Verfahren zur Regelung einer eine Gasturbine und einen Verdichter aufweisenden Maschinengruppe und zu dessen Durchführung dienende Einrichtung. - Bei Gasturbinenanlagen, bei welchen das Arbeitsmittel nach vorheriger Verdichtung und Wärmezufuhr im Turbinenteil der An lage zvüecks Arbeitsleistung entspannt wird, ist es - ohne Rücksicht darauf, ob die Wärme der aus der Turbine austretenden entspannten Gase in einem hiezu bestimmten Wärmeaustauscher auf das auf höheren Druck verdichtete frische Arbeitsmittel übertragen wird - erforderlich, um die Turbinenanlage mit Teilbelastung betätigen zu können, bei einer von der Leistung un abhängig, gegebenen Drehzahl (die also zwecks Leistungsregelung nicht zu vermin dern ist)
in bezug auf den bei Normal belastung eintretenden Zustand mindestens eine von drei Grössen, und zwar: das Ge wicht des durch die Turbine strömenden Arbeitsmittels, das Verhältnis zwischen den bei der Ein- und Ausströmung herrschenden Drücken der Turbine oder die in der Tur bine herrschende absolute Durchschnitts- temperatur zu vermindern.
Dementsprechend ist es gemäss den bisher bekannten Vor schlägen zwecks Regelung möglich, mittels einer vor dem Verdichter angewendeten Drosselung, ferner - besonders im Falle eines Verdichters mit axialer Durchströ- mung - im Wege der Verdrehung der Leit- schaufeln des Verdichters sowohl die durch strömende Gasmenge, als auch das für die Turbine zur Verfügung stehende Druck verhältnis zu beeinflussen, weiter im Wege der Verminderung der in das Arbeitsmittel eingeführten Brennstaffmenge ohne Vermin derung der durchströmenden Arbeitsmittel menge die in der Turbine Herrschende Tem peratur zu erniedrigen.
Alle -diese Verfahren haben Nachteile, indem zum Beispiel das erste und das dritte Verfahren bei Teilbela stungen einen schlechten Wirkungsgrad er geben, und zwar dadurch, dass sie in der die Turbine durchströmenden gesamten Arbeits- mittelmenge einerseits einen Drosselungsver- lust hervorrufen, anderseits die Temperatur der gesamten Arbeitsmittelmenge vermin dern, während das zweite Verfahren, näm lich die Verdrehung der Leitschaufeln des Verdichters, eine bauliche Komplikation bedingt, wenn auch dies sonst hinsichtlich des Wirkungsgrades sehr vorteilhaft ist.
Das erfindungsgemässe Regelungsverfah ren bietet einerseits baulich eine einfachere Lösung, als die Verdrehung der Schaufeln, anderseits macht es hinsichtlich des Wir kungsgrades möglich, 'irkungsgradwerte zu erreichen, die zwischen dem 'NVirkungs- grad dieses letzteren Verfahrens und dem jenigen der beiden andern Verfahren liegen.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren und der Einrichtung zu dessen Ausführung wird ein Teil des Arbeitsmittels im Laufe der Regelung, bevor er in die Turbine einge treten wäre, gegebenenfalls noch vor der vollständigen Durehströmung des Verdich ters, dem Arbeitsprozess ohne Arbeitsleistung entzogen, so dass dadurch das Gewicht des die Turbine in ihrer Gänze durchströmenden Arbeitsmittels in bezug auf die in den Ver dichter eintretende Arbeitsmittelmenge und somit auch die von der Turbine geleistete Arbeit vermindert wird. Der Regelungsvor gang braucht sich jedoch nur auf diesen ent zogenen Teil des Arbeitsmittels zu erstrecken; die in dem entzogenen Teil auftretenden Ver lust (z. B.
Drosselung) sind dann gleich falls wesentlich geringer, als wenn die ge samte Arbeitsmittelmenge den die Verluste verursachenden Vorgängen unterworfen wäre.
Zum Verständnis der Erfindung wird auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. Fig. 1 derselben zeigt die schematische Anordnung einer beispielsweisen Einrich tung zur Ausführung des erfindungsge mässen Verfahrens.
