Gasturbinenaggregat. Gasturbinen sind bereits bekannt, bei denen die Beschaufelung in zwei oder mehr in demselben Turbinengehäuse angeordnete und auf .derselben Welle angebrachte Schau felsysteme aufgeteilt ist. Auch ist bereits vorgeschlagen, das sich unter hohem Druck befindliche Treibmittel mittelst in ihm er folgender Verbrennung von in flüssiger oder anderer Form zugeführtem Brennstoff zu erwärmen.
Ferner ist schon vorgeschlagen, das Treibmittel nach Durchströmung eines Teils -der in .einem einzigen Gehäuse befind lichen Beschaufelung wieder zu erwärmen, und zwar durch Zufuhr von Brennstoff und Luft, welche in dem Raum zwischen den ver schiedenen Schaufelsystemen der Beschaufe- lung verbrennen und somit das Treibmittel erwärmen, ehe es in die Schaufelringe des nächstfolgenden Schaufelsystems strömt.
Bei derartigen Gasturbinen, insbesondere solchen, bei denen die Beschaufelung nach dem Aktionsprinzip ausgeführt ist, sind ver schiedene Nachteile aufgetreten, die die prak- tische Verwendung einer solchen Turbine un möglich gemacht haben. Um das verdichtete Treibmittel in der geeignetsten Weise aus nützen zu können, wurde es auf sehr hohe. .die Wärmebeständigkeit der Schaufelsysteme der Turbine gefährdende Temperaturen er wärmt.
Das hierbei angewendete Verfahren zur Erwärmung des Treibmittels hatte be deutend höhere Temperaturen als die berech neten zur Folge, da die Wiedererwärmung innerhalb des die Beschaufelung umgeben den, gemeinsamen Turbinengehäuses statt fand, und zwar in unmittelbarer Nähe des nächstfolgenden Schaufelsystems. Die Ver brennung hatte somit unter unvollständiger Mischung stattgefunden, @so .dass ein Teil des Treibmittels auf bedeutend höhere Tempera turen als die berechneten erwärmt wurde. während der andere Teil niedrigere Tempe raturen als die berechneten erhielt.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Radialschaufelsysteme aufweisendes Gastur binenaggregat mit mehrstufiger Verbrennung und wird dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Radialschaufelsysteme mehrstufig und in getrennten Gehäusen angeordnet sind, denen die Verbrennungskammern vor geschaltet sind. Bei einem derartigen Gas turbinenaggregat kann die Anlassleitung je der einzelnen Radialturbine mit einer Ver brennungskammer in Verbindung stehen, und wenigstens zwei Radialturbinen des Aggre gates können für dieselbe Anfangstemperatur des Treibmittels ausgeführt werden.
Auf der Zeichnung sind einige beispiels weise Ausführungsformen des Erfindungs gegenstandes schematisch idargestellt. Es zeigt: Fig. 1 ein zwei Radialschaufelsysteme aufweisendes Ausführungsbeispiel, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel mit Kom pressoren zum Verdichten des Treibmittels, und Fig. 3 ein ,drittes Ausführungsbeispiel. In Fig. 1 bezeichnen 1 und 2 eine Hoch druck- und eine Niederdruckturbine mit den Gehäusen 3 und 4.
Diese Turbinen 1 und 2 sind in getrennten Gehäusen angeordnet und auf derselben Welle 5 angebracht wie ein elektrischer Generator 6. Die Hochdrucktur bine 1 erhält ihr Treibmittel durch eine An lassleitung 7. Diese Anlassleitung verbindet das Innere 8 der Turbine mit einer Verbren nungskammer 9 für das Treibmittel. Durch die Leitung 10 wird der Verbrennungskam mer 9 zum Beispiel Luft unter Druck zu geführt.
Durch eine Rohrleitung 11 wird der Kammer 9 auch noch ein Brennstoff, zum Beispiel in flüssiger Form, kontinuierlich zu geführt, der innerhalb der Kammer 9 in dem durch die Leitung 10 zugeführten Luftstrom verbrennt. Die Wände der Kammer können doppelt ausgeführt werden, um einen Kühl mantel zu bilden, durch welchen Wasser strömt. Das Wasser hält somit die Kammer auf einer für die Wärmebeständigkeit des Materials geeigneten Temperatur und wird hierbei erwärmt.
Die Wärme dieses Wassers kann dann einer Turbine dadurch zugeführt werden, dass es zum Einspritzen in das Treibmittel verwendet wird.
