Verfahren und Einrichtung zum Betreiben von Turbomaschinen für elastische Flüssigkeiten bei verminderter Drehzahl bezw. Teillast. Umlaufende Verdichter und Turbinen, in welchen das Arbeitsmittel Volumenände rungen unterliegt, sind in der Regel so ge baut, dass sie beim normalen Betriebspunkt richtig und mit gutem Wirkungsgrad arbei ten. Treten also unter hiervon abweichenden Betriebsverhältnissen, wie z. B. beim Anlas sen oder bei verminderter Drehzahl bezw. Be lastung, nicht die den normalen Betriebsver hältnissen angepassten Volumenänderungen bezw. Geschwindigkeiten auf, so verschlech tert sich der Wirkungsgrad dieser Konstruk tionen. Diese Erscheinung kann in gewissen Fällen, z.
B. beim Anlassen einer für einen ansehnlichen Verdichtungsdiiick ausgelegten, aus Verdichtern und Turbinen bestehenden Gasturbinenanlage, sehr unangenehme Folgen haben. Bei derartigen Maschinen erfolgt das Anlassen dadurch, dass die Maschineneinheit mit Hilfe einer äussern Kraftquelle auf eine Drehzahl gebracht wird, bei welcher sie sich bereits aus eigener Kraft weiter beschleuni gen kann. Besitzt aber der Verdichter oder die Turbine während des Anlassens einen schlechten Wirkungsgrad, so steigt einerseits der Kraftaufwand der Anlassmaschine stark an, anderseits aber wird sich auch die be schleunigte Maschine nur von einer viel höheren Drehzahl angefangen aus eigener Kraft beschleunigen können.
Das erfindungsgemässe Verfahren soll die sen Nachteil dadurch beseitigen, dass beim Betrieb von Turbomaschinen für elastische Flüssigkeiten mit Teilbelastung bezw. mit verminderter Drehzahl die die Niederdruck stufen durchströmende Arbeitsmittelmenge gegenüber der die Hochdruckstufen durch strömenden Arbeitsmittelmenge dermassen vergrössert wird, dass hierdurch die Werte der Durchströmungsgeschwindigkeiten in den Hoch- und Niederdruckstufen denjenigen Ge schwindigkeitswerten näher gebracht werden, welche im vom normalen abweichenden Be triebszustand den günstigsten Wirkungsgrad ergeben.
Im Anwendungsfalle des Verfahrens auf eine aus einem mehrstufigen umlaufenden Verdichter und einer mehrstufigen Gastur bine bestehenden Gasturbinenanlage sind zu diesem Zwecke der Verdichter und die Gas turbine mit mindestens je einem an einer Zwischenstufe angeordneten, paarweise zu einem Umgehungsweg verbundenen Anschluss versehen, über welchen Umgehungsweg im vom normalen abweichenden Betriebszustand eine gewisse Arbeitsmittelmenge vom Ver dichter zur Turbine derart überströmen kann, dass diese Arbeitsmittelmenge die Hochdruck stufen beider Maschineneinheiten umgeht,
und hierdurch die erwähnte Vergrösserung der Arbeitsmittelmenge in den Niederdruckstufen gegenüber den Hochdruckstufen verursacht.
Ein Ausführungsbeispiel der zur Ver wirklichung des erfindungsgemässen Verfah rens dienenden Einrichtung ist in Längs schnitt in Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung gezeigt. Fig. 2 derselben stellt ein anderes Ausführungsbeispiel in Seitenansicht. dar, während Fig. 3 die Ansicht, bezw. ein teil weiser Längsschnitt eines weiteren, mit Wärmeaustauscher ausgerüsteten Ausfüh rungsbeispiel ist.
Gemäss Fig. 1 ist der im Verdichter- en 1 untergebrachte Verdichterläufer 4 mittels der in den Lagern 2, 2' gelagerten Welle 3 drehbar. Die am Läufer 4 befestig ten Schaufelkränze 5 sind zwischen den Ständerschaufelkränzen 6 angeordnet. Am Verdichtergehäuse ist bei den Enden des Läufers einerseits der Eintrittsstutzen 7, an derseits der Austrittsstutzen 8 angeschlossen. Mit der Welle 3 des Verdichters ist die Tur binenwelle 9 gekuppelt, welch letztere einen im Turbinengehäuse 10 untergebrachten Tur binenläufer 11 trägt.
