Gasturbinenanlage mit einem Axialverdichter. Die Erfindung bezieht sich auf eine Gas turbinenanlage mit einem Agialverdichter zur Verdichtung von Arbeitsmittel und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Teilung der Laufsehaufelung im Verdichter schon am Schaufelfuss mindestens den 1,25fachen Wert. der Sehnenlänge des Schaufelprofils an dieser Stelle besitzt.
Für Axialverdichter von Gasturbinen wurden bis anhin Laufschaufelungen ver wendet, bei denen die Schaufeln recht dicht angeordnet sind. Die Schaufelteilung wurde praktisch kleiner oder höchstens gleich gross wie die Profilsehne gewählt. In jeder Ver- uichterstufe sollte dadurch ein möglichst gro sses Druckverhältnis erzeugt werden, um die Stufenzahl des Verdichters möglichst klein halten zu können.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass mit der Vergrösserung der Schaufel teilung über den Wert der Profilsehne hinaus wohl das in einer Stufe zu erreichende Druck verhältnis kleiner, dafür aber bei sich ändern dem Fördervolumen viel weniger beeinflusst wird. Die Laufschaufel nimmt dabei mehr und mehr die Eigenschaften eines freien, in ungestörter Strömung liegenden Tragdeckes an.
Für Ga.sturbinena,nlagen vermag die folgerichtige Ausnützung dieser Erkenntnis einen ausschlaggebenden Erfolg herbeizufüh ren, weil im Verdichter eine weit grössere Leistung als die Nutzleistung, oft das Mehr fache von ihr, umgesetzt wird. Ausserdem wird ein solcher Verdichter entsprechend den Änderungen der Nutzleistung mit stark ändernden Leistungen betrieben.
Die Verbes serung des Einzelwirkungsgrades des Ver dichters in einem weitenBereich zwischen Teil- und Überlast verbessert deshalb in entspre chend vermehrtem Mass den Gesamtwirkungs grad der Anlage.
Die Vergrösserung der Schaufelteilung hat schliesslich noch die weitere Wirkung, dass das Pumpen eines Verdichters erst bei stark verminderten Fördermengen eintritt. Hierdurch entsteht bei Gasturbinenanlagen der nicht zum vornherein zu erwartende Effekt, da.ss das Inbetriebsetzen der Anlage wesentlich erleichtert wird, wie die folgende Überlegung erkennen lässt.
Wird nämlich zur Verminderung der Leistung einer Gastur- binenanlage in üblicher Weise die Drehzahl des Verdichters herabgesetzt, so sinkt der Förderdruck und damit die Gasmenge, welche durch den Verdichter und die Tur bine gefördert wird. Bei dieser Herab setzung der Drehzahl und der Fördermenge würde schliesslich die Pumpg-renze des Ver dichters erreicht.
Liegt die Pumpgrenze schon bei verhältnismässig grossen Fördermengen, wie bei Verdichtern mit enger Schaufel teilung, so muss die Temperatur vor der Gas turbine gesenkt werden, um das spezifische Volumen des Arbeitsgases vor der Turbine zu vermindern und damit die durch Turbine und Verdichter durchgesetzte Menge zu ver grössern. Das Eintreten in das Pumpgebiet kann so noch verhütet werden.
Die Herab- setzung der Betriebstemperatur bei niedriger Leistung bringt aber einen andern Nachteil mit sich. Insbesondere beim Inbetriebsetzen der Anlage muss die Anlage mit so niedrigen Temperaturen betrieben werden,
dass die Zün dung des Brennstoffes leicht aussetzt. Die Vergrösserung der Sehaufelteilung ermöglicht bei einer Gasturbinenanlage selbst bei sehr geringen Teillasten - also auch beim In- betriebsetzen - noch mit einer verhältnis mässig hohen Temperatur des Gases zu arbeiten. Kann aber .gleich beim Inbetrieb- setzen schon mit erhöhten Temperaturen ge arbeitet werden, so ist damit die Gefahr des Aussetzens der Zündung praktisch vermieden.