Das Treibmittel, das aus der Verbren nungskammer austritt, wird hierbei nur auf eine so hohe Temperatur gebracht, wie es die Wärmebeständigkeit der Beschaufelung der Turbine 1 zulä.sst, zum Beispiel auf ,500 bis 700 0. Die Beschaufelung dieser Turbine besteht aus einem mehrstufigen Radial schaufelsystem. Bei dieser Erwärmung in der Kammer 9 steigt die Temperatur, aber nicht der Druck. Die Regelung der Erwär mung erfolgt durch Zufuhr von Brennstoff in einer Menge, die zur Erzielung der ge nannten Temperatur erforderlich ist.
Für niedrigere, geringere Anfangstemperaturen bedingende Belastungen wird entsprechend dieser Temperaturen weniger Brennstoff menge zugeführt. Die Verbrennung erfolgt mit grossem Luftüberschuss. Das in den zen tralen Raum 8 der Hochdruckturbine ein tretende Treibmittel enthält somit ausser den bei der Erwärmung entstandenen Gasen auch unverbrannte Luft. Unter Expansion strömt dieses Treibmittel in radialer Richtung durch die Turbine 1.
Durch die Leitung 12 wird das Treibmittel fortgeleitet und dann einer zweiten Verbrennungskammer 13 zugeführt, die gleich beschaffen ist wie die erstgenannte und in der das Treibmittel wieder erwärmt wird, zum Beispiel auf die gleiche Tempera tur, auf die es in der Kammer 9 erwärmt wurde. Auch in diesem Falle erfolgt die Wiedererwärmung durch eine innere, im Treibmittel stattfindende Verbrennung von durch eine Leitung 14 zugeführtem Brenn stoff.
Da die Verbrennung in der Kammer 9 unter grossem Luftüberschuss vorsichging, enthält das Treibmittel bei Durchströmung der Kammer 13 genügend Sauerstoff, um die Verbrennung so weit zu unterhalten, dass an nähernd dieselbe Temperatur in der Kammer 9 erreicht wird. Dabei ist der Druck in der Kammer 13 niedriger als in der Kammer 9. Das auf diese Weise von neuem erwärmte, in der Leitung 15 von der Kammer 13 zum zentralen Raum 16 der Turbine 2. strömende Treibmittel enthält somit hauptsächlich Ver- brennungsgase, und nur wenig unverbrannte Luft.
In der Turbine 2 gibt das Treibmittel weitere Energie ab, die von den ausserhalb der Turbine herrschenden Verhältnissen ab hängig ist. Das Treibmittel kann nämlich beim Austritt aus der letzten Turbine an nähernd den Druck und die Temperatur der ausserhalb der Turbine befindlichen Luft ent halten. Auch die Turbine 2 ist als Reaktions turbine mit voller Beaufschlagung aus geführt.
Das Treibmittel strömt in Richtung der Pfeile zuerst durch das mehrstufige Ra dialschaufelsystem und dann durch das Ach sialschaufelsystem dieser Turbine 2, bei der das letztere System auf der das rotierende Radialschaufelsystem tragenden Turbinen scheibe angebracht ist.
Bei dem dargestellten Gasturbinenaggre- gat sind zwei mehrstufige Radialschaufel- systeme vorhanden, die in getrennten Tur binengehäusen untergebracht sind, wobei die Erwärmung des Treibmittels in den Verbren nungskammern 9 und 13 erfolgt,
die den Turbinengehäusen vorgeschaltet sind. Die zur Erzeugung des Treibmittels erforderliche Luft wird bei dieser Ausführungsform einem andern Aggregat entnommen. Da das Treib mittel in der Kammer 13 auf die gleiche Temperatur erwärmt wird wie in der Kam mer 9" so müssen die beiden Turbinen für dieselbe Anfangstemperatur des Treibmittels gebaut sein. Fig.2 stellt eine Ausführungsform dar, bei der die Luft in dem Aggregat zugehö rigen Kompressoren verdichtet wird.
Dieses Gasturbinenaggregat kann daher als aus zwei Teilen bestehend betrachtet werden, wobei der eine Teil hauptsächlich. zur Erzeugung von verdichteter Luft und der andere Teil hauptsächlich zum Abgeben von effektiver Leistung bestimmt ist.
