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Verfahren zum Anlassen von Wärmekraftmaschinen mit Gasturbinen Bei
Gasturbinengruppen mit mehreren hintereinandergeschalteten Verdichtern, die
je
von einer Gasturbine angetrieben werden, wird bekanntlich zuerst der Hochdruckverdichter
mittels eines Hilfsmotors angelassen und - dann, wenn dieser Hochdruckverdichter
arbeitet und der Hilfsmotor außer Wirkung gesetzt ist, der von dem Verdichter gelieferte
Luftdruck dazu benutzt, die den zweiten Verdichter antreibende Turbine anzulassen,
und so fort.
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Diese Anordnung bietet aber mehrere Nachteile. Denn wenn man den zweiten
Verdichter anläßt, so muß der erste außer der zum Antrieb seiner eigenen Turbine
erforderlichen Luft auch noch die zum Antrieb der zweiten Turbine notwendige Luft
liefern. Daraus folgt, daß die erste Verdichtergruppe, von der diese Energieentnahme
erfolgt, ihren Lauf zu verlangsamen sucht, so daß das Anlassen langsamer und schwieriger
wird. Was den zweiten Verdichter anbelangt, so ist seine Geschwindigkeit im Äugenblick
des Anlassens im Verhältnis zu dem Treibmittel, das diesen durchströmen soll, viel
zu klein, als daß er den ersten Verdichter durch Druckzufuhr unterstützen könnte.
Im Gegenteil setzt dieser zweite Verdichter zu Beginn des Anlassens der Luftströmung
einen Widerstand entgegen, der erheblich sein kann. Ferner ist die Anpassung der
Verdichter aufeinander eine sehr schlechte, so daß ihr Wirkungsgrad sehr niedrig
ist, was die Erzielung eines Ausgleichs der Kräfte während des Anlassens noch mehr
erschwert.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, diese Mängel dadurch zu beheben,
daß durch eine bessere gegenseitige Anpassung der Wirkungsgrad der Verdichter verbessert
wird, oder dadurch, daß zu dem gewünschten Zeitpunkt die erforderliche zusätzliche
Energie geliefert wird.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anlassen von Wärmekraftmaschinen
mit Gasturbinen und mit wenigstens Zwei hintereinandergeschalteten, von zwei getrennten
Turbinen angetriebenen Verdichtern, insbesondere von Wärmekraftmaschinen mit mindestens
zwei Gruppen von Gasturbinen, von denen eine jede zwei mechanisch unabhängige
Turbinenräder
aufweist, welche in einem und demselben Gehäuse gelagert sind und hintereinander
von den Gasen durchströmt werden, wobei das eine Turbinenrad einen Verdichter und
das andere eine Arbeitsmaschine antreibt. Erfindungsgemäß werden zwei oder mehr
Gruppen gleichzeitig, aber mit verschiedenen Geschwindigkeiten, die um so höher
sind einer je höheren Druckstufe ihr Verdichter entspricht, entweder mit
Hilfe von einzelnen Motoren von -eei-neten Charakteristiken oder mit Hilfe eines
einzigen Mo-tors in Gang gesetzt, der die verschiedenen \,Terdichter durch
Untersetzungsgetriebe mit verschiedenen Übersetzungsverhältnissen antreibt, die
nach Beendigung des Anlassens ausgerückt werden.
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Gemäß einer abweichenden Form des Verfahrens wird zunächst eine einzige
Verdichtergruppe, vorzugsweise die Hochdruckgruppe, mit Hilfe eines Hilfsmotors,
wie beispielsweise eines Elektromotors oder eines Druckluftmotors, in Gang gesetzt,
und dieser Hilfsmotor wird in Weiterbildung der Erfindung in Umlauf gehalten, um
während des nacheinander erfolgenden Anlassens der anderen Verdichtergruppen den
erforderlichen Kraftüberschuß zu liefern.
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Uni, bei derartigen Wärmekraftmaschinen das Anlassen der Verdichtergruppen
unabhängig von den antreibenden Turbinen zu erleichtern, bringt man in Weiterbildung
der Erfindung während des Anlassens den Z-%vischenraum zwischen der Antriebsturbine
und der Hilfsturbine in an sich bekannter Weise mit der Außenluft in Verbindung.
Das kann dadurch geschehen, daß man besondere vor oder in dem Zwischenverteiler,
welcher zwischen den Turbinenrädern einer jeden Gruppe eingeschaltet ist, vorgesehene
Öffnungen freilegt oder indem man vorzugsweise die Ausgleichleitung, welche zu jeder
Gruppe zwischen der Antriebsturbine und der Hilfsturbine führt, mit der Außenluft
verbindet und diese Leitung von den Verdichtern abschaltet.