Es empfiehlt sich, für eine Schaufelung nach der Erfindung ein Profil zu wählen, welches bei Normallast der Anlage einen Auftriebskennwert von mindestens 0,7 er reicht. Vorteilhaft wird der Verdichter so ausgebildet, dass sein Förderdruck mindestens das Sechsfache des Eintrittsdruckes beträgt. Die Verdichtung des Arbeitsmittels kann in mindestens zwei mechanisch miteinander ge- kuppelten Axialverdichtern erfolgen.
Der Förderdruck des letzten dieser Verdichter beträgt zweckmässig mindestens das Sechs fache des Eintrittsdruckes des ersten Ver- dichters.
Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Fig. 1 und 2 zeigen in Ansicht bezw. im abgewik- kelten Zylinderschnitt II-II nach Fig. 1 einen Ausschnitt einer Laufschaufelung für einen Verdichter einer Anlage nach der Er findung.
Fig. 3 veranschaulicht in einem Schaubild den Verlauf der Werte für das Druckverhältnis in einer Stufe und für den Stufenwirkungsgrad eines Verdichters einer seits bei einer bisher bekannten Anlage und anderseits bei einer Anlage gemäss der Er findung. In Fig. 4 und 5 ist je eine Gas turbinenanlage gezeigt, bei denen der Erfin dungsgegenstand zur Anwendung gebracht ist.
Der Läufer 1, Fig. 1 und 2, besitzt eine Reihe von Laufschaufelkränzen, von denen ein Ausschnitt des Laufschaufelkranzes 2 zur Darstellung gebracht isst. Im Gehäuse 3 sind die Leitschaufelkränze befestigt, von denen ein Ausschnitt des Leitschaufelkranzes 4 dargestellt ist. Die Teilung der Laufschau feln im Bereich des Schnittes II-11 am Schaufelfuss besitzt den Wert t,
die Sehnen länge des Profils der Schaufeln den Wert. s. Die Teilung t besitzt einen über dem 1,25- fachen Wert liegenden - im vorliegenden Fall den 1,35fachen - Wert der Profilsehne s. In andern Fällen können auch noch grö ssere Werte gewählt werden. Weiter ist zu beachten, dass infolge der radialen Erstrek- kung der Schaufeln der Wert der Schaufel teilung gegen die Schaufelspitzen grösser, der Wert der Sehnenlänge aber eher kleiner wird.
Für die Schaufeln des Laufkranzes 2 wird zweckmässig ein Profil gewählt, welches bei Normallast der Anlage einen Auftriebs beiwert von mindestens 0,7 besitzt.
Im Schaubild nach Fig. 3 ist als Ab szisse das von einer Verdichterstufe geför derte Volumen T' und als Ordinate der Druckzuwachs 4p in dieser Stufe und der Wert 7 des Stufenwirkungsgrades eingetra gen.
Die Kurven 4p und 4p' stellen das Druckverhältnis für eine Verdichterstufe einer Anlage nach der Erfindung bezw. eine solche einer Anlage bekannter Art und die Kurven i -und 21" den Verlauf des Wirkungsgrades bei diesen Maschinen dar.
Ein Vergleich der Druckvolumenkurven zeigt, dass bei der weiten Schaufelteilung nach der Erfindung der zu erreichende abso lute Höchstwert für den Druckanstieg 4p kleiner ist als bei einer bekannten Anlage. Dafür ist aber der Verlauf der Kurve 4p für weite Schaufelteilung bei Änderung des För- dervolumens weit flacher als der Verlauf der Kurve 4p' für enge Schaufelteilung.
Dieser flache Verlauf ermöglicht innerhalb eines weiten Leistungsbereiches zu beiden Seiten des für Normallast geltenden Wertes T'" einen für den Betrieb genügend hohen V er- dichtungsdruck erreichen zu können.