In Fig. 2 bezeichnen 21, 22 und 23 drei Kompressoren, welche in der Strömungs richtung der zu verdichtenden Luft in Reihe geschaltet sind. Die Luft strömt durch die Leitung 24 ein und wird durch eine Leitung 25 vom Kompressor 21 zum Kompressor 22 und weiter durch eine Leitung 26 zum Kom pressor 23 geleitet. Vom Kompressor 23 wird die endgültig verdichtete Luft, durch eine Leitung 27 einem Vorwärmer 28 zugeführt, indem sie in später noch zu beschreibender Weise eine erste Erwärmung erfährt. Durch eine Leitung 29 strömt dann die Luft von diesem Vorwärmer zu einer Verbrennungs kammer 31, in welcher eine innere Verbren nung des durch die Leitung 3 2 zugeführten Brennstoffes stattfindet.
Sämtliche Verbren nungskammern können in gleicher Weise aus geführt sein. In ähnlicher Weise wie bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform er folgt die Verbrennung unter grossem Luft überschuss, so dass das durch eine Leitung 33 der Turbine 34 zugeführte Gas aus mit Ver brennungsgasen vermischter Luft besteht. Die Turbine 34, die ein mehrstufiges Radia.l- schaufelsystem aufweist, ist auf derselben Welle angebracht wie ein Hochdruck1rom- pressor 23, welcher von ihr getrieben wird.
Eine Leitung 3:5 führt das Gas von der Tur bine 34 einer Turbine 36 zu, die auch ein mehrstufiges Radialschaufelsystem aufweist. In der Auslassleitung 35 dieser Turbine<B>36</B> ist eine Verbrennungskammer 37 angebraeht, in der das Gas durch innere Verbrennung des durch eine Leitung 38 zugeführten Brenn stoffes wieder erwärmt wird.
Das Treib mittel wird durch eine Leitung 41 von der Turbine 36 einer Turbine 40 zugefiihrt. Auch in diesem Falle erfolgt Wiedererwärmung durch eine in der Leitung 41 angebrachte Verbrennungskammer 42. Die Wiedererwär mung sowohl in diesem, als auch in noch folgenden Verbrennungskammern erfolgt in vorher beschriebener Weise. Die mehr stufigen Radialschaufelsysteme der Turbine 36 und der Turbine 40 sind auf derselben Welle wie ein Generator 39 angebracht, so dass dieser somit von beiden Turbinen ge trieben wird.
Der Auslass der Turbine 4() steht durch eine Leitung 44 mit dem Anlass einer Turbine 43 in Verbindung. In der Lei tung 44 ist eine Verbrennungskammer 45 an gebracht. Eine Leitung 46 führt das Treib mittel von der Turbine 43 einer Turbine 4 7 zu. 48 bezeichnet eine Verbrennungskammer zur Wiedererwärmung des Treibmittels. ehe es einer Turbine 47 zugeführt wird. Die Aus lassleitung 49 der Turbine 47 verzweigt sich in zwei Leitungen 50 und 51, die zu zwei Turbinen 52 und 53 führen, die somit in der Strömungsrichtung des Treibmittels pa rallel geschaltet sind.
Vor Eintritt in diese beiden Niederdruckteile des Gasturbinen aggregates erfährt das Treibmittel keine Wiedererwärmung. Die Turbine 52 treibt den Niederdruckkompressor 21. Die Turbine 53 ist auf derselben Welle angebracht wie die Turbine 47 und ein von diesen Turbinen ge triebener Generator 30.
Die Auslässe der Turbine 52 und 53 sind durch die Leitungen 54 bezw. 55 mit dem Vorwärmer 28 verbun den, in dem ein Teil der etwa noch vorhande nen Wärme des Treibmittels an die durch die Leitung 27 zugeführte verdichtete Luft ab gegeben wird. Bei diesem Beispiel weist das Gasturbinenaggregat sieben Turbinen auf, die je ein mehrstufiges Radialschaufelsystem aufweisen, so dass die Radialschaufelsysteme in getrennten Gehäusen angeordnet sind.
Die zu den Turbinengehäusen führenden Anlässe sind mit Ausnahme der den Niederdruck turbinenteilen zugehörigen mitVerbrennungs- kammern für das Treibmittel versehen. Die Verbrennungskammern sind also den Tur binengehäusen vorgeschaltet. Sämtliche Tur binen mit Ausnahme der Niederdrucktur- binen 52, ,53 können somit mit Treibmittel mit der Anfangstemperatur arbeiten. Die Erwärmung des Treibmittels, als auch seine Wiedererwärmung erfolgt mit grossem Luft überschuss, so dass der Sauerstoff in der der ersten Verbrennungskammer zugeführten Luftmenge zur Aufrechterhaltung der Ver brennung in allen andern Verbrennungskam mern ausreichend ist.
