestehende Gruppe in Wirkung. Der Verdichter d drückt einen
Teil der bei 5 angesaugten Luft aus seiner Zwischenverdichtungsstufe 6 in den Verdichter
a und tritt so an die Stelle der normalen Ansaugleitung i des Verdichters a, die
dann. durch das Rückschlagventil 7 abgeschlossen wird. Der Verdichter a wird auf
diese Weise von dem Verdichter d aufgeladen, d. h. er erfährt eine Überspeisung.
-
Wird so die Gruppe a, b, c durch die Gruppe d, e
aufgeladen,
dann würde am Ausgang der Turbine c ein dem Aufladeverhältnis entsprechender Gegendruck
zu erzeugen sein, damit die Gruppe a, b, c
mit Abgabevolumen und Verdichtungs-
und Entspannungsverhältnissen arbeiten kann, die denjenigen des ohne Aufladung vor
sich gehenden Betriebes äquivalent sind, wobei die Geschwindigkeiten und die Temperaturen
theoretisch dieselben bleiben, besonders wenn zwischen den Verdichtern d und a eine
Kühlvorrichtung 15 vorgesehen ist.
-
Da dieser Gegendruck tatsächlich nicht erzeugt wird, ist es erforderlich,
vor der Turbine c eine komplementäre Abgabe vorzusehen, um die Erhöhung der Entspannung
in dieser Turbine c auszugleichen und um am Ausgang der Turbine b den Druck aufrechtzuerhalten,
der ihrem Entspannungsverhältnis entspricht, d. h. den Druck, welcher die Verdichtungs-
und Entspannungsverhältnisse der Gruppe d, b aufrechtzuerhalten gestattet,
die denjenigen des ohne Aufladung vor sich gehenden Betriebes äquivalent sind. Die
hierfür nötige Zufuhr wird der Turbine e bei 16 entnommen.
-
Die Umlaufgeschwindigkeit der Gruppe a, b
wird so im wesentlichen
beibehalten, während das Komplement der Entspannung und demzufolge die Strömungsgeschwindigkeiten:
.in der Turbine c sich dann der Erhöhung der Umlaufgeschwindigkeit der Schraube
3 angleichen.
-
Es ist jedoch zu. beachten, daß bei dem Ausmaß der Aufladung, welches
ein Verhältnis der Kräfte von i : io zu erzielen gestattet, dieAbgabevolumen am
Auslag der Turbine c zu hoch werden würden und den guten Wirkungsgrad dieser Maschine
beeinträchtigen könnten. Aus diesem Grund wird
die Erhöhung der
Zufuhr -am Eingang der Turbine c durch eine Entnahme aus einer Zwischenstufe bei
13 dieser Turbine ausgeglichen, wobei das entnommene Volumen in eine Zwischenstufe
14 der Turbine e eingeführt wird. Der Hauptteil des Druckabfalles bei mit Au,fladung
vor sich gehendem Betrieb erfolgt somit in höheren Stufen der Turbine e, und dadurch
wird die Ansammlung von Gasen, «-elche diese Turbine in den höheren Stufen abbremsen
könnten, vermieden; der Restdruck dieser Gase wird nutzbringend in den. Turbinen
c und e verwendet.
-
Die Regelung der in vorstehend beschriebener Weise bewirkten Zufuhr
und Entnahme erfolgt mit Hilfe der Schieber- oder Drosselventile v, und v2.
-
Die Entnahmestellen an den Turbinen c und e sind in solcher Weise
gewählt, daß der durch diese Regelvorgänge entstehende Energieverlust, hauptsächlich
mit Rücksicht auf die großen Unterschiede der Betriebsbedingungen, denen die Turbine
c unterliegt, deren Wirkungsgrad nur für einen ganz bestimmten Einzelbetrieb ein
Optimum ist, bei mit Aufladung vor sich gehendem Betrieb auf einen kleinsten Wert
herabgesetzt wird.
-
Es ist andererseits zu beachten, daß der Verdichter d einen Druck
liefern muß, der höher ist als der Druck am - Auslaßende der Turbine b während des
Spitzenbetriebes.
-
Die Gruppe d, e ist natürlich so auszubilden, daß der Entnahme
von Luft bei 6 und der Entnahme von Gas bei 16 sowie der Zufuhr von Gas bei 14 Rechnung
getragen wird.
