CH244432A - Verfahren zur Regelung der Leistung von Gasturbinenanlagen. - Google Patents

Description

  Verfahren zur Regelung der Leistung von     Gasturbinenanlagen.       Eine     Gasturbinenanlage    für ein beliebiges  Gas (auch Heissluft) als Arbeitsmittel weist  bekanntlich mindestens einen Kompressor,  einen     Brennraum    und eine     Turbine    auf.  



  Will man nun bei     Teillast    die Drehzahlen  der Maschinen wenigstens angenähert kon  stant halten und dafür die Fördermengen  reduzieren, so muss der vom Kompressor er  zeugte Druck (der mit sinkender Förder  menge eher ansteigt) dem Druck vor der Tur  bine (der mit sinkender Fördermenge rasch  fällt) angepasst werden. Dies kann am ein  fachsten durch eine Drosselung mittels einer       Querschnittsverengung    auf der Saugseite oder  auf der     Druckseite    des Kompressors erfolgen.  Jede Drosselung ist aber eine Energiever  nichtung und setzt den Wirkungsgrad herab.  



  Die vorliegende Erfindung bezweckt, bei       Gasturbinenanlagen,    deren     Kompressor    und  Turbine bei     allen    Lasten mit mindestens an  genähert konstanter Drehzahl laufen, eine       Teillastmengenregelung    zu, schaffen, bei wel  cher diese     Energievernichtung    vermindert  wird.

   Das Verfahren nach der Erfindung be-    steht darin, dass bei Teillast mindestens eine       Expansionsstufe    zur     Ausnützung    des bei       kleiner    Fördermenge zu hohen Druckgefälles  eingeschaltet wird, derart,     dass    bei minimaler  Last mindestens angenähert die gesamte     Ar-          beitsmittelmenge    der Anlage durch diese Ex  pansionsstufe strömt, während bei maximaler  Last mindestens angenähert .die gesamte Ar  beitsmittelmenge über eine     By-pass-Leitung     um diese     Expansionsstufe    herumgeführt wird.  



  An Hand der beiliegenden Zeichnung,  welche schematisch einige Ausführungsbei  spiele der ebenfalls Gegenstand -der Erfin  dung bildenden Einrichtung zur Durchfüh  rung des Verfahrens zeigt, wird das Verfah  ren nach der Erfindung beispielsweise erläu  tert.  



       Fig.    1 zeigt eine übliche Gasturbinen  anlage offener     Schaltungsart.    1 ist der Kom  pressor, 2 der     Brennraum    und 3 die Turbine.  Die Luft wird vom     Kompressor    1 angesaugt,  auf Druck gebracht und dem Brennraum 2  zugeführt. Die Heissgase strömen zur Tur  bine 3, wo sie z. B. auf Atmosphärendruck      expandieren. Die Abgase können weiter aus  genutzt werden, z. B. zur     Vorwärmung    der       Kompressorluft    usw.  



  Bei Teillast wird durch das Ventil 4 die  Luftmenge zum Kompressor so weit gedros  selt, dass der     Druck    nach dem Kompressor 1  dem Druck entspricht, der sich entsprechend  der kleineren Fördermenge in der Turbine 3  einstellt. Durch Schliessen des Ventils 4 sinkt  der Druck vor dem Kompressor 1. Das da  durch     entstehende    Druckgefälle zwischen der  Atmosphäre und dem Kompressor 1     wird     durch Drosselung vernichtet und geht ver  loren; zudem     bewirkt    die Drosselung eine dem  tieferen Druck entsprechend zu hohe Tem  peratur,     wa.s    den Kraftbedarf erhöht.  



       Fig.    2 zeigt das erste     Ausführungsbei-          spiel,der    Erfindung. Bei Normallast wird die  Luft vom Kompressor 1 durch Leitungen 5  und 6 angesaugt. Das Ventil 4' ist offen  und somit arbeitet die Anlage wie diejenige  nach     Fig.    1. Bei Teillast wird das Ventil 4'  nach und nach geschlossen, und die Luft.  strömt ganz oder teilweise durch eine Leitung  7 zur Turbine 8 und von dieser zum Kom  pressor 1.