Die Luftmenge ist im Verhältnis zur Brennstoffmenge so berechnet, dass der Sauerstoff fast verbraucht ist, wenn das Treibmittel seine Wiedererwärmung in der letzten Verbrennungskammer 48 erfahren hat. Um nämlich den besten Wirkungsgrad des Aggregates zu erhalten, ist es nötig, die komprimierte Luft vollständig auszunutzen. In dieser Ausführungsform gehören die Turbinen 52, 43, und 34 zusammen mit den Kompressoren 21, 22 und 23 zu demjenigen Teil des Gasturbinenaggregates, der zur Kom primierung der Luft dient, während die Tur binen 36, 40 und 53 zu dem Leistung ab gebenden Aggregatteil zählen. Statt der Luft könnte auch ein anderes, Sauerstoff ent haltendes Gas verwendet werden.
In Fig. 3 bezeichnen 61, 6,2 und 63 drei in Reihe geschaltete Kompressoren. Die Luft, deren Druck und Temperatur bei der Kom pression steigen, wird durch die Anlass- leitung 64 dem Niederdruckkompressor 61 und dann von diesem durch eine Leitung 65 dem Mitteldruckkompressor 62 zugeführt. Eine Leitung 67 führt die endgültig ver dichtete Luft vom Hochdruckkompressor 63 einer Verbrennungskammer 64 zu, in der das Treibmittel durch innere Verbrennung des durch die Leitung .65! zugeführten Brenn stoffes erwärmt wird.
Die Verbrennung er folgt ohne grossen Luftüberschuss und kann höhere Temperaturen des Treibmittels als die für die Turbine 6<B>8</B> berechneten hervor bringen. Das Treibmittel wird jedoch durch Einspritzung von Wasser durch eine Leitung 66 auf die berechnete Temperatur abgekühlt. Hierdurch erhält man ein Treibmittel, das sowohl Verbrennungsgase, als auch Wasser dampf und gegebenenfalls auch noch einen geringen Luftüberschuss enthält. Der Wärme inhalt des Treibmittels wird erhöht, wenn die Dampfmenge in dem Treibmittel vergrössert wird, da hierdurch die spezifische Wärme erhöht wird. Eine Leitung 67 führt das auf diese Weise erwärmte und vorbereitete Treib mittel einer Turbine 68 zu.
Diese Turbine ist auf derselben Welle angebracht, wie der Hochdruckkompressor 63 und eine weitere Turbine 69, die ihr Treibmittel durch eine Leitung 70 erhält. In dieser Leitung 70 ist eine Verbrennungskammer 71 eingeschaltet. In derselben findet Verbrennung eines durch Leitung 72 zugeführten Brennstoffes statt. Damit Verbrennung stattfinden kann, wird durch eine Leitung 73 Frischluft von einer Stelle im Hochdruckkompressor 63 zu. geführt, die den Druckverhältnissen in der Leitung 70 entspricht.
Die Verbrennung in dieser Verbrennungskammer erfolgt ohne grossen Luftüberschuss in derselben Weise wie in der Kammer 64 und in den übrigen, später noch zu erwähnenden Verbrennungskammern dieses Beispiels. Von der Turbine 69 wird das Treibmittel durch eine Leitung 60 einer Turbine 74 zugeführt. Die Wiedererwär mung des Treibmittels erfolgt in. einer in der Leitung 60 angeordneten Verbrennungskam mer 75. Auch in diesem Falle wird durch eine Leitung 76 die für die Verbrennung er forderliche Frischluft zugeführt. Die Tur bine 74 ist auf derselben Welle angebracht wie eine Turbine 77 und ein Generator 78. Der Generator 78 wird somit von den Tur binen 74 und 77 getrieben.
Eine Leitung 79 überführt das Treibmittel von der Turbine 74 zur Turbine 77.
In der Leitung 79 ist eine Verbrennungs kammer 80 angebracht, der durch eine Lei tung 81 Frischluft zugeführt wird. Eine Lei tung 82 führt das Treibmittel von der Tur bine 77 zu einer Turbine 83. 84 bezeichnet eine in der Leitung 82 angebrachte Verbren nungskammer für das Treibmittel, das der Turbine 83 zugeführt wird.
Die Verbrennung in der Kammer 84 erfolgt unter Einwirkung von Frischluft, die durch eine Leitung 85 zugeführt wird. Eine Leitung 8,6 führt das Treibmittel von der Turbine 83 zu einer Tur bine 87; 88 bezeichnet eine in der Leitung & 6 vor der Turbine 87 angebrachte Ver brennungskammer für das Treibmittel. Die Verbrennung erfolgt mit Hilfe von durch eine Leitung 89 zugeführter Frischluft. Die Auslassleitung 90 der Turbine 87 verzweigt sieh in zwei Leitungen 91 und 92.