Unterhalb eines Fördervolumens T"",;" bezw. -17'",;n, bei welchem die Druckvolumen kurve ihre Kulmination erreicht, tritt die Er scheinung des Pumpens ein.
Bei einer An- h@.ge nach der Erfindung tritt dieser den Be trieb störende Vorgang erst. bei einem viel kleineren P-Wert ein. Auch die Wirkungs gradkurve 27 bei weiter Schaufelteilung hat einen flacheren Verlauf als die Wirkungs- gxa,dkurve <B>77'</B> für eine Sahaufelung mit klei ner Teilung.
Zudem liegt der ganze Verlauf der Wirkungsgradkurve für eine Sahaufelung mit grosser Teilung höher als bei der Wir kungsgradkurve für eine Scba.ufelung mit kleiner Teilung.
Der Unterschied der Charakteristiken der engen und der weiten Teilung ist für Crasturbinenanlagen - was bisher noch nicht. erkannt wurde - von entscheidender Wichtigkeit. Bei Betriebszuständen mit Lasten, die von der normalen Last ab weichen, wird durch den Verdichter nicht das Volumen gefördert werden können, wel ches bei der gegebenen Drehzahl gerade die günstigen Betriebsverhältnisse ergeben würde.
Der Verdichter muss aus Betriebsgründen der Ga.sturbinenanlagen sehr oft, oder gar in den meisten Fällen, Gasvolumen fördern, die ganz beträchtlich vom günstigsten Volumen entweder nach oben oder nach unten ab weichen.
Das hat zur Folge, dass bei enger Sohaufelteilung die Anlage nur ausnahms weise mit gutem Wirkungsgrad arbeitet, in den meisten Fällen aber ins Gebiet schlech ter Wirkungsgrade fällt und sogar die Pump grenze erreicht. - Wird eine Schaufelung verwendet, deren Teilung mindestens den 125fachen Betrag der Sehnenlänge des Pro fils beträgt, so wird nicht allein der Wir kungsgrad der Anlage für das. Volumen der Normallast gehoben, sondern es wird auch der Betriebsbereich zu beiden Seiten der Nor mallast, in welclhem die Anlage immer noch wirtschaftlich arbeitet, wesentlich erweitert.
Die Gasturbinenanl'age nach der Fig. 4 besitzt einen Verdichter 7, eine Brennkammer 8, eine Gasturbine 9 und einen Stromerzeu ger 10. Der Verdichter 7 saugt aus der Atmo sphäre Luft an, fördert sie in verdichtetem Zustand in die Brennkammer B. Hier wird die Luft mittels der Flamme eines Brenners 11 erhitzt. Das erhitzte Gasgemisch wird durch die Turbine 9 geführt und strömt nach Entspannung in die Atmosphäre ab.
Anlagen der beschriebenen einfachen Art haben bis heute mit Wirkungsgraden ge arbeitet, welche nur in Ausnahmefällen eine Verwendung wirtschaftlich noch tragen liessen. Gewöhnlich wurde bei solchen An lagen der Verdichtungs.dnick für Normal last etwa mit 2-4 ata festgelegt, obwohl sich der Wirkungsgrad bei Normallast mit Erhöhung des Verdichtungsdruckes noch hätte verbessern lassen. Einer solchen Druck erhöhung stand aber bisher der schlechte Wirkungsgrad bei Teil- und Überlasten ent gegen.
Würde nämlich auf einen höheren Druck verdichtet, so würde die Belastung einzelner Stufen viel stärker von der Normal last abweichen als bei niedrigerem Druck mit weniger Verdichtungsstufen. Bei Normallast hätte diese Druckerhöhung wohl keine Schwie- rigkeiten zur Folge. Sobald aber Abwei chungen von der Normallast vorkommen, er fährt der Betriebszustand in einzelnen Stu fen so starke Abweichungen vom Normal zustand, da.ss erhebliche Betriebsstörungen entstehen.