Fig. 2 ist der schematische Schnitt eines Verdichters der Einrichtung, während Fig. 3 ein Detailschnitt eines beispiels weise an mehreren Stellen angezapften und zur beispielsweisen Ausführung des Verfah rens geeigneten Verdichters ist. Gemäss Fig. ' 1 ist das eine Ende der Welle 2 einer Gasturbine 1 mit der Welle 4 eines Verdichters 3 verbunden, während das andere Ende der Welle 2 die nützliche Lei stung abgibt. An den Verdichter 3 schliesst sich einerseits die Einströmungsleitung 5, anderseits die Ausströmungsleitung 6 an.
-elche mit dem Hochdruek-Einströmungs- stutzen 8 eines hier vorgesehenen, schematisch angedeuteten Wärmeaustauschers 7 verbun den ist. Hinter dem Hochdruck- Ausströ- mungsstuzen 9 des Wärmeaustauschers 7 ist der Verbrennungsraum 10 eingeschaltet. in welchem sich der Brenner 11 befindet. Der Verbrennungsraum 10 ist mit dem Einströ- mungsstutzen 12 der Turbine verbunden.
während der Ausströmungsstutzen 13 der Turbine an die \ iederdruck-Einströmungs- öffnung 14 des Wärmeaustauschers 7 ange schlossen ist. Die Niederdruck-Austrittsöff- nung 15 des Wärmeaustauschers 7 schliesst sich an die zur Abführung der entspannten Gase dienende Rohrleitung 16 an. Die Ver bindung zwischen der Austrittsleitung 6 des Verdichters und der zur zur Abführung der entspannten Gase dienenden Leitung 16 wird durch eine Umgehungsleitung 17 hergestellt, in welche das Drosselventil 18 eingebaut ist.
Diese Vorrichtung arbeitet wie folgt: Der Verdichter 3 saugt durch die Ein trittsleitung 5 frisches Arbeitsmittel ein, welches er auf höheren Druck verdichtet und durch die Austrittsleitung 6 in den Wärmeaustauscher 7 drängt. Das verdichtete Arbeitsmittel erwärmt sich während des Durchströmens des Wärmeaustauschers 7 durch die Wärme der aus der Turbine heraustretenden entspannnten Gase und ge langt durch die Ausströmungsöffnung 9, mindestens teilweise, in den Verbrennungs raum<B>10,
</B> wo seine Temperatur infolge der Verbrennungswärme des durch den Brenner oder Zerstäuber 11 eingeführten Brenn stoffes noch weiter steigt. Das Arbeitsr mittel tritt sodann durch den Eintritts stutzen 1? in die Turbine 1, wo es unter gleichzeitiger Entspannung Arbeit leistet und die Turbine durch die Austrittsleitung 13 verlässt, um darauf durch die Eintritts öffnung 14 des Wärmeaustauschers 7 in diesen zu gelangen.
Es durchströmt densel ben und gibt seine Wärme an das verdich tete frische Arbeitsmittel ab; schliesslich entweicht es aus der Einrichtung, indem es, den Wärmeaustauscher durch die Nieder druck-Austrittsöffnung 15 verlässt, durch die Rohrleitung 16. Im Falle voller Belastung ist das Regel- oder Drosselventil 18, welches in der Anzapfungs- bezw. Umgehungslei tung 17 angeordnet ist, vollständig geschlos sen, während bei Teilbelastung das Ventil 18 der Belastung entsprechend geöffnet, das heisst der freie Querschnitt der Anzapfungs- leitung geändert wird.
Dadurch entweicht ein Teil des durch den Verdichter gelieferten verdichteten Arbeitsmittels unmittelbar aus der Einrichtung, ohne dass er durch die Turbine geströmt wäre. Das Regelorgan 18 ruft zwar einen Drosselungsverlust hervor; dieser Drosselungsverlust erstreckt sich aber nur auf denjenigen Teil des Arbeitsmittels, welcher mittels der Regelung aus dem Ar beitsprozess gerade entzogen werden muss. Durch dieses Regelungsverfahren wird so mit ein Teil des in den Verdichter tretenden Gases bei Teilbelastung vor Eintritt in die Turbine abgeführt, so dass durch die Tur bine eine geringere Gasmenge als durch den Verdichter strömt.
