Mehrwellige Gasturbinenanlage Die Erfindung bezieht sich auf eine mehr wellige Gasturbinenanlage mit einer Einrich tung zur Leistungsregulierung, wobei die hasturbinena.nlage aus mindestens einer Ar beit liefernden, mit konstanter Drehzahl lau fenden Vorschaltturbine und mindestens einer einen Verdichter treibenden Nachschalt- turbine besteht, und der Ausla.ss mindestens einer Nachschaltturbine an die Primärseite eines Wärmeaustauschers angeschlossen ist,
während der Auslass eines Verdichters an die Sekundärseite dieses Wä.rmeausta.uschers an geschlossen ist, zwischen welcher Sekundär seite des Wärmeaustauschers und dem Einlass der 'Vorseha.ltturbine eine Brennkammer an geordnet ist, in die eine mit einem Regelorgan versehene Brennstoffzuführung mündet.
Mehrwellige Gasturbinenanlagen sind in grosser Zahl bekannt, z. B. aus La. Technique Moderne, März 1950, Seite 81, Fig. 3c und 3d, auch aus the Institution of Meehanical Engineers, 159 (1948) 41, 202, Fig.11 Fall 1/HP; 2 SC/HP und 2 CC/HP.
Derartige Gasturbinenanlagen zeichnen sich durch Anordnung in Gruppen aus, welche jeweils aus mindestens einer Turbine und mindestens einem auf der gleichen Welle sitzenden Verdichter beziehungsweise Nutz leistungsempfänger bestehen.
Solche Gruppen nehmen jede für sich in jedem Belastungszustand der Anlage eine be stimmte Drehzahl an, in der die Anlage thermodynamisch im Gleichgewicht ist. Interessanterweise gibt es, wie man aus der Literatur sieht, verhältnismässig wenige Anlagen, bei denen die Vorschaltturbine Nutzleistung abgibt. Viel häufiger wird diese Turbine zum Antrieb des Verdichters für die Verbrennungsluft herangezogen.
Der Grund liegt hauptsächlich darin, dass die zuerst ge nannten Anlagen ein weniger stabiles Regel verhalten zeigen und der Verdichter dadurch leicht unter die Pumpgrenze gerät, während die an zweiter Stelle genannten Anlagen ein wesentlich stabileres Regelverhalten zeigen und nicht so leicht zum Pumpen neigen.
Überhaupt ergeben sich aus der Hinter einanderschaltung zweier Maschinensätze für den Fachmann schwierige Regelaufgaben wegen. .der verschieden verlaufenden Charak teristiken der Hochdruck- und Niederdruck gruppen, indem z. B. ein Betrieb mit Teillast eine starke Verschiebung des Leistungsver hältnisses der einzelnen Gruppen der Gesamt anlage zur Folge hat.
Es müssen also besondere Massnahmen er griffen werden, um dieser Verschiebung der Leistungsverhältnisse entgegenzuwirken, wo für bereits eine Anzahl von Vorschlägen ge macht worden sind.
In der Literatur finden sich bisher folgende Vorschläge zur Lösung des Regelproblems: a) Zwischen Hochdruckturbine und Nie- derdruckturbine befindet sich .eine zusätz liche Brennkammer, durch welche der Nieder- druckturbine zusätzliche Energie zugefährt wird. (Zum Beispiel DP Nr. 9l6482.) b) Dem Verdichter wird Luft aus einer Zwischenstufe entnommen und diese durch eine zweite Brennkammer in die Niederdruck turbine geführt.
(beispielsweise DRP Num mer 736818.) c) Die Zusatzregelung besteht aus Bypal'a- leitumgen mit Regelorganen, durch welche ein Teil des Arbeitsmittels vor der Hochdruclc- turbine abgezweigt und der Niederdruck turbine zugeführt wird.
(Beispielsweise DRP N r. <B>632316.)</B> Bei all diesen Vorschlägen geht es im Grunde genommen immer darum, die sich verschiebende Leistungsrelation zwischen erstem und zweitem Turbinensatz zu korrigie ren.
