Gasturbinenanlage. Die Erfindung betrifft eine Gasturbinen anlage mit Hauptturbokompressor, einem ihm vorgeschalteten Vorverdichter und mit Hauptturbine und einer ihr nachgeschalteten den Vorverdichter antreibenden Hilfsturbine. Sie besteht darin, dass wenigstens ein Teil des Arbeitsmittels nach Austritt aus der Hauptturbine zuerst. durch einen Rekuperator strömt und dann erst in einer Hilfsturbine zu Ende expandiert wird.
Die Luft kann dabei beim Übertritt vom Hilfsturbokom- pressor zum Hauptturbokompressor durch mindestens einen Zwischenkühler geleitet werden. Durch Beeinflussung der Drehzahl des aus Hilfskompressor und Hilfsturbine bestehenden Hilfsturboaggregates kann die pro Zeiteinheit von der Anlage zu verarbei tende Luft bezw. Gasmenge verändert und damit die Leistung der Anlage geregelt werden.
Die vom Hilfsturbokompressor verdich tete Luft kann zweckmässig auch durch eine Hilfsverbrennungskammer unmittelbar zur Hilfsturbine geführt werden, um das Hilfs- aggregat auch selbständig als kleine Gas turbinenanlage laufen zu lassen. Das Hilfs aggregat kann zudem mit dem Hauptaggre gat überein Untersetzungsgetriebe mit Aus rückkupplung vorübergehend gekuppelt wer den, um die Hauptanlage von der als eigent liche Gasturbine arbeitenden Hilfsgruppe aus, anzulassen.
Die Verbindungsleitung zwischen Rekuperator und Hilfsturbine kann durch Drosselorgane einerseits mit einer Zwischenstufe der Hauptturbine, anderseits mit der Atmosphäre vorüber gehend in Verbindung gebracht werden, wo durch sich eine rasche Drehzahländerung des Hilfsaggregates erzielen lässt. Vorteilhafter- weise kann auch nur ein Teil des Gases bei höherem Druck als 1 ata aus der Haupt turbine entnommen, im Rekuperator abge kühlt und dann in der Hilfsturbine zu Ende expandiert werden, während der übrige Teil in der Hauptturbine bis auf zirka 7.
ata expandiert und nun erst abgekühlt wird in einem zweiten Rekuperator. Es können aber andere Mittel vorgesehen sein, um eine Leistungsübertragung vom Hilfsaggregat auf die Ilaupta.nlage zu gestatten, so dass die Hauptanlage von dem dann als selbstän dige Gasturbine laufenden Hilfsaggregat aus angelassen werden kann. Beim Anlassen kann die mit dem Hilfsaggregat gekuppelte elektrische Maschine als Generator wirken und ihre Leistung an den Hauptgenerator abgeben.
Es sind bereits Gasturbinenanlagen be kannt geworden, bei denen Hochdrucktur binen und Niederdruckturbinen vorgesehen sind. Auch ist es bekannt, hei solchen An lagen die Abgase durch einen Rekuperator strömen zu lassen, um einen Teil der Ab- ga.swärme zurückzugewinnen. Demgegenüber wird aber gemäss der Erfindung wenigstens ein Teil der Gase schon nach Austritt aus der Hochdruckturbine, genannt Haupttur bine, durch den Rekuperator geleitet und dann erst in einer Niederdruckturbine, ge nannt Hilfsturbine, zu Ende expandiert.
wobei diese Hilfsturbine einen Vorverdich- ter der Anlage antreibt. Dadurch ergeben :ich folmende Vorteile: Bei den bisher bekannten Anordnungen ist eine Belastungsänderung notwendigerweise mit einer wesentlichen Änderung der Wärmestrecken der Gebläse und der Tur binen verbunden, so da.ss auch der Wirkungs grad der Anlage von demjenigen abweicht, der bei normaler Last vorhanden ist. Beson ders bei Teillast wird er sehr ungiinstig, denn es treten in den Turbomaschinen andere Winkel, andere Geschwindigkeiten und somit Stossverluste auf.
Die Leistungs regelung kann bei der Gasturbinena.nlage nach der Erfindung so erfolgen, dass einfaeli der ganze Arbeitsprozess in der Hauptanlage je nach der verlangten Leistung in ein Ge biet anderer Dichte verlegt wird, wobei die Druckverhältnisse und Temperaturen in der Hauptanlage angenähert konstant bleiben, so dass die Kurve, die den Wirkungsgrad in Funktion der Belastung darstellt, im Ge biet der praktisch wichtigen Belastungen einen sehr flachen Verlauf hat. Einige Ausführungsbeispiele des Erfin dungsgegenstandes sind auf der Zeichnung schematisch dargestellt.