Durch diese Zweigleitungen wird das Treibmittel ohne MTiedererwärmung den Turbinen 93 und 94 zugeführt. Die Turbine 93 steht ohne Einschaltung einer Verbrennungskammer durch eine Leitung 9,5 mit einer Turbine 96 in Verbindung. Die Turbinen 93 und 96 sind auf derselben Welle angebracht wie der Nie derdruckkompressor 61, der somit von den beiden Turbinen getrieben wird. Die Tur- bine 94 und eine weitere Turbine 98 sind auf derselben Welle angebracht wie ein Gene rator 97, der somit von beiden Turbinen ge trieben wird.
Eine Leitung 99 führt da@ Treibmittel von der Turbine 94 zur Turbine 98. Durch eine Leitung<B>100</B> wird das in die ser Weise ausgenützte Treibmittel abgeleitet. zum Beispiel einem Vorwärmer zu, ähnlieb wie es oben bei der Ausführungsform nach Fig. 2 beschrieben ist.
Alle oben erwähnten Turbinen dieses Bei spiels weisen je ein Radialschaufelsystem und eventuell auch ein Aehsialschaufelsystem auf und sind nach dem Reaktionsprinzip mii- Vollanlass ausgeführt. Bei dieser Ausfüh rungsform weist das Gasturbinenaggregat zehn Turbinen auf, wobei die einzelnen Ra dialschaufelsysteme mehrstufig und in ge trennten Gehäusen angeordnet sind. Sämt liche zu diesen Turbinengehäusen führenden Anlässe sind mit Ausnahme derjenigen für die Niederdruckteile mit Verbrennungskam mern für das Treibmittel versehen.
Dies(, Kammern sind also den Turbinengebäusen vorgeschaltet. Die Erwärmung des Treib mittels erfolgt, wie erwähnt, ohne ;grossen Luftüberschuss, was möglich ist durch Ver wendung nicht russender Brennstoffe. Die verschiedenen Verbrennungskammern sind mit verschiedenen Teilen der Kompressoren oder Leitungen zwischen den Kompressoren verbunden, derart, dass Frischluft von an nähernd dem gleichen Druck, unter welchem die Verbrennung vor sich geht, den Ver brennungskammern zugeführt werden kann.
Das Gasturbinenaggregat gemäss Fig.3 besteht wiederum aus zwei Aggregatteilen, wobei die Turbinen 9.6. 93, 87, 83. 69 und 68 zusammen mit den Kompressoren 61, 62 und 63 den gompressorteil des Gasturbinen aggregates und die Turbinen 74, 77, 94 und 98 mit den Generatoren 7.8 und<B>97,</B> den effelk- tive Leistung abgebenden Aggregatteil des Gasturbinenaggregates bilden. Die Turbinen 68 und 69 können als Hochdruckturbinen angesprochen werden, während die Turbinen 83 und 87 Mitteldruckturbinen bilden.
Die Turbinen 93 und 9,6 einerseits, sowie die Turbinen 94 und 98 anderseits bilden Nieder druckturbinen.
Mit den dargestellten Ausführungsformen können zur Verfügung stehende, verdichtete Gase oder Luft in vorteilhafter Weise aus genützt werden, ohne dass die Anfangstempe ratur der Gase einen für die Turbinen schäd lichen hohen Grad anzunehmen braucht. Auch die Wiedererwärmung braucht nicht auf einen für die Turbinen schädlichen Grad zu erfolgen. Die dem Treibmittel zugeführte Wärme kann somit ausgenutzt werden, ohne dass die Schaufelsysteme der Turbinen da durch gefährdet werden.
Die Verbrennungskammern sind den Tur binengehäusen soweit vorgeschaltet, dass die Verbrennung vor Eintritt des Treibmittels in die betreffende Turbine abgeschlossen ist.
Bei den in Fig. 2 und $ dargestellten Gas turbinenaggregaten, in denen Luft von dem Turbinenaggregat zugehörigen Kompressoren verdichtet wird, ist es notwendig, die ver dichtete Luft in vorteilhafter Weise auszu nutzen, da ein so grosser Teil der gesamten Effektivleistung zum Verdichten der Luft verwendet wird, dass ein schlechtes Wirt schaften mit der verdichteten Luft grossen Einfluss auf den Wirkungsgrad des gesamten Aggregates ausübt.