Es wird jedoch nicht berücksichtigt, dass, wenn ausschliesslich nur eine Korrektur der Leistungsrelation der Turbine erfolgt, der Verdichter bei Teillast wegen seiner bekann ten Druckvolumencha.rakteristik sehr schnell auf einen ausserordentlich schlechten Wir kungsgrad absinkt und bei Unterschreiten einer gewissen Durchsatzmenge die Pump grenze erreicht.
Man kann daher mit den bekannten Regeleinrichtungen - selbst wenn die Regelaufgabe im grossen und ganzen ge lingt - nicht. verhindern, dass die Anlage bei Teillast sehr unwirtschaftlich arbeitet und wegen der bekannten Pumpgrenze des Ver dichters nicht unter eine bestimmte untere Lastgrenze heruntergeregelt werden kann.
Den Anla.ss zui der Erfindung gab daher die Erkenntnis, dass die Schwierigkeiten der Regelung einer solchen Anlage mit Hilfe einer besonderen Regelung, und zwar in Ver bindung mit dem Verdichter, behoben werden i müssen, wobei es darauf ankommt, gerade im Teillastbetrieb einen möglichst günstigen Verdichterwirkungsgrad beizubehalten.
Die Erfindung besteht demnach darin, da.ss die Anstellwinkel wenigstens .eines Teils der Schaufeln des Axialverdichters verstell bar sind, und die Schaufelwinkel des Axial verdichters sowie das Brennstoff-Regelorgan der Brennstoffzuführung derart. gemeinsam verstellt werden, dass die Regelstellungen des Brennstoffregelorgans den Regelstellun gen der Verstellschauüeln nach einer voraus bestimmten Funktion zugeordnet sind.
Zum besseren Verständnis der Erfindung seien die Verhältnisse bei einer zweiwelligen Anlage betrachtet, bei der voraussetzungs gemäss die Hochdruckturbine einen Nutz leistungsempfänger und die Niederdruelz- turbine einen Verdichter antreibt. Es sei an genommen, dass diese Anlage zunächst. in ihrem Nennpunkt arbeitet. Eine geringe Drosselung der Brennstoffzufuhr bewirkt eine Absenkung der Eintrittstemperatur der Turbine, deren Leistung folglich abnimmt. Der Verdichter läuft langsamer und fördert eine geringere Luftmenge. Dabei sinkt der Druck am Eintritt der Turbine.
Dadurch wird deren Leistung noch stärker herab gesetzt, und weil das Druckverhältnis Jer Nieder druckturbine relativ stärker absinkt, erleidet sie einen grösseren Leistungsverlust. Erst auf einer verhältnismässig kleinen Dreh zahl findet die Anlage wieder einen Gleich gewichtspunkt. Nun gerät aber ein gewöhn- licher Verdichter bereits bei 70-80% der Nenndrehzahl sehr leicht ins Pumpen.
Des halb war es bisher unmöglich, einen Teillast betriebspunkt einzustellen, der weniger als etwa 60% der Nennluftmenge erfordert.. An- derseits sinkt. aber die Luftmenge im Ver hältnis zur Brennstoffmenge so stark ab, rlass trotz Drosselung der Anlage am Eintritt in die Hoehdruekturbine die Temperatur kon stant bleibt. oder sogar ansteigt. Damit sind aber die thermodi-namisehen Bedingungen für einen guten Teillastwirkumgsg-ra.d gege ben.
Mit der Erfindung ist es nun möglich, eine Anlage mit verbessertem Wirkungsgrad zu bauen, welche ohne Regelschwierigkeiten und ohne Pumpgefahr, auch bei Teillast. be trieben werden kann.
An sich sind Verdichter mit einstellbaren Schaufeln und ihre Eigenschaften bereits hin reichend bekannt, siehe z. B. die schweize rische Patentschrift Nr. 288252. Man kommt aber, wenn man die im Oberbegriff besehrie- bene Turbinenanlage ausschliesslich mit. der Einstellung der Schaufeln des Verdichters regeln wollte, zu einer untragbaren Verschie bung der Leistungsrelation zwischen Hoch- druekturbine und Niederdruckturbine. Daher ist die ausschliessliche Verwendung solcher verstellbarer Schaufeln an dem oder den Verdichtern) zur Lösung der vorliegenden Regelaufgabe völlig ungenügend.