-
Abb. 2 veranschaulicht den durch. die neue Anordnung theoretisch erzielbaren
Vorteil. In dieser graphischen Darstellung ist auf der Abszisse die Länge L des
Entspannungsraumes der Turbine c aufgetragen, während auf der Ordinate die Abgabevolumen
V aufgetragen sind.
-
Die Kurve k stellt das Abgabevolumen der Turbine c im Normalbetrieb
dar, während die Kurve l das während des Spitzenbetriebes verlangte Abgabevolumen
wiedergibt.
-
Wenn die Umlaufgeschwindigkeit von dem einfachen Wert auf den doppelten
Wert übergeht, dann ist es erforderlich, um die Leistung aufrechtzuerhalten und
um die Anpassung der Geschwindigkeitsdreiecke in jeder Entspannungsstufe der Turbine
c zu gewährleisten, daß die Werte der Kurve I genau das Doppelte von den Werten
der Kurve k an jeder Stelle des Entspannungsraumes der Turbine c sind.
-
Unter dem am Ausgang der Turbine b herrschenden Zustand würden ohne
besondere Maßnahmen für die Zufuhr und die Entnahme während des mit Aufladung erfolgenden
Betriebes die Abgabevolumen der Turbine c praktisch denjenigen der Kurve m entsprechen.
-
Auf Grund der Zufuhr n in den Eingang der Turbine c und der Entnahme
o aus einer Zwischenstufe der Turbine c verläuft die Kurve der Abgabevolumen zwischen
den Punkten 31, 32, 33, 34 und nähert sich so der idealen Kurve 1. Es können natürlich
auch mehrere Zwischenentnahmen erfolgen, und es wird dann die in Abb. 3 wiedergegebene
Kurve erhalten. In diesem Fall ist zwar die Zufuhr größer, jedoch nähert sich die
Kurve 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42 der idealen Kurve noch genauer.
-
Die Erfindung läßt sich auch anwenden, wenn die Verdichter und Turbinen
aus mehreren Teilen mit zwischengeschalteten Kühlvorrichtungen und Aufheizvorrichtungen
bestehen. In Abb.4 ist ein Ausführungsbeispiel einer solchen Anlage wiedergegeben.
-
Der Verdichter a besteht hier aus zwei Teilen, nämlich den Verdichtern
a1 und a2 mit zwischengefügter Kühlvorrichtung 17. Wie bei der Anordnung nach Abb.
i ist zwischen den Verdichtern dl und a1 eine Kühlvorrichtung 15 angeordnet. Die
Turbine e besteht gleichfalls aus zwei Teilen, nämlich den Turbinen ei und e2, wobei
die Turbine e2 den Verdichter dl und die Turbine ei die Verdichter d2 und d3 antreibt.
-
In der Antriebsgruppe ist außer der Verbrennungskammer 2 noch eine
Aufheizvorrichtung 18 vor der Turbine c vorgesehen. Im Spitzenbetrieb erfolgt eine
zusätzliche Zufuhr durch eine mittels des Ventils vi regelbare Leitung i9. Es finden
zwei Entnahmen aus Zwischenstufen der Turbine c durch die Leitungen 21 und 20 statt,
wobei die zu entnehmenden Mengen durch in die Entnahmeleitungen eingeschaltete Absperrventilev2
bzw. v3 geregelt werden.
-
Die erste Entnahmeleitung 21 ist mit dem Eingang der Turbine e2 und
die nveite Entnahmeleitung 20 mit einer Zwischenstufe der gleichen Turbine verbunden.
-
Bei dieser Anlage ist außerdem ein Wärmeaustauscher 22 für die Abgase
der Turbine c vorgesehen. Dieser Wärmeaustauscher ist von besonderem Nutzen während
des Normalbetriebes. Während des Spitzenbetriebes kann der Wärmeaustauscher 22 zur
Vermeidung einer Erhöhung der Belastungsverluste durch Nebenleitungen 23 und 24
überbrückt werden, die in dem Luftkreis bzw. dem Gaskreis angeordnet sind. Wie in
dem Beispiel mach Abb. i sind auch hier Anlasser i i und 12 sowie ein Rückschlagve.ntil
7 in der Luftansaugleitung i des Verdichters a1 vorgesehen.
-
Es ist auch in diesem Fall eine über ein Zahnräderreduktionsgetriebe
4 angetriebene Schraube 3 mit umkehrbarer Steigung an Stelle einer Turbine für Rückwärtsfahrt
vorgesehen, wobei jedoch diese Vorrichtungen nicht zur Erfindung gehören.