Bei der bisherigen Verwendung enger Schaufelteilungen konnte man deshalb nicht zu grösseren Verdichtungsverhältnissen übergehen. Eine Schaufelung mit weiter Tei lung dagegen erlaubt, des günstigen Ver- laufes ihrer Charakteristiken wegen,
die Anwendung grösserer Verdichterverhältnisse und damit die Ausnützung besserer thermo dynamischer Verhältnisse. Der Druck des verdichteten Arbeitsmittels kann auf das Sechsfache des Anfangsdruckes und noch höher gesteigert werden.
Die Gasturbinen.anla.ge nach Fig. 5 eignet sich besonders für den mechanischen Antrieb von Fahrzeugen, z. B. von Lokomotiven. Die Anlage besitzt einen Verdichter 7, eine Brennkammer 8, eine Verdichterturbine 12, eine Nutzleistungsturbine 13 und ein mecha- nischeg Getriebe 14.
Der Verdichter 7 ist in einen Niederdruckteil und einen Hochdruck teil unterteilt, die über einen Zwischenkühler 15 miteinander verbunden sind.. Zur Ein- spritzeng von Kühlwasser besitzt der Kühler eine Einspritzdüse 16.
Der Verdichter saugt aus der Atmosphäre Luft an, die in teilweise verdichtetem Zu stand im Zwischenkühler 15 durch das ein- gespritzte Wasser gekühlt wird. Das ver dichtete und durch den Wasserdampf ver mehrte Arbeitsmittel strömt in die Brenn- kammer 8, wo es durch die Flamme des Brenners 11 erhitzt wird.
In einer ersten Entspannungsstufe erzeugt das Arbeitsmittel in der Turbine 12 .die Leistung zum Antrieb des Verdichters 7. In einer zweiten Ent spannungsstufe wird in -der Turbine 13 die Nutzleistung erzeugt, die über das Getriebe .14 auf die Torsionswelle 17 des Fahrzeuges übertragen wird.
Anlagen der beschriebenen Art können bei Normallast und erhöhten Drücken einen ganz beachtlichen Wirkungsgrad und insbesondere eine sehr ,grosse Leistungsdichte erreichen. Weicht jedoch die Belastung von der Nor mallast ab, so fällt bei Verwendung einer engen Verdichterschaufelung der Wirkunngs- grad rasch, weil der Verdichter ein veränder tes Volumen fördern muss.
Wird die Schaufel teilung des Verdichters entsprechend der Er findung bemessen, so lassen sich auch bei Teil- und Überlasten trotz des hohen Ver- dichtungsverhältnisses günstige Betriebsver hältnisse und gute Wirkungsgrade aufrecht- ,erhalten.
Die Leistung lässt sich auch mittels elek trischer oder hydraulischer Getriebe auf die Treibachsen übertragen.
Die in Fig. 4 und 5 dargestellten Gas turbinenanlagen sind einfache Ausführungs beispiele. Die gleichen Vorteile lassen sich auch bei Anlagen erreichen, die noch mit weiteren den Wirkungsgrad verbessernden Vorrichtungen ausgerüstet sind, gleichgültig ob es sich dabei, wie beschrieben, um offene Gasturbinenanlagen oder um Anlagen han delt, bei denen das gesamte Arbeitsmittel oder nur ein Teil desselben einen Kreislauf beschreibt.
Zur Verdichtung des Arbeits mittels können auch mehrere Axialverdichter verwendet werden, die mechanisch miteinan der ,gekuppelt sind. Dabei werden sie so aus gelegt, dass der Förderdruck des letzten Ver dichters mit dem höchsten Druck mindestens das Sechsfache des Eintrittsdruckes des ersten Verdichters mit dem niedrigsten Druck be trägt.