DD141049A5 - Gasturbinenanlage - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage, die insbesondere für den 6000 - 10000 kW Bereich bestimmt ist· .
Charakteristik der bekannten techniacheji rjköajajOjgens
Es ist bereits eine Gasturbinenanlage bekannt, die aus einem mehrteiligen Gehäuse besteht, in dem eine Turbine und ein Radialkompressor auf Wellen, die auf der gleichen Längsachse liegen, angeordnet sind· Die Leistung dieser Turbinenanlage liegt jedoch unterhalb des vorstehend genannten Bereiches·
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Durch, die Erfindung wird eine Gasturbine für den genannten Leistungsbereich vorgeschlagen, die eine nützliche und leistungsfähige Ergänzung der bestehenden Gagturbinenanlagen darstellt·
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanlage zu entwickeln, die ohne Erhöhung des Kostenpreises eine gute Leistung von mindestens 40 % besitzt·
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Anwendung einer axialen einstufigen Turbine; gefolgt von mindestens einer weiteren axialen Turbinenstufe, in Kombination mit einem zweistufigen radialen Kompressor, dessen ND-Stufe zweiseitig ausgebildet ist und einem Kompressionszwischenkühler und einem Regenerator oder Wärmeaustauscher gelöst, der im Auslaß der Gasturbine angeordnet ist»
Die Anwendung eines Kompressionszwischenkühlers hat zur Folge, daß eine Einsparung im zur Luftkompression erforderlichen Vermögen auftritt· Hierdurch genügt eine einstufige Axialturbine mit einem günstigen Stufennutzeffekt zum. Antrieb des Kompressors« Ohne Kompressionszwischenkühlung würde eine mehrstufige Turbine notwendig sein« Eine einstufige Turbine hat einen geringeren Kühlluftbedarf als eine mehrstufige Turbine, wodurch der Nutzeffekt der Gasturbinenanlage positiv beeinflußt wird»
Durch die Zwischenkühlung wird die Eintrittstemperatur der Luft in die zweite Kompressorstufe um ungefähr 1500O
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erniedrigt» Im Zusammenhang hiermit wird eine größere Wärmemenge aus den Abgasen der vom Kompressor gelieferten Luft übertragene Über den Regenerator wird eine Kompensation für die zur Erwärmung der Kompressorluft bis zur Eintrittstemperatur der für die Turbine erforderlichen Brennstoffmehrmenge erreicht· Man spricht in diesem Pail von einem "regenerative intercooled"
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Anlage, bei der stromabwärts zur axialen einstufigen Turbine zwei axiale Turbinenstufen angeordnet sind· Durch diese Anordnung ist genügen Raum für die richtige Formgebung im übergang zwischen der ersten und der zweiten axialen Turbine vorhanden, wobei auch der Diffusor hinter der letzten Turbine genug Raum hat, um die Strömungsverluste an diesen Steilen auf ein Minimum zu beschränken·
Die oben beschriebene Ausbildung kann mit einer einzigen Welle realisiert werden· In einer bevorzugten Ausbildung sind jedoch zwei Wellen vorgesehen, wobei der Kompressor mit der axialen einstufigen Turbine auf der einen Welle und die letzten axialen Turbinenstufen auf der anderen Welle angeordnet sind·
Der Nutzeffekt der Vorrichtung kann durch die Kombination des regenerativen Zyklus mit einem sogenannten "bottoming" Zyklus, z.B. einem RAMIIiE Zyklus, noch weiter gesteigert werden· Dieses System ist besonders nützlich zur Erzeugung mechanischer Energie aus Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau, z.B. der verlorenen Wärme der Gasturbinenanlage aus den Abgasen und dem Kompressionszwischenkühiere Bei einem RAMIHE-Zyklus erfolgt in einem geschlossenen Kreislauf eine Kompression des eingesetzten Mediums in der Plüssigkeitsphase und die Expansion in der Gasphase»