-
Es ist ersichtlich, daß, wenn der von dem Verdichter d3 gelieferte
Druck köher ist als der Druck am Ausgang der Turbine b, die Zufuhr in den Eingang
der Turbine c durch eine .Entnahme aus einer Zwischenstufe der Turbine ei oder e2
erfolgen kann.
-
In Abb.5 ist als Abänderung von Abb.4 eine Anlage wiedergegeben, bei
welcher für die Zufuhr, die vor der Turbine c erfolgt, und für die Entnahme, die
in einer Zwischenstufe des Entspannungsweges in der Turbine c erfolgt, eine
kleine
zusätzliche Gruppe vorgesehen ist, die unabhängig von den Auflladegruppen dl, e2
und
d2, ei ist.
-
Diese zusätzliche Gruppe besteht aus einer Turbine g, die allein die
der Turbine c entnommenen Gase aufnimmt, und aus einem von dieser Turbine g angetriebenen
Verdichter f, der in gewissen Fällen den ganzen Rest (Abgabedruck) an die Turbine
c liefern. kann oder in anderen Fällen gestattet, den Druck einer aus einer geeigneten
Zwischenstufe des Verdichters dl entnommenen Luftmenge auf den gewünschten Wert
zu erhöhen.
-
Bei dem in Abb.5 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel ist zusätzlich
zu dem in Abb. i dargestellten Prinzipschema eine Aufheizvorrichtung i8 zwischen
den Turbinen b und c, ein Wärmeaustauscher 22 mit Überbrückungsleitungen 23 und
24 in den Luft- und Gaskreisen (wie in Abb. 4) und ferner eine Auf ladegruppe vorgesehen,
die derjenigen von Abb.4 mit der Ausnahme analog ist, daß die gesamte Verdichtung
des in dieser Aufladegruppe strömenden Mediums durch den einzigen Verdichter dz
erfolgt.
-
Die größere mechanische Komplizierung dieser Anlage (auf Grund der
zusätzlichen Gruppe aus Verdichter f und Turbine g) wird durch eine bessere Trennung
der Funktionen aufgehoben, die das Inbetriebsetzen und den Betrieb bei Langsamfahrt
erleichtert. Es besteht keine mechanische Verbindung zwischen der Gruppe
a, b, c und den Aufladegruppen f, g bzw. dl, e2 und ei, d2.
-
Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß es zur Anpassung der die Schraube
3 antreibenden Turbine c an den Normal- und Spitzenbetrieb durch Regeln der Abgabevolumen,
d. h. der Strömungsgeschwindigkeiten in den Rohren entsprechend der Umlaufgeschwindigkeit
der Turbine c in gewissen Fällen erforderlich ist, das Abgabevolumen zu vergrößern,
welches aus der Turbine b des Verdichters a heraustritt und in die Hauptturbine
c eintritt, wenn die auf der Schraube liegende Belastung wächst. Dies wird durch
eine Zufuhr von Antriebsmittel vor dieser Turbine c bewirkt, jedoch kann diese relative
Erhöhung des Abgabevolumens auch dadurch erhalten werden, daß ein Druckabfall zwischen
den genannten Turbinen herbeigeführt wird, wobei die durch diesen Druckabfall frei
werdende Energie zum Antrieb des Aufladeverdichters benutzt wird.
-
Abb. 6 gibt als Beispiel eine. Anlage wieder, die der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform entspricht. a ist der Hauptverdichter, b die ihn antreibende Turbine,
c die auf die Schraube einwirkende Turbine und d der Aufladeverdichter, der von
den Turbinen ei und e2 angetrieben wird.
-
Die Anlage wird vervollständigt durch die Verbrennungskammern 2 und
18, den Wärmeaustauscher 22, eine Kühlvorrichtung 15 hinter dem Verdichter d und
einen Anlasser i i.
-
Es kann auch ein zusätzliches Antriebsorgan 27 vorgesehen sein, um
ein unzureichendes Arbeiten der Turbinen ei und e2 unter gewissen Betriebsbedingungen
auszugleichen. Die Anlage enthält außerdem ein Rückschlagventil 7 in der Ansaugleitung
z des Verdichters a, eine Wählervorrichtung 25, um den Gasstrom entweder in die
Turbine ei oder unmittelbar in die Verbrennungskammer 18 gehen zu lassen, und ein
Drosselventil v2, welches die erforderliche Gasmenge aus einer Zwischenstufe der
Turbine c zur Speisung der Turbine e2 zu entnehmen gestattet.