   Vor dem Kompressor muss der  Druck bei Teillast entsprechend der kleineren  Fördermenge sinken; je kleiner die Teillast,  je kleiner ist der Ansaugdruck des     Kompres-          sors.    Die     Teillastturbine    8 nützt nun das  Druckgefälle zwischen der Atmosphäre und  dem Druck vor dem Kompressor 1 aus. Da  der Kompressor immer das gleiche Volumen  ansaugt, der Druck vor dem Kompressor aber  abhängig ist von der Grösse der Teillast, wer  den zweckmässig die     Durchtrittsquerschnitte     der Turbine 8 mit Änderung der Teillast ver  ändert, was durch eine     'Querschnittsregelung     gut möglich ist.

   Es     könnte    auch das Ventil  4' zur Drosselung mitbenutzt werden; aber  die damit     abgedrosselte    Luftmenge leistet  keine Arbeit, und zudem wird durch Dros  selung die Temperatur vor dem Kompressor  erhöht und damit die Kraftaufnahme. Der  Kompressor -wird im allgemeinen mehrstufig  sein, und es ist daher möglich, dass insbeson  dere die letzten Stufen bei der Drucksenkung  vor dem Kompressor nicht mehr zu den ersten    Stufen passen und dass "Pumpen" eintritt.  Um dies zu vermeiden, können die Quer  schnitte nach den Laufrädern des Kompres  sors und abhängig von der Belastung ver  ändern werden, oder es kann eine     "Pump-          verhütungs"-Einrichtung    angeordnet     -werden.     



       Fig.    3 zeigt eine andere Ausführung des  Erfindungsgegenstandes.. Bei Normallast     wird     die Luft vom     Kompressor    1 durch den     Brenn-          raum    2 und Leitungen 18 und 19 zur Turbine  3 gedrückt. Das Ventil 10 ist offen. Bei Teil  last muss die Fördermenge verkleinert wer  den.

   Es erfolgt dies auf einfache Weise mit  tels der Turbine 11; diese wird bei Teillast  infolge Schliessens des Ventils 10     beauf-          schla.gt.    Um bei allen Teillasten günstig zu  arbeiten, kann die Turbine 11, ähnlich     wie     die Turbine 8 in     Fig.    2,     Querschnittsregelung     erhalten.  



  Auch bei dieser Ausführung wird der im  allgemeinen mehrstufige Kompressor mit Ab  nahme der Fördermenge ins     "Pumpen"    kom  men; es werden also auch hier die Quer  schnitte nach den Laufrädern des     Kompres-          sors    den durchströmenden -Mengen angepasst.  



  Die Turbine 11 kann auch zwischen zwei  Expansionsstufen der Hauptturbine 3 ange  ordnet werden, oder,     -wenn    die     Hauptturbine    3  in mehrere     Teilturbinen    unterteilt ist, zwi  schen zwei derselben. Die Turbine 11 kann  auch nach der Turbine 3 geschaltet sein, wie  das Beispiel     Fig.    4 zeigt. Bei Normallast  bleibt das Ventil 10 offen und bei Teillast  ganz oder teilweise geschlossen. Der Druck  nach der Turbine 3 entspricht bei Normallast  ungefähr dem Atmosphärendruck. Bei Teil  last steigt der Druck nach der Turbine 3 um  so mehr, je kleiner die Teillast ist. Die Tur  bine 11 nützt das Druckgefälle zwischen Tur  bine 3 (Austritt) und dem Atmosphärendruck  aus.  



  Beim Beispiel     Fig.    5 wird eine     einstufige          Teillastturbine    verwendet. 12 bedeutet ein  dem Laufrad 13     vorgeschaltetes        Leitrad.    Die       Zuströmung    der Luft erfolgt durch den Stut  zen 14, die     Abströmung    durch den Stutzen  15.     Fig.    6 zeigt hierzu die Anordnung der       112engenregelungsventile.    Bei Normallast sind      alle Ventile 16, 17 und 18 offen. Die Luft  strömt durch das offene Ventil 4'     (Fig.    2)  entsprechend dem kleinsten Widerstand un  mittelbar zum     Kompressor    1.