Der Turbinenläufer 11 ist mit den Läuferschaufeln 12 ausgerüstet, während die Ständerschaufeln 13 in das Tur binengehäuse 10 eingesetzt sind. Die Tur binenwelle 9 ist in den Lagern 14, 14' ge lagert. Der Eintrittsstutzen 15 der Turbine steht mit dem Austrittsstutzen 8 des Ver dichters über den mit ' einem Brenner 16 aus gerüsteten Verbrennungsraum 17 in Verbin- dung. An dem der Eintrittsseite entgegenge setzten Ende des Turbinengehäuses schliesst sich der Austrittsstutzen 18 der
Turbine an. Anschliessend am Arbeitsraum des Verdich ters sind Anzapf- bezw. Umgehungsleitungen 19 und 20 angeordnet, welche durch die Off nungen 21 bezw. 22 in den Arbeitsraum des Verdichters münden: diese Umgehungslei- tungen stehen durch die Öffnungen 24 bezw. 25 auch mit dem Arbeitsraum der Turbine in Verbindung.
Die Leitungen 19 und 20, von welchen die Leitung 20 gemäss der Figur eine geringere Anzahl von Druckstufen als die Leitung 19 umgeht, sind mit den zum völligen Absperren oder zur Drosselung ihres Querschnittes geeigneten Absperr- bezw. Drosselorganen 26 bezw. 27 versehen.
Diese Einrichtung arbeitet folgender massen: Sind die Läufer in Bewegung, so saugt der Verdichter durch den Eintrittsstutzen 7 Arbeitsmittel (Luft) ein; verdichtet und drückt es durch den Austrittsstutzen 8 in den Brennraum 17, wo sich die Luft infolge der Verbrennung des durch den Brenner 16 ein geführten Brennstoffes erwärmt.
Von hier gelangt das Arbeitsmittel durch den Ein trittsstutzen 15 in den Arbeitsraum der Tur bine, von wo es, bis zu einem gewissen niedrigeren Druckwert entspannt, durch den Austrittsstutzen 18 ausströmt. Die von der Einrichtung geleistete Arbeit kann sowohl an der Welle 3 als auch an der Welle 9 ab genommen werden.
Falls die TJmgehungslei- tungen 19, 20 durch die Absperrorgane 26, 27 geschlossen sind, findet in ihnen gar keine Strömung statt; im allgemeinen ist dies der der normalen Belastung entsprechende Betriebszustand.
Wird die Einrichtung mit Drehzahlen oder Belastungen betrieben, welche unterhalb der normalen Werte liegen, so werden - da der im umlaufenden Verdichter erzeugbare Druck bei Verminderung der Drehzahl stark abnimmt - im Verdichter Durchströmungs- geschwindigkeiten entstehen, die von den jenigen des normalen Betriebszustandes mit bestem Wirkungsgrad abweichen, und zwar werden die Geschwindigkeiten - mit Rück sicht auf den verminderten Verdichtungs grad - im Vergleich zu den Werten, welche bei der verminderten Drehzahl einen guten @@; irl,:
ungsgrad ergeben würden, im allgemei- ren -,in der Hochdruckseite des Verdichters zu Uross, an der Niederdruckseite dagegen zu klein ausfallen. Ähnliches tritt auch bei der Turbine auf, da bei verminderter Drehzahl auch der in ihr entstehende Druckabfall kleiner wird als der normale Betriebswert.
Daher werden im Hochdruckteil der Turbine ebenfalls zu grosse, im Niederdruckteil da gegen zu kleine Geschwindigkeiten auftreten, wodurch auch der Wirkungsgrad-der Turbine abnimmt. Öffnet man in diesem Falle die in den Umgehungsleitungen 19, 20 unterge brachten Absperrorgane 26, 27, so strömt eine gewisse Arbeitsmittelmenge durch diese Leitungen. Dadurch wird die vorhin er wähnte nachteilige Geschwindigkeitsvertei lung im vorteilhaften Sinne verändert;
in den Hochdruckstufen wird nämlich die Strö- mungsgeschwindigl@cit abnehmen, da ein Teil des Arbeitsmittels durch die Anzapf- bezw. Umgehungsleitungen so geführt wird, dass er die Hochdruckstufen überhaupt nicht durch strömt. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei untereinander nicht zusammenhängende Umgehungsleitungen dargestellt; hierdurch wird eine möglichst gute Annäherung der Geschwindigkeitsverteilung in den -3laschinen an die anzustrebende Verteilung erzielt.