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Ausführung;8 bei spiel
t
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden· In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1* einen Längeschnitt durch die Anlage,
2» eine Perspektivansicht einer ersten - Variante, wobei die Wärme aus dem Zwischenkühler mittels Wasser abgeführt wird,
Pig· 3i ebenfalls eine Perspektivansicht einer - - Variante, wobei die Wärme aus dem
Zwischenkühler mittels luft abgeführt
wird·
Pigo · drei Schemata möglicher Ausbildungen 4 bis. s ßer vorrichtung gemäß der Erfindung,
Pig· je ein Diagramm, aus dem die Effeky und öi tivität der Zwischenkühlung in einem " Zweistufenkompressor hervorgeht·
Die Vorrichtung besteht aus einem Turbinengehäuse 1 und einem Kompressorgehäuse 2, die ja aus einer Anzahl kleinerer Teile aufgebaut sind. Zwischen den Gehäusen und 2 wird separat gestützt* Im Gehäuse 1 ist eine axiale einstufige Turbine 4 angeordnet, während sich im Gehäuse 2 ein zweistufiger radialer Kompressor 5 befindet. An die Turbine 4 schließen sich zwei axiale Turbinenstufen 6 und 7 an· Der Rotor dieser zweistufigen Turbine ist auf einer ¥/elle 8 angeordnet,, Der Ro.tor 9 der einstufigen Turbine 4 ist mit dem Kompressor 5 auf einer mehrteiligen Welle 10 angeaänet· Der linke Teil der
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Welle 10 ist in Lagern 11 und der rechte Teil in Lagern 12 gelagert·
Die Turbine 4 ist mit einer kreisförmigen Verbrennungskammer 13 loit mehreren (z,B· sechzehn) Zerstäubern 14 versehen· Die aus dem Kompressor 5 ausfließende Verbrennungsluft wird- über mehrere (z0B· vier) radiale Einlasse 15, die in die Kammer 13 ausmünden, in das Gehäuse 1 geleitet, welches mit einigen Öffnungen 16 Versehen ist· Zwischen dem Rotor 9 der Turbine 4 und der nachfolgenden Turbinenstufe b ist ein Übergangsstück 17 angeordnet, während hinter der Turbinenstufe 7 ein Austrittsdiffusor 18 angeordnet ist. Die Lagerung des Ro.tors der Turbine 6,7 geschieht in der Nähe der Enden der Welle 8 mittels der Lager 19,20, Das an der rechten Seite in Pig· I befindliche Lager 20 ist ein kombiniertes Radial-/Axial-Lager· Auch auf der Welle 10 ist mindestens eines der Lager 11 und 12 als kombiniertes Radial-/Axial~Lager ausgebildet.
Der Kompressor 5 ist aus einer doppelseitigen ND-Stufe 21, dessen Rotor auf dem linken Wellenteil 10 angeordnet ist, aufgebaut© Auf diesem Wellenteil befindet sich ebenfalls der Rotor der HD-Stufe 22 des Kompressors© Die mehrteilige Welle 10 ist an verschiedenen Stellen in Lagern 11,12 gelagert, wobei in einige dieser Lager Axialkräfte aufgenommen werden können· Die Welle 10 liegt auf der gleichen Längsachse wie die Welle 8 der Turbine 6,7·
Wie aus Pig· 2 ersichtlich, ist die Vorrichtung mit einem, im Fundament 24 der Maschine angeordneten Kompressionszwischenkühler 23 veesehen· Diese Variante ist bestimmt zur Anwendung an einer Stelle, wo Kühlwasser vorhanden ist*
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In Pig· 2 ist ferner ein Regenerator 25» der zwischen dem Ablaß 26 der Turbinen 4,6,7 angeordnet ist, und eine Leitung 27 zwischen der Kompressorstufe 22 und der Leitung 15 schematisch, dargestellt. Aus Fig. 2 sind noch der Startmotor 28 und einige Schmierölkühler 29 ersichtlich·
Pig· 3 zeigt eine Variante mit einem Luft/Luftkühler Deutlichkeitshalber ist der Regenerator hier nicht gezeichnet» Diese Ausbildung ist geeignet für Situationen, wobei kein Kühlwasser vorhanden ist9 ζ·Β· in ei-?«, nem 7/üstengebiet·