   Bei Übergang  auf Teillast beginnt zunächst das Ventil 4'  zu schliessen     und    ist z. B. bei 3/4 Last ge  schlossen. Hierauf beginnt das Ventil 17 zu  schliessen, das bei 1/ Last geschlossen ist.  Unter 1/2 Last bis 1/4 Last schliesst das Ventil  16; das     Ventil    18 .schliesst     unterhalb    1/4 Last.  Durch diese Anordnung kann das Druck  gefälle zwischen Atmosphäre und     Kompres-          soreintrittsdruck    ausgenützt werden, wodurch  der Wirkungsgrad bei Teillast wesentlich ge  hoben wird. Ähnlich ist die Gasturbine 11  der Beispiele     Fig.    3 und 4 gebaut.  



  Um bei mehrstufigen Kompressoren bei  abnehmender Luftmenge das "Pumpen" zu  vermeiden,     kann.    in einzelnen oder allen Stu  fen eine Anpassung der     Leitquerschnitte    nach  den Laufrädern an die Fördermenge nach be  kannten Anordnungen erfolgen.  



  Kompressor, Turbinen und Brennräume  können beliebiger Bauart .sein. Auch können  beliebige     Wärmeanstauscher,    je nachdem es       das        System    verlangt, vorhanden sein.  



  In jedem Falle wird bei Teillast die Ar  beitsmittelmenge herabgesetzt durch eine       Querschnittsverminderung    vor oder nach dem  Kompressor, und es wird mindestens eine Ex  pansionsstufe zur Ausnützung des bei klei  nerer Fördermenge zu hohen Druckgefälles  eingeschaltet. Die     Querschnittsverminderung     kann in der     Teillastturbine    selber erfolgen  oder zusätzlich noch an einer andern Stelle,       insbesondere    am     Kompressorgehäuse.     



  Die Atmosphäre kann auch durch einen  höheren oder tieferen Druck ersetzt sein, je  nach System und Zuleitung.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH I: Verfahren zur Regelung der Leistung von Gasturbinenanlagen mit mindestens einem Kompressor und mindestens einer Turbine, deren Drehzahlen bei allen Lasten mindestens angenähert konstant bleiben, dadurch gekenn zeichnet, dass bei Teillast mindestens eine Expansionsstufe zur Ausnützung des bei kleiner Fördermenge zu' hohen Druckgefälles eingeschaltet wird, derart, dass bei minimaler Last mindestens angenähert die gesamte Ar beitsmittelmenge der Anlage durch diese Expansionsstufe strömt,

   während bei maxi maler Last mindestens angenähert die ge samte Arbeitsmittelmenge über eine By-pass- Leitung um diese Expansionsstufe herumge führt wird. UNTERANSPRü CHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass bei Teillast eine auf der Saugseite des Kompressors angeord nete Expansionsstufe eingeschaltet wird. 2.

   Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass bei Teillast eine zwischen Kompressor und. Hauptturbine an geordnete Expansionsstufe eingeschaltet wird. 3. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass bei Teillast eine zwischen zwei Stufen der Hauptturbine an geordnete Expansionsstufe eingeschaltet wird. 4. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass bei Teillast eine nach der Hauptturbine angeordnete Expan sionsstufe eingeschaltet wird. 5.

   Verfahren nach Patentanspruch I, da durch .gekennzeichnet, dass die Mengenrege lungsventile einer als Teillastturbine vorge sehenen Expansionsstufe mit abnehmender Belastung geschlossen, mit zunehmender Be lastung geöffnet werden. 6. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass bei Normallast eine als Teillastturbine vorgesehene Expan sionsstufe ausgeschaltet wird. 7.

   Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass bei Teillast die nach den Laufrädern liegenden Leitkanäle des Kompressors in ihrem Querschnitt zwecks Anpassung an die Fördermenge verändert werden. B. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Mengenregelung durch Verkleinerung von Querschnitten erfolgt.

   .9. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass bei kleinen För- dermengen am Kompressor eine "Pumpver- hütungs"-Einriehtung eingeschaltet wird. 1Ö. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass bei Teillast eine Expansionsstufe eingeschaltet wird, die für Mengenregelung gebaut ist.

   PATENTANSPRUCH II: Einrichtung zur Durchführung des Ver fahrens nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass sie mindestens eine Tur binenstufe und mindestens eine By-pa.ss-Lei- tung zur Umgehung derselben sowie Absperr organe zur Beschickung der Turbinenstufe oder der By-pass-Leitung mit Arbeitsmittel aufweist.