In Fig. 1 ist das Schema einer Gastur binenanlage nach der Erfindung dargestellt. Die Luft oder ein Gas oder Gasgemisch tritt bei 1 in den Hilfsturbokompressor ? ein, verlässt diesen hei 3 und strömt über in den Hauptturbokompressor 4. Dieser wird in der Regel als gekühlter Turbokompressor ausge bildet sein. Die komprimierte Luft tritt bei 5 aus dem Hauptturbokompressor aus, durchströmt den Rekuperator 6, wo sie durch die Abgase der Hauptturbine aufge wärmt wird. Sie tritt. dann in eine Verbren nungskammer 7 und gelangt von dieser aus in die Hauptturbine B.
Die Hauptturbine kann mit, mehreren Zwischenverbrennungs- stufen ausgebildet sein. Das Gas wird nun in der Hauptturbine nicht bis auf den atmo sphärischen Druck entspannt, sondern bei höherem Druck durch die Leitung 9 von der Turbine weggeführt und durch den Rekupe- ra.tor getrieben.
Dort überträgt das Gas einen grossen Teil seiner Wärme an die vom Turbokompressor kommende Luft und strömt dann in abgekühltem Zustand der Hilfsturbine<B>10</B> zu, in welcher es bis auf den atmosphärischen Druck entspannt und bei 11 fortgeleitet wird. Mit dem Maschinenaggre gat, bestehend ans Hilfsturbokompressor und Hilfsturbine, kann noch eine weitere Maschine gekuppelt sein, z. B. eine elektri sche Maschine 12, die Leistung abgeben oder aufnehmen kann.
Die Regelung erfolgt nun so, dass die Tourenzabl des Hilfsaggregates 2, 10, 12 je nach der Belastung eingestellt wird. derart, dass das Hilfsaggregat mit höherer Touren zahl läuft hei höherer Belastung und mit kleinerer Tourenzahl bei niedriger Bela stung. Der vom Hilfturbokompressor er zeugte Druck, wie auch die Fördermenge ändern sieh hierbei im gleichen Sinne. Da durch wird erreicht, dass einerseits der An fangsdruck vor dem Hauptturbokompreesor 4 geändert werden kann, während sich an derseits der Enddruck nach der Haupttur- bine 8 auch entsprechend ändert (die beiden Drücke werden praktisch meist ungefähr denselben Wert haben).
Somit wird also das gesamte Druckniveau des Hauptaggregates je nach der Belastung geändert und dieses Aggregat arbeitet mit praktisch konstanten Druck- und Temperaturverhältnissen, also auch mit praktisch konstantem Wirkungs grad. Einzig der Wirkungsgrad des Hilfs aggregates hängt von seiner Tourenzahl (also der Belastung) ab, aber nicht in allzu starkem Masse, da diese Maschinen wegen ihrer kleinen Druckverhältnisse ver hältnismässig wenig Stufen erhalten. Es wird im allgemeinen zweckmässig sein, zwi schen dem Hilfsturbokompressor 2 und dem Hauptturbokompressor 4 einen ersten Zwi schenkühler 18 einzuschalten.
Damit die Tourenzahl des Hilfsaggregates 2, 10 mög lichst rasch geändert werden kann, können Verbindungsleitungen vorgesehen werden, die es gestatten, den Raum vor der Turbine 10 mit irgend einer Zwischenstufe der Hauptturbine 8 durch ein Steuerorgan 15, oder anderseits mit der freien Atmosphäre durch ein Steuerorgan 16 in Verbindung zu bringen. Durch diese plötzliche Druckände rung vor der Hilfsturbine 10 lässt sich die Drehzahl des Hilfsaggregates rasch ändern.
Bringt man auf der Welle des ITilfs- aggregates noch eine elektrische Maschine 12 an, so besteht noch die Möglichkeit, folgen des Regelverfahren anzuwenden. Die. elek trische Maschine ist mit dem angetriebenen Generator 20 elektrisch so gekuppelt, dass zu jeder elektrischen Leistungsentnahme des Generators eine bestimmte Tourenzahl der Maschine 12 gehört, wobei dieselbe je nach dem als Motor oder als Generator wirkt, wenn seine Tourenzahl zu tief oder zu hoch liegt. Dies kann derart erreicht werden, dass man von einem Instrument aus, welches die Generatorleistung anzeigt, (z.
B. einem Wattmeter) die Erregung der elektrischen Maschine verändert. Der Erregerstrom kann also auf einen grösseren oder kleineren Wert einreguliert werden oder es kann sogar seine Richtung umgekehrt werden, wenn nämlich die Art der Arbeitsweise der Maschine (Mo tor oder Stromerzeuger) geändert werden muss. Das Gleiche kann auch durch Verstel len der Bürsten des Kollektors der elek trischen Maschine erreicht werden. Auf diese Art ist es möglich, die ganze Gastur- binenanlage direkt vom primären Impuls aus zu regeln, nämlich durch den elektrischen Leistungsbedarf.
Das Hilfsaggregat 2, 10, 12 kann auch als Anlassvorriehtung für die Anlage be nutzt werden. Zu diesem Zweck kann das Aufladeaggregat als selbständige kleine Gasturbine laufen gelassen werden. Es sind dabei Mittel vorzusehen, die eine Erhitzung des Arbeitsmittels vor Eintritt in die Hilfs turbine gestatten, beispielsweise ein Brenner.