Der Umstand, dass die in der Zeiteinheit durch die Turbine strömende Gasmenge abnimmt, bringt auch mit sich, dass der sich in der Turbine einstellende Druckabfall geringer sein wird, was die Leistung der Turbine noch weiter vermin dert, also die Regelung noch wirkungsvoller gestaltet. Gleichzeitig nimmt auch der in folge der Regelung eintretende Verlust ab, weil durch Verminderung des Druckabfalles der Turbine auch der Anfangsdruck der Ent spannung, also auch der Enddruck der Ver dichtung abnimmt, und das mittels der Re-, gelung abgeführte Arbeitsmittel einen klei neren Drosselungsverlust erleidet.
Ohne die zur Ausführung des Verfahrens notwendige Einrichtung wesentlich zu kom plizieren, kann der Wirkungsgrad dadurch verbessert werden, dass die überflüssige Arbeitsmittelmenge nicht hinter dem Ver dichter, sondern bereits zwischen den Ver dichtungsstufen desselben abgeführt wird. Fig. 2 stellt eine derartige Ausbildung des Verdichters dar. Auf der im Verdichter- gehäuse 19 gelagerten Verdichterwelle 20 sitzt der Läufer 21, welcher die rotierenden Schaufeln 22 trägt.
Im Gehäuse 19 sind die stehenden Schaufeln 23 befestigt, während eine Anzapfungsleitung 24, 'in welcher das Regel- bezw. Drosselorgan 25 untergebracht ist, sich an den zwischen zwei Stufen des Verdichters im Verdichtergehäuse ausgebil deten .ringförmigen Raum 26 anschliesst. Diese Einrichtung arbeitet in der Weise, dass der Verdichter, der z.
B. die Rolle des in Fig. 1 dargestellten Verdichters 3 über nimmt, das Arbeitsmittel durch den Ein strömungsstutzen 27 einsaugt und in. ver dichtetem Zustand durch den Druckstutzen 28 hinausdrängt, während welcher Zeit falls das Drosselventil 25 teilweise offen ist - ein Teil des Arbeitsmittels sich durch die Anzapfungsleitung 24 entfernt, so dass dem zufolge eine geringere Gasmenge die Turbine 1 durchströmt, als. in den Verdichter einge treten ist.
Bei dieser Anordnung ist der Druck des durch Anzapfung abgeführten Gases niedriger, als der durch den Verdich ter hergestellte Höchstdruck, weshalb in folge der Anzapfung ein geringerer Arbeits verlust als bei der vorerwähnten Anordnung entsteht. Die Wirkungsweise dieser Anord nung wird durch den Umstand noch vorteil hafter gestaltet, dass im Falle der Anzapfung des Verdichters die Durchströmungsge- schwindigkeit der Stufen vor der Anzapfung grösser ist, als die der Stufen hinter der An zapfungsleitung.
Nachdem der in irgend einer Stufe des Verdichters hergestellte Druck wesentlich geringer ist, wenn die Durchströmungsgeschwindigkeit grösser ist, wird die Wirksamkeit der Stufen hinter der Anzapfung durch die Anzapfung vermin dert und nimmt deshalb der an der Stelle der Anzapfung herrschende Druck infolge der Anzapfung ab. Noch vorteilhafter als diese letztere Anordnung ist die in Fig. 3 dargestellte Anordnung, gemäss welcher das Arbeits mittel im Verdichter nicht an einer einzi gen Stelle, sondern an mehreren Stellen ab geführt werden kann.
Wie in Fig. 3 ersicht lich ist, befinden sich die im Verdichter- gehäuse 29 befestigten stehenden Schaufeln 30 zwischen den vom Läufer 21 getragenen umlaufenden Schaufeln 22. An den Arbeits raum des Verdichters schliessen sich am Fusse der stehenden Schaufeln die Räume 31, 31', 31", 31"' an, die einzeln mit An zapfungsleitungen 32, 32', 3?", 32"' in Ver bindung stehen. Bei der beispielsweise. dar gestellten Ausführung münden diese An zapfungsleitungen in die auf der innern Fläche des Zylinders 33 vorgesehenen Ring nuten 34. Im Zylinder 33 ist ein Rund schieber 35 untergebracht, der in der Rich tung der Achse des Zylinders versehiebbar ist.