-
Die durch den Wärmeaustauscher 22 hindurchgehenden Luftkreisrohre
können durch Öffnen der Drosselklappe 23 überbrückt werden, wobei dann die Abgase
der Turbine c unmittelbar in die Außenluft durch Öffnen des Drosselvenbils 24 geführt
werden.
-
Wie in den oben beschriebenen Beispielen ist auch hier angenommen,
daß die Schraube 3 mit umkehrbarer Steigung ausgebildet ist und daß das Geschwindigkeitsreduziergetriebe
4 keinerlei besondere Organe für die Rückwärtsfahrt aufweist. Es ist keine Rückwärtsturbine
vorgesehen, jedoch kann eine solche bei einer Anlage gemäß der Erfindung vorhanden
sein, bei der es sich um die Anpassung der durch die Hauptturbine hindurchgehenden
Abgabevolumen an die Umlaufgeschwindigkeiten handelt, die praktisch von dem einfachen
auf den doppelten Wert zwischen dem Normalbetrieb und,dem Spitzenbetrieb übergehen.
-
Es ist außerdem zu bemerken, daß die Speisung der Turbine ei auch
hinter der Verbrennungskammer 18 erfolgen könnte und daß die Turbine e2 durch mehrere
der Turbine c aufeinanderfolgend entnommene Volumen gespeist werden könnte.
-
Bei der vorstehend beschriebenen Anlage wird der Normalbetrieb durch
Speisen der Turbine c erhalten, wobei der Verdichter a von der Turbine b angetrieben
wird. Die beiden Verbrennungskammern 2 und 18 sind im Betrieb, das Wählerorgan 25
läßt den Gasstrom aus der Turbine b unmittelbar in, die Verbrennungskammer 18 eintreten,
und das Absperrventil v2 ist, wie auch die Drosselklappen 23 und 24, geschlossen.
-
Im mit Aufladung vor sich gehenden Betrieb läßt das Wählerorgan 25
die Gase teilweise oder ganz in die Turbine ei eintreten, während das Absperrventil
v2 teilweise oder ganz geöffnet ist.
-
Zur besten Ausnutzung der Kraft, die sich ohne Einbuße an Wirtschaftlichkeit
erzielen läßt, wird der Wärmeaustauscher 22 durch öffnen der Drosselklappen 23 und
24 überbrückt. Das Rückschlagventil 7 wird durch den Druck des Verdichters d geschlossen
gehalten.
-
Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, wird der Übergang von dem einen
Betriebszustand in den anderen lediglich durch Erhöhen der Brennstoffzufuhr zu den
Verbrennungskammern und durch Betätigen der in den verschiedenen Kreisen angeordneten
Trenn- oder Absperrorgane erzielt. In beiden Fällen bleiben die beiden Verbrennungskammern
in Tätigkeit, und alle Zwischenbetriebsstufen werden durch Regeln der Brennstoffzufuhr
zu den beiden Kammern und durch Regeln der Organe a5 und v2 erhalten.
Die
Turbinen ei und e2 können natürlich eine verschiedene relative Größe haben, und
in gewissen Sonderfällen kann die eine oder die andere Turbine in Fortfall kommen.
-
Eine der wesentlichen Besonderheiten der Erfindung liegt in der mechanischen
Unabhängigkeit der Antriebsturbine c von der aus Turbine b und Verdichter a bestehenden
Gruppe, welche die Turbine c im Normalbetrieb speist, sowie in der mechanischen
Unabhängigkeit der vorgenannten Turbinen-Verdichter-Gruppe von den verschiedenen
beschriebenen Auflademaschinen.
-
Die Mittel zum Steuern der Regelventile und Drosselklappen und die
Vorrichtungen zum Abschließen oder Auswählen der verschiedenen Wege für die Zufuhr-
und Entnahmevolumen sind in den Zeichnungen nicht dargestellt. Sie können von beliebiger
bekannter Art sein und von Hand gesteuert werden oder mit einem Steuersystem verbunden
sein. Die dargestellten und beschriebenen Einrichtungen können im Rahmen der Erfindung
beliebig abgeändert und durch technische Äquivalente ersetzt werden.