Man kann natürlich auch mehr als zwei gesonderte Anzapfleitungen bezw. Umgehungsleitungen verwenden; es ist aber auch möglich, den Verdichter nur an einer Stelle anzuzapfen, bezw. das durch die Anzapfung entzogeno Arbeitsmittel der Turbine nur an einer Stelle zuzuführen.
Wenn die Anzapfstelle des Verdichters und die Anschlussstelle der Umgehungslei tung an der Turbine so gewählt sind, dass an diesen Stellen im normalen Betriebszustand die gleichen Drücke herrschen, so kann man die in den Umgehungsleitungen unterge brachten Absperrorgane auch im normalen Betriebszustand offen halten, ohne dass in diesen eine Überströmung eintreten würde.
In einem solchen Ausführungsfall wird dann die Strömung bei verminderter Drehzahl oder bei Teilbelastung, wenn die eingeführte Wärmemenge kleiner als der der Normallast entsprechende Wert ist, durch die Umge hungsleitung selbsttätig in Gang gesetzt, wo durch die Absperrorgane bezw. ihre Steue rung entbehrlich werden.
Die beschriebene Betriebsweise hat aber neben der in bezug auf die Geschwindigkeits verteilung des strömenden Arbeitsmittels vor teilhaften Wirkung bei einer Gasturbinen anlage in geringem Masse auch eine nachtei lige Wirkung. Der Grund dieses Umstandes liegt darin, dass die in den Umgehungsleitun gen 19, 20 überströmende Arbeitsmittelmenge auch die zwischen dem Verdichter und der Turbine angeordnete Haupteinführungsstelle 17 der zur Erhaltung der jeweiligen Leistung in das Arbeitsmittel einzuführenden Verbren nungswärme umgeht.
Die in einer Umge hungsleitung ohne -V#Tärmezufuhr überströ mende Arbeitsmittelmenge besitzt nämlich keinesfalls die in der angeschlossenen Ent spannungsstufe der Turbine herrschende, son dern eine niedrigere Temperatur, weshalb sie abkühlend auf die in der Turbine strömende Arbeitsmittelmenge einwirkt, so dass hier durch die Leistungsfähigkeit der auf die An schlussstelle der Umgehungsleitung folgenden Niederdruckstufen der Turbine unmittelbar vermindert wird.
Anderseits entsteht eine Abnahme in der sonst möglichen Ausnutzung der Anlage dadurch, dass der in der Um gehungsleitung überströmenden Arbeitsmittel- menge, von ihrer Erhitzung auf Kosten des in den Niederdruckstufen der Turbine strö menden Arbeitsmittels abgesehen, keine nütz liche Energie zugeführt wird, und deshalb diese überströmende Arbeitsmittelmenge ohne eigenen Leistungsbeitrag gewissermassen nur als ein mit unvermeidlichen und nicht aus geglichenen Verdichtungs- und Strömungs verlusten behafteter Ballast wirkt,
welcher zufolge entsprechender Verminderung der vom Verdichter über die hauptsächliche Wärmezufuhrstelle zur Turbine geförderten Arbeitsmittelmenge auch die Einführung der an dieser Stelle erforderlichen Wärmemenge erschweren kann. Aus diesen Gründen ist es daher vorteilhaft, auch für die entsprechende Erwärmung der in der Umgehungsleitung strömenden Arbeitsmittelmenge im Wege eigener Wärmezufuhr Sorge zu tragen, was gemäss Fig. 1 mittels eines in eine besondere Brennkammer 29 der Umgehungsleitung 20 speisenden zusätzlichen Brennstoffzufuhr organs 28 bewerkstelligt werden kann.