Erst in der erfindungsgemässen Koppelung der Schaufel verstellung mit der Brennstoffzuführung an der Brennkammer führt die Kombination be kannter Massnahmen in einem bisher noch nicht. bekannten Zusammenhang zu dem ge wünschten Erfolg einer hervorragend elasti- sehen, im Gesamtwirkungsgrad günstigen und genügend breiten Regelung, der Gesamt anlage.
Die technisch einwandfreie Lösung einer bisher nur sehr unvollkommen beherrschten Regelaufgabe mittels einer bisher noch nicht bekannten Kombination mit dem Erfolg, da.ss der Gesa.mtwirktmgsä ad einer bisher bei Teillast verhältnismässig ungünstig arbeiten den Gasturbinenanlage verbessert wird, stellt aber eine beachtliche Bereicherung der Tech nik dar.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Aus führungsbeispiels näher erläutert.
In der Zeichnung ist eine zweiwellige Gas turbinenanlage dargestellt. Die Vorscha.lt- turbine 1 treibt den Nutzleistungempfänger 2 -- hier einen elektrischen Synchrongenera tor - über die erste Welle 3 an. Die Nach sehaltturbine. 4 treibt über die zweite _'@Telle 5 den Verdichter 6 für die Verbrennungsluft an. Die Drehzahlen der beiden Wellen sind völlig unabhängig voneinander, und die Dreh zahl der Welle 5 stellt. sich selbsttätig derart ein, da.ss die Anlage im Gleichgewicht ist.
Im Betrieb tritt die Verbrennungsluft mit atmo- sphä.risehen Druck bei 7 in den Verdichter 6 ein und gelangt nach der Verdichtung und nach einer Vorwä.rmung im Rekuperator 8 in die Brennkammer 9, welcher ausserdem über die mit einem Ventil 10 ausgerüstete Leitung 11 Brennstoff zugeführt wird. Der Brenn- stoff kann flüssig oder fest sein; er kann auch gasförmig sein und mittels eines beson deren Brenngasverdichters gefördert werden.
Wenn der Brenngasverdichter in ähnlicher Weise wie der Verbrennungsluftverdichter 6 angetrieben wird, beispielsweise ebenfalls durch die Nachschaltturbine 4, wird man auch ihn mit verstellbaren Schaufeln aus rüsten, weil die gleichen Überlegungen wie für den parallel arbeitenden Verdichter 6 gelten.
Das durch die Verbrennung des Brennstoffes in der Luft entsprechende heisse Arbeitsmittel durchströmt unter teilweiser Entspannung die Vorschaltturbine 1 unter weiterer Entspannung die Nachschaltturbine 4, um schliesslich unter Wärmeabgabe im Re kuperator 8 die Anlage zu verlassen.
Mittels einer Verstellvorrichtung 12 kön nen über einen Mechanismus 13 die Leit- schaufeln wenigstens der ersten Stufe des Verdichters 6 verstellt und dem jeweiligen Betriebszustand angepasst werden. Gleichzei tig mit der Verstellung der Leitschaufeln er folgt über die Impulsleitung 14 eine Beein flussung des Ventils 10 in der Brennstoff zufuhrleitung 11. Auf diese Weise kann eine genaue Zuordnung zwischen der jeweiligen Brennstoffzufuhr und der Stellung der Leit- schaufeln des Verdichters erreicht werden.
Die in der Zeichnung dargestellte Zwei wellenanlage ist lediglich als Beispiel anzu sehen. Bei einer grösseren Anzahl hinterein- andergeschalteter Turbinen können diese ent weder zu mehreren auf einer Welle sitzen und den Nutzleistungsempfänger beziehungsweise den Verdichter antreiben. Jede Turbine kann aber auch auf einer eigenen Welle angeordnet sein, so dass der Verdiehter in mehreren Gruppen unterteilt und jede Gruppe von einer eigenen Turbine angetrieben oder Nutz leistung über verschiedene Wellen abgegeben werden kann.
Alle diese Anlagen fallen in den Rahmen der Erfindung, sofern die Tur bine höchstens Drucks Nutzleistung abgibt und sofern der oder die Verdiehter Einrich tungen zur Verstellung der Schaufehvinkel bei Teillast aufweisen und bestimmten Regel stellungen des Brennstoffregelorgans be- stimmte Regelstellungen der Verstellschäu- feln zugeordnet sind.