Diese Vorrichtung arbeitet so, dass im Falle einer Belastung durch Verschiebung des Schiebers 35 die Ausströmungsquer- schnitte der sich an die einzelnen Anzap- fungsleitungen anschliessenden Ringnuten 34 geändert, bezw. diese Ringnuten vollstän dig geschlossen oder geöffnet werden kön nen. Mit Hilfe dieser Vorrichtung kann er reicht werden, da.ss das im Wege der An zapfung abzuführende Arbeitsmittel aus einem unter sehr niedrigem Druck stehenden Raume abgeführt werden kann, wodurch in folge der Regelung sozusagen überhaupt kein Arbeitsverlust auftritt.
Bei dieser Anordnung können die Anzapfungsleitungen so angeordnet werden, dass der angezapfte Teil des Verdichters überhaupt keinen Druck herrvorruft und nur derjenige Teil des Verdichters verdichtet, dessen Anzap- fungsleitungen geschlossen bezw. stark ge drosselt sind, oder der überhaupt keine An zapfungen mehr besitzt. Es ist aber auch möglich, die an mehreren Stellen durchzu führende Anzapfung des Verdichters durch wiederholte Anwendung der in Fig. 2 darge stellten Anzapfungseinrichtung, sowie durch manche andere sehr mannigfaltige bauliche Lösungen zu bewerkstelligen.
Zur Erreichung eines guten Wirkungs grades ist es zweckmässig, im Laufe der Regelung gleichzeitig mit der Anzapfung auch die zur Betätigung der Turbine ver brauchte Brennstoffmenge in der Weise zu regeln, dass die in der Turbine herrschende durchschnittliche Temperatur überhaupt nicht oder nur in geringem Masse geändert werde. Dem entspricht das Verfahren, ge mäss welchem die in das Arbeitsmittel einge führte Wärmemenge so geregelt wird, dass die Temperatur des in die Turbine eintre tenden Arbeitsmittels bei Teilbelastung und bei voller Belastung annähernd ungeändert bleiben. Falls die Temperatur des Wärme austauschers auf einem konstanten Wert zu halten ist. (z.
B. damit derselbe stets in stationärem Zustand bleiben soll), so ist es zweckmässig, die in das Arbeitsmittel einge führte Wärme so zu regeln, dass die Wärme des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels sowohl bei Teilbelastung, als auch bei voller Belastung annähernd ungeändert bleibe.
Das beschriebene Regelungsverfahren und die dazugehörige Einrichtung kann nicht nur bei den ausführlich beschriebenen Aus führungen, sondern auch im Falle von sol chen Ausführungen verwendet werden, die von den oben beschriebenen abweichen. So kann zum Beispiel der Wärmeaustauscher 7 gemäss jeder beliebigen Type ausgeführt sein (es kann auch ein Rekuperator ange wendet werden), oder aber er kann auch gänzlich wegfallen. Sehr verschiedenartige Brennstoffe. gasförmiger, flüssiger oder fester Brennstoff können benutzt werden, und der Verbrennungsraum kann auf eine an sich bekannte Art auch hinter der Tur bine angeordnet werden.
Das Verfahren kann auch im Falle eines beliebig kon struierten Verdichters oder Turbine ange wendet werden, sowie auch dann, wenn mehrere Turbinen und mehrere Verdichter, und zwar eventuell so angewendet werden, dass die Verdichter nur durch einige der Turbinen angetrieben werden, während mit denselben parallel oder in Reihe geschaltete, mechanisch jedoch unabhängige Turbinen zum Tragen der nützlichen Last dienen.
Es ist möglich, in der -Anordnung gemäss Fig. 1 die Umgehungsleitung 17 und das Regelungsorgan 18 auch hinter dem Hoch druck-Austrittsstutzen 9 des Wärmeaus- tauschers 7 anzubringen, so dass sie zwischen dem Eintritsstutzen 12 und dem Austritts stutzen 13 der Turbine Verbindung her stellen. In diesem Falle wird beim Öffnen des Regelungsorganes 18 eigentlich nur die Turbine durch das entzogene Arbeitsmittel umgangen.
Es ist möglich, die in Fig. 3 dar- gestellte Einrichtung auch an der Turbine anzuwenden, wenn dabei ein gewisser Teil des Arbeitsmittels gleichzeitig auch dem Verdichter mittels einer oder mehreren Um gehungsleitungen entzogen wird, bezw. wenn ein gewisser Teil des Arbeitsmittels auf einem Umweg so geführt wird, dass er teilweise sowohl den Verdichter, als auch die Turbine umgeht.