Be sitzt die Anlage - wie Fig. 1 zeigt - mehr als eine Umgehungsleitung, so empfiehlt es sich, wenigstens in derjenigen Leitung Mittel zum Zuführen von Wärme vorzusehen, wel che die Verdichter- und Turbinenstufen höch sten Druckes umgeht. Diese Erwärmung der umgeleiteten Arbeitsmittelmenge kann aber auch, wie bei den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gemäss Fig. 2 und 3 gezeigt, dadurch stattfinden, dass die Umge bungsleitung durch den eigentlichen Haupt verbrennungsraum hindurchgeführt wird.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausfüh rungsform wird die Anzapfleitung 31 des Verdichters 30 nicht unmittelbar in der Um gehungsleitung 33 der Turbine 32 fortgesetzt, sondern es wird diese Anzapfleitung 31 so wie ihre zur Turbine führende Fortsetzung 33 so an den zwischen dem Austrittsstutzen 35 des Verdichters und dem Eintrittsstutzen 36 der Turbine angeordneten Verbrennungs raum 34 angeschlossen. dass diese drei Teile zusammen einen Umgehungsweg vom Ver dichter zur Turbine bilden. In die Leitungen 31 und 33 sind die auch zur gänzlichen Ab sperrung der Leitungsquerschnitte geeigneten Regelorgane 37 bezw. 38 eingeschaltet.
Diese Einrichtung arbeitet im Normalbetrieb im allgemeinen derart, dass die Organe 37 und 38 geschlossen sind; beim Anlassen oder bei Betrieb mit verminderter Drehzahl bezw. mit Teilbelastung hingegen werden die Absperr organe 37, 38 geöffnet. wodurch ein Teil des Arbeitsmittels so geführt wird, dass es die Hochdruckstufen des Verdichters und der Turbine umgeht. Damit dieser Fall beim Ver dichter eintreten kann, ist es erforderlich, dass für den Fall der Betätigung des Regelorgans 37 sich bei der Anschlussstelle der Anzapf- leitung 31 am Verdichter ein etwas höherer Druck als im Austrittsstutzen 35 einstellen kann.
Wie es den Fachkreisen bekannt sein dürfte, ist dies wohl möglich, da mit fort schreitender Abnahme der Leistung der An lage, das heisst des gesamten Überdruckes des Verdichters, der Druckunterschied zwischen der Endstufe und einer Zwischenstufe des Verdichters allmählich abnimmt und schliess lich auch negativ sein, das heisst der Druck der Zwischenstufe gegebenenfalls den Druck in der Endstufe übersteigen kann.
In einem solchen Falle arbeitet der zwischen der Zwi schenstufe und dem Austrittsstutzen liegende Teil des Verdichters, bei unveränderter Durch strömungsrichtung des Arbeitsmittels, mit der Rückseite der Schaufeln als eine Turbine, in welcher also statt Verdichtung eine ge ringe Entspannung stattfindet. Steht also die Zwischenstufe mit dem Austrittsstutzen des Verdichters über eine Anzapfungsleitung in Verbindung, so wird dann in dieser letzteren eine die Hochdruckstufen umgehende Strö mung eintreten.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Anord nung verzweigt sich die Anzapfleitung 40 des Verdichters 39 in die Leitungen 41 und 42. Die Leitung 41 schliesst sich an den Druckraum 43 des Verdichters an, während die Leitung 42 in die Leitung 44 mündet, in welcher ein niedrigerer Druck als im Raum 43 herrscht; im dargestellten Beispiel ist die Leitung 44 zugleich die Austrittsleitung der Turbine.
Die an die mittleren Stufen der Tur bine 45 angeschlossene Umgehungsleitung 46 hat ebenfalls zwei Verzweigungen 47, 49, deren eine, die mit 47 bezeichnete, sich an den auch mit dem Eintrittsstutzen 48 der Turbine verbundenen Verbrennungsraum 56 an schliesst, während die Verzweigung 49 mit der die Fortsetzung des Austrittsstutzens der Turbine bildenden Niederdruckleitung 50 in Verbindung steht.
Bei dieser Anordnung ist zwischen die Hochdruckleitung 43 des Ver dichters und dem Eintrittsstutzen 48 der Tur bine ein an sich bekannter Wärmeaustau- scher 51 eingebaut, welcher zur Erwärmung des durch den Verdichter verdichteten fri schen Arbeitsmittels mit Hilfe des die Tur bine verlassenden Arbeitsmittels dient. Die auch zum völligen Absperren geeigneten Re gelorgane 52, 53, 54, 55 dienen zum Drosseln bezw. zum Absperren der Leitungen 41, 42, 4 7 und 49.