Unter Umständen wird es zweckmässig sein, noch eine Verbindungsleitung vorzusehen, welche die Luft aus dem Hilfsturbokampres- sor 2 in die Hilfsturbine 10 überzuleiten ge- stattet. Ferner sind Mittel vorzusehen, die eine Leistungsübertragung vom Hilfsaggre gat auf die Hauptanlage gestatten. Dies kann durch irgend eine mechanische, hydrau lische oder magnetische Kupplung geschehen.
In solchen Fällen, wo mit dem Hilfsaggregat noch eine elektrische Maschine 12 gekuppelt ist, ergibt sich die besonders günstige Mög lichkeit, diese Maschine als Generator von dem als Gasturbine arbeitenden Hilfsaggre gat aus anzutreiben und die Leistung auf den Hauptgenerator zu übertragen, der dann die Hauptanlage anlässt. Es entsteht auf diese Art eine elektrische Kupplung zwi schen Hilfsaggregat und Hauptanlage.
In der Leitung 50 ist ein Regelorgan 51 angeordnet, durch welches die Leistungs übertragung zwischen den Maschinen 12 und 20 geregelt wird.
Fig. 2 zeigt da)s Entropiediagramm JS einer Gasturbinenanlage, wobei' mehrfache Zwischenkühlung im Kompressor und mehr fache Zwischenerhitzung in der Turbine vor gesehen ist.
Der Arbeitsprozess ist folgender: Kompression im Hilfsturbokompressor von 22 auf 28. Zwischenkühlung von 23 auf 24. Kompression in einer ersten Stufen gruppe des Hauptturbokompressors von 24 auf \?5. Zwischenkühlung von \?:5 auf 26. Kompression in einer zweiten Stufengruppe des Hauptturbokompressors von ?6 auf 27. Zwischenkühlung von 27 auf 28. Kompres sion in einer dritten Stufengruppe von ?8 auf 29.
Erwärmung im Rekuperator von 29 auf 30. Weitere Erwärmung in der Brenn- kammer von 30 auf 31. Expansion in einer ersten Stufengruppe der Hauptturbine von <B>31.</B> auf 32. Zwischenerhitzung von 32 auf 33. Expansion in einer zweiten Stufengruppe von 33 auf 34. Zwisebenerhitzung von 34 auf 35. Expansion in einer dritten Stufen gruppe von 35 auf 36. Zwi.sehenerhitzung von 36 auf<B>37.</B> Expansion in der letzten Stufengruppe der Hauptturbine von 37 auf 38.
In 38 herrscht noch höherer Druck als der atmosphärische. Abkühlung im Rekupe- rator von 38 auf 39. Endexpansion in der Hilfsturbine von 39 auf 40. Diese Hilfstur bine treibt den Hilfsturbokompressor.
Man erkennt aus dem Entropiediagra.mm, dass eine Änderung der beiden Wärmediffe renzen ?? bis ?3 und 39 bis 40 im wesent lichen eine horizontale Verschiebung des ganzen übrigen Diagrammes zur Folge hat, so dass alle Wärmegefälle praktisch konstant bleiben und die Leitung der Anlage nur dadurch geändert. wird, dass der gesamte Prozess im Bereich anderer spezifiseher Volumen vor sich geht.
Fig. 3 zeigt noch eine weitere Variante der Erfindung. Es wird hierbei nur ein, Teil der gesamten in der Anlage verarbeiteten Gas menge schon bei höherem als dem atmosphä rischen Druck aus der Hauptturbine 8 ent nommen und nach Abkühlung im Rekupera- tor 6' in der Hilfsturbine 10 zu Ende expan diert. während der übrige Teil des Gases in der Hauptturbine 8 zu Ende expandiert wird (auf 1 ata) und dann erst im Rekupe- rator 6" abgekühlt wird.
Die Arbeitsweise dieser Anlage ist also insgesamt folgende: Vorli:ompression im Hilfsturbolzompressor 2. Kompression im Hauptturbokompressor 4 (dabei werden an geeigneten Stellen Zwi- schenkühlanlagen eingeführt). Trennung der Luft in zwei Ströme; der eine Teil der Luft durehströmt den Rekuperator 6" und wird dabei erwärmt, während die Erwär mung des andern Teils im Rekuperator 6' erfolgt. Wiedervereinigung der beiden Luft ströme in der Verbrennungskammer 7. Expansion in der Hauptturbine 8 unter mehrfacher Zwischenerhitzung.
An einer geeignet gewählten Stelle der Hauptturbine wird ein Teil des Gases abgezapft, wird ab gekühlt im Rekuperator 6' und zu Ende expandiert; in der Hilfsturbine 10. Diese treibt den Hilfsturbokompressor 2. Der an dere Teil des Gases expandiert in der Haupt turbine 8 bis auf den atmosphärischen Druck und gibt dann seine Wärme im Rekuperator 6" ab.