In diesem Falle bedeu tet der Läufer 21 und der Ständer 29 den Läufer bezw. Ständer der Turbine, und der Zylinder 33 schliesst sich an die Austritts leitung der Turbine (an den Stutzen 13) an, so dass mittels der Anzapfungen 32, 32', 32", 32"' teilweise auch die Turbine aus dem Arbeitsvorgang ausgeschaltet wird, das heisst im Falle einer Teilbelastung auch durch einen Teil der Turbine - eventuell stufenweise - weniger Arbeitsmittel strömt, als in den Verdichter eingetreten ist. In diesem Falle nimmt der in der Turbine ein tretende Druckabfall im Falle von Teilbe lastung auch dadurch ab, dass der Arbeits; mittelstrom teilweise unter Umgehung der Turbine geführt wird.
Wie verständlich, übt die Führung eines Teils des Arbeitsmittels auf die Turbine mindestens teilweise umgehenden Wegen hinsichtlich der Regelung eine zweifache 'Wirkung aus: Einerseits wird dadurch die durch die Turbine geleistete Arbeit vermin dert, weil die die Turbine durchströmende Arbeitsmittelmenge geringer ist; anderseits aber wird hierdurch über die Charakteristik der Turbine der in der Turbine hervorge rufene Druckabfall in dem Sinne beeinflusst, . dass dieser um so geringer sein wird, je mehr Arbeitsmittel auf Umwegen geführt wird.
Die Abnahme des Druckabfalles in der Turbine wirkt gleichfalls vermindernd auf die Leistung zurück. Je grösser die Abnahme des Druckabfalles. in der Turbine ist, um so weniger Arbeitsmittel muss zwecks. Einstel lung der gegebenen Teilbelastung auf Um wegen geführt werden, was bezüglich des Wirkungsgrades der Gasturbine vorteil haft ist. Nachdem ein Zuwachs des in der Turbine eintretenden Druckabfalles mit einer Zunahme des im Verdichter hergestell ten Druckes gleichbedeutend ist, übt bei Teilbelastung auch die Charakteristik des Verdichters einen starken Einfluss auf den Wirkungsgrad der Gasturbine aus.
Wenn nämlich die in irgendeiner Stufe des Ver dichters hergestellte Drucksteigerung ab nimmt, nimmt das Volumen des in der Zeit einheit durchströmenden Arbeitsmittels zu. Somit ist es zweckmässig, solche Verdich ter und Turbinen anzuwenden, die minde stens in der Umgebung der normalen Be lastung ,eine sogenannte steile Druck-Volu- mencharakteristik besitzen.
Bei diesen Ver dichtern und Turbinen, wenn der Druck vor dem Verdichter bezw. hinter der Turbine mit po, und der Druck hinter dem Verdich ter bezw. vor der Turbine mit p bezeichnet ist, weiter, wenn das Volumen des in den Verdichter einströmenden bezw. aus der Turbine ausströmenden Gases im normalen Betriebszustande in der Zeiteinheit V" ist,
so wird bei dem Verdichter die auf den Ein strömungsdruck bezogene Abnahme des Ge gendruckes
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im Bereich des normalen Betriebszustandes. grösser sein, als die auf das im normalen Betriebszustand gelieferte Gasvolumen bezogene Zunahme
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des in den Verdichter in der Zeiteinheit eintreten den Gasvolumens.
Genau in dieser Weise ist bei den Turbinen mit steiler Charakteristik die auf den Gegendruck bezogene Abnahme des Eintrittsdruckes
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im Bereich des normalen Betriebszustandes grösser, als die auf das im normalen Betrieb ausströmende Gasvolumen bezogene Abnahme des aus der Turbine ausströmenden Gasvolumens
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wobei
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und
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sowohl bei der Turbine als auch bei dem Verdichter in absoluten Werten zu verstehen sind.
Die Anwendung derartiger Turbinen und Verdichter im Rahmen der Erfindung gibt im Sinne des Gesagten günstigere Teilwir kungsgrade, als wenn Maschinen mit flacher Charakteristik angewendet werden.