Durch die oben beschriebene Vorrichtung wird ein sehr hoher Nutzeffekt erzielt» Hierzu trägt an ersten Stelle die Anwendung des Kompressionszwischenkühlers 23,30 in Kombination mit dem Regenerator 25 (s· Pig· 4 bis 6) bei« An zweiter Stelle trägt zum hohen Nutzeffekt der Anlage die Anwendung einer axialen einstufigen Turbine 4 mit einem günstigen Stufennutzeffekt, in Verbindung mit einem Korapressionszwischeakühler bei«. Ohne Zwischenkühlung würde eine mehrstufige Turbine notwendig sein· Eine einstufige Turbine hat einen geringeren Kühlluftbedarf als eine mehrstufige Turbine, wodurch der Nutzeffekt der Gasturbinenanlage positiv beeinflußt wird«. Diese Kombination ist bei der Anlage gemäß der Erfindung auch besonders günstig, indem das Verhältnis zwischen der angesaugten Luftmenge und dem Vermögen der Anlage geringer ist als bei den meisten derzeit bekannten Turbinenanlagen·
Zur Erhöhung des Nutzeffektes der Gasturbinenanlage kann der "regenerative intercooled" Zyklus mit einem sog· "bottoming" Zyklus, z«B» einem RAKINE-Tyklus, kombiniert werden«, Dieser besteht aus einem geschlossenen System von Wärmeaustauscher 32, Expansionsturbine 33,
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Kondensor 34 und Zirkulationspumpe 39» die mit einem Medium mit einer niedrigen Verdampfungswärme, wie ZoB» Freon, arbeitet (s. Pig. 6), In der Ausbildung gemäß Pig· b ist noch ein Extrazyklus mit Wasser als Medium vorgesehen, mit dem Zweck, die in den Abgasen vorhandene Wärme über einen Wärmeaustauscher 38 und den Kompressionszwischenkühler 23 zu sammeln und dem Medium des RAIiKIEB-Zyklus über den Wärmeaustauscher 32 zuzuführen. Die Zirkulation des Wassers erfolgt durch eine Zirkulationspumpe 39.
Ein weiterer Vorteil der Anwendung dieses Kreislaufs ist die Tatsache.,, daß im Hinblick auf die Sicherheit das Medium des RAHKIIJE-Zyklus nicht in direkten Kontakt mit den heißen Teilen der Gasturbine kommen kann» Unter gewissen Umständen kann die Anwendung eines Dampfzyklus, der aus einem geschlossenen System von Dampfkessel 35, Dampfturbine 3ö und Kondensor 37 (so Pig. 5) besteht, im Ablaß günstig sein, Hierbei findet der Regenerator keine Anwendung.
Die Fig. 7 und 8 gegen schließlich noch eine Darstellung der Vorteile, die durch Anwendung des Zwischenkühlers 23 oder 30,der zwischen den zwei Stufen 21 und 22 des Kompressors 5 angeordnet ist, erzielt werden· Fig. 7 zeigt im schraffierten Teil die in den Abgasen noch vorhandene Wärmemenge, die zur Erhöhung der Temperatur der Preßluft verfügbar ist, bevor die Verbrennung stattfindet· Aus Fig. 8 geht hervor, daß durch Anwendung der Zwischenkühlung eine größere Wärmemenge verfügbar ist· DiI111ZWisehenkühler 23,30 abgeführte Wärmemenge kann in der Vorrichtung gemäß Pig· noch für den Wasserkreislauf zwischen den Wärmeaustauschern 32 und 38 benutzt- werden< >
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung besitzt verschiedene Vorteile· Durch die hohe Gastemperatur an der Einlaßseite der Turbine 4 wird der Hutzeffekt (s· Pig· 8) wesentlich gesteigert· Infolge der Zwischenkühlung im Kompressor 5 kann die für diesen Kompressor erforderliche Leistung durch die einstufige axiale Turbine 4 geliefert werden, so daß die Axialturbine 6,7 Völlig für das von der Welle 8 zu leistende Vermögen zur Verfügung steht. Ein weiteres günstiges Element ist, daß die Lager 19,20 der Turbinenwelle 8 sich im relativ kühlen Teil der Vorrichtung befinden·
Das nachstehend angeführte Beispiel veranschaulicht die wichtigsten Parameter einer Vorrichtung gemäß der Erfindung» . .