Diese Einrichtung arbeitet derart, dass im Normalbetrieb die Regelorgane im allgemei nen geschlossen gehalten werden, so dass weder durch die Anzapfleitung 40 noch durch die Umgehungsleitung 46 Arbeitsmittel strömt. Bei verminderter Drehzahl oder beim Anlassen werden die Regelorgane 52 und 54 geöffnet, wodurch erreicht wird, dass die Ein richtung gemäss der Arbeitsweise der in %A) dargestellten Einrichtung arbeitet, so dass ein Teil des Arbeitsmittels die Hochdruckstufen des Verdichters und der Turbine umgeht und dabei im der ganzen Turbine vorgeschalteten Verbrennungsraum 56 durch Aufnahme von Verbrennungswärme erwärmt wird.
Will man die Einrichtung mit voller Drehzahl, jedoch mit Teilbelastung arbeiten lassen, so. ist es zweckmässig, nach Überführung des Regel , organes 52 in die Schliessstellung das Regel organ 53 zu öffnen; in diesem Falle wird ein Teil des Arbeitsmittels durch die Leitung 42 unmittelbar in die Leitung 44 ausströmen, ohne den Hochdruckteil des Verdichters durchströmt zu haben.
Falls gleichzeitig das Regelorgan 54 geschlossen und das Regel organ 55 geöffnet wird, so wird sich in der Turbine, an der Anschlussstelle der Umge hungsleitung 46, aus einem analogen Grunde wie bezüglich der Druckerhöhung an der Anzapfstelle des Verdichters 30 (Fig. 2) im obigen erörtert wurde, ein etwas geringerer Druck als im Austrittsstutzen der Turbine einstellen, so dass der zwischen der Um gehungsleitung und dem Austrittsstutzen lie gende Endteil der Turbine für diesen gerin gen Druckunterschied in der unveränderten Durchströmungsrichtung mit der Rückseite der Schaufeln als Verdichter arbeiten wird,
so dass ein Teil des Arbeitsmittels, nach Durchströmung der Turbine, aus der Aus trittsleitung 50 über die Leitungsstücke 49 und 46 in niedrigere Druckstufen der Tur bine zurückströmen wird. Dadurch wird auch jetzt erreicht, dass die Hochdruckstufen der Turbine in der Zeiteinheit durch eine gerin gere Arbeitsmittelmenge als die Niederdruck stufen durchströmt werden und auch das Ver hältnis der sich in diesen Stufen einstellenden Strömungsgeschwindigkeiten entsprechend ge ändert wird, was bei Teillast eine Verbesse rung des Wirkungsgrades der Turbine zur Folge hat.
Es sei noch bemerkt, dass die Anordnung gemäss dieser letzteren Fig. 3 auch so ab geändert werden. kann, dass das Leitungsstück 47 nicht aus dem Verbrennungsraum 56, son dern noch vor diesem, unmittelbar hinter der Austrittsöffnung des Hochdruckarbeitsrau mes des Wärmeaustauschers 51 abgezweigt. ist. In diesem Falle findet die Erwärmung der die Hochdruckstufen der Turbine 45 um gehenden Arbeitsmittelmenge im Wärmeaus- tauscher mittels Abgaswärme statt.
Die Er wärmung des umgeleiteten Arbeitsmittels durch die Abgaswärme ist aber zum Beispiel auch im Falle der Anordnung gemäss Fig. 1 mit Hilfe eines besonderen zu diesem Zwecke dienenden Wärmeaustauschers möglich.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann in jedem Falle mit Vorteil verwendet werden, wenn bei umlaufenden Maschinen das Mass der Volumenänderung vom Normalwert aus irgendwelchem Grunde abweicht. Die Erfin dung kann selbstverständlich nicht nur in den den Ausführungsbeispielen entsprechen den, sondern auch in hiervon abweichenden Fällen, sowie auch dann angewendet werden, wenn der Verdichter oder die Turbine an statt der beispielsweise dargestellten, ach- sialen Durchströmung gemäss einem andern System arbeitet. Ebenso können auch die Or gane für Brennstoffzufuhr und Verbrennung, sowie der Wärmeaustauscher usw. von an derer Bauart sein.