Luftmenge 25 N/Sek
Eintrittstemperatur Kompressorstufe 21 150G Ausgangstemperatür Kompressorstufe 21 1600C Eintrittstemperatur Kompressorstufe 22 300C Ausgangstemperatur Kompressorstufe 22 180 C Kompressionsverhältnis Stufe 21 3:1 Kompressionsverhältnis Stufe 22 3 χ 1 Hutzeffekt Regenerator 25 85 %
Eintrittstemperatur Turbine 4 11150C Vermögen Kompressor 5 6300 kF{
Vermögen Turbine 6,7 735Ο kV/
Tourenzahl Turbine 6,7 9200 RPM
Totalnutzeffekt der Vorrichtung
gemäß Fig. 4\ 44,5 %
Totalnutzeffekt der Vorrichtung
gemäß Fig· 5 44,5 %
Totalnutzeffekt der Vorrichtung
gemäß Pig· 6 51 %
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Ale wichtigste Anwendungen der Torrichtung gemäß der Erfindung werden gesehen:
!♦ Antrieb von Gastransportkompressoren; 2» Antrieb von Pumpen und Kompressoren bei
öl- und Gasgevannung; 3· Elektrizitätserzeugung; 4· Schiffsantrieb.
Claims (7)
1· Gasturbinenanlage, insbesondere bestimmt für den 6000 - 10000 kW-Bereich, die aus einem mehrteiligen Gehäuse besteht, in dem eine Turbine und ein ftadiaikompressor auf zwei auf der gleichen Längsachse liegenden Wellen angeordnet sind, gekennzeichnet dadurch, daß nach einer axialen einstufigen Turbine (4) mindestens eine axiale Turbinenstufe (6) in Kombination mit einem zweistufigen radialen Kompressor (5)» dessen ND-Stufe (21) zweiseitig ausgeführt ist, angeordnet ist, und ein Kompressionszwischenkühler (23»30)[ und ein Wärmeaustauscher (25) im Ablaß der Gasturbine vorgesehen sind.
2· Anlage nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß stromabwärts der axialen einstufigen Turbine (4) zwei axiale Turbinenstufen (6,7) angeordnet sind.
3· Anlage nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß zwei Wellen (8,10) vorgesehen sind, wobei der Kompressor (5) mit der axialen einstufigen Turbine (4) auf der einen Welle (10) und die axialen Turbinenstufen (6,7) auf der anderen Welle (8) angeordnet sind.
4. Anlage nach einem der Punkte 1 bis 3» gekennzeichnet dadurch, daß im Ablaß der Axialturbine (6,7) ein Dampfkessel (35) zur Dampferzeugung angeordnet ist·
5· Anlage nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß ein Dampfzyklus im Ablaß vorgesehen ist, der aus einem geschlossenen System von Dampfkessel (35), Dampfturbine (36), Kondensor (37) und Zirkulationspumpe (39) bestehto - "
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6· Anlage nach einem der Punkte 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß ein Wärmeaustauscher (38) im Ablaß der Axialturbine (6,7) in Kombination mit einem RAUKIHE-Zyklus angeordnet ist, wobei der EAMIHB-Zyklus aus einem geschlossenen System von Wärmeaustauscher (32), Expansionsturbine (33), Kondensor (34) und Zirkulationspumpe (39)» unter Anwendung eines Mediums mit einer niedrigen Verdamfpungswärme, wie Preon, besteht.
7· Anlage nach Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß ein Zwischenkreislauf mit (z.B. Wasser als Medium in einem geschlossenen System vorgesehen ist, das aus Y/ärmeaustauschern (23,32 und 38) und Zirkulationspumpe (39) besteht.
Hierzu .^...Seiten Zeichnungen
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