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Zum Anlassen von Wärmekraftmaschinen, die mehrere in Reihe geschaltete
Turbinen aufweisen, welche gleichfalls in Reihe geschaltete Verdichter antreiben,
ist es bereits bekannt, zuerst den Hochdruckverdichter anzulassen, indem man den
Auslaß der diesen Verdichter antreibenden Turbine sowie den Einlaß dieses Verdichters
mit der Außenluft verbindet. Bei dieser bekannten Einrichtung I sind aber die Antriebsturbinen
parallel zu den Hilfsturbinen geschaltet, und es genügt demzufolge während des Anlassens,
die Leitung abzusperren, die zu den Antriebsturbinen führt, um diese so abzuschalten,
daß sie das Aiilasen nicht weiter stören. Beim Gegenstand- der vorliegenden Erfin-dung
ist diese Abschaltung der Antriebsturbinen nicht möglich, da eine jede Antriebsturbine
in Reihenschaltung mit einer Hilfsfurbine in demselben Gehäuse untergebracht ist
und die Verbindung von besonderen vor oder in dem Zwischenverteiler vorgesehenen
öffnungen oder der Ausgleichleitung iiiit der Außenluft ein Mittel darstellt, tim
das Problem des Anlassens bei Wärmelzraftinascliinen der in Frage kommenden -,#.rt
leicht zu lösen.
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Die Erfindung soll nachstehend an Hand der Zeichnung lediglich beispielshalber
in Anwendung auf eine Anlage mit Gasturbinen erläutert werden, die je zwei
hintereinander von den Gasen durchströmte und in einem gleichen Gehäuse gelagerte
Räder enthalten. Bei diesen Turbinen ist vorgesehen, daß die vor dem ersten Turbinenrad
ausgeführte Entspannung der Gase größer als diejenigge Entspannung ist, welche der
in diesem Turbinenrad ausgenutzten Leistung entsprechen würde, so daß am Austritt
aus diesem ersten Turbinenrad die Gase eine erhebliche kinetische Energie beibehalten,
die in dem zweiten Turbinenrad in Verbindung mit der Energie nutzbar gemacht -wird,
welche aus dein Rest der Entspannung der Gase herrührt.
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Fig. i zeigt eine erste Ausführungsform des Verfahrens.
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Fig. 2 zeigt eine abweichende!"usführungsform.
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Auf Fig. i sieht man bei 2 und 4 zwei Turbinenräder, die den festen
Verteilern i bzw. 3
zugeordnet sind und mit diesen in ein gleiches Gehäuse
derart eingebaut sind, daß sie hintereinander voa den Gasen durchstriimt werflen.
Die Anlage enthält nvei Turbinen-ruppen dieser Art, die mit 25 bzw.
26 bezeichnet sind. Von den stromaufwärts liegenden Rädern:2 der beiden Gruppen
treibt das eine den Niederdruckverdichter 5 und das andere den Hochdruckverdichter
6. Die beiden stromabwärts liegenden Räder 4 treiben die Arbeitsmaschine
oder Arbeitsmaschinen 27 an. Die beiden Verdichter sind mit oder ohne Anwendung
einer Zwischenkühlung 8 hintereinandergeschaltet. Die aus der Atmosphäre
bei 28
angesaugte Luft strömt durch den Niederdruckverdichter 5, dann
durch den Kühler 8.
falls ein solcher Kühler vorgesehen ist, und darauf durch
den Hochdruckverdichter 6. Die Luft wird in einem Oberflächenrekuperator
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unter Ausnutzung der in den Auspuffgasen enthaltenen Wärme erhitzt und
strömt dann in die Verbrennungskammer 9, in welcher sie vorzugsweise durch
eine innerhalb der Luft erfolgende Verbrennung eines flüssigen Breiiiistoffs auf
hohe Temperatur gebracht wird.
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Die erzeugten Gase werden in zwei Ströme
geteilt,
welche parallel die beiden Turbinensysteme :25 und :26 speisen.
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Eine vorzugsweise von der Druckleitung des Niederdruckverdichters
5 abgezweigte Ausgleichleitung io führt zu den Zwischenstufen der beiden
Turbinen über einen Ring oder eine Schnecke, die man bei 15 sieht. Diese Ausgleichleitung
kann wahlweise durch den Rekuperator ii hindurchführen, damit die Luft in diesem
durch die Auspuffgase vorgewärmt wird. Die Leitung enthält ferner ein bei ig dargestelltes
Organ zur Regelung der Strömungsmenge.
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Beim Anlassen einer solchen Anlage tritt, wie eingangs erwähnt, ein
besonderes Problem auf, das in folgender Weise gelöst wird: nie beiden Verdichtergruppen:2
bis 5 und 2 bis 6 werden gleichzeitig, aber mit verschiedenen Geschwindigkeiten
in Gang gesetzt, wobei die Hochdruckgruppe 2 bis 6 sich schneller als die
Niederdruckgruppe 2, bis 5 dreht. Dieses Ergebnis kann entweder mit Hilfe
zweier unabhängiger Motoren erzielt werden, von denen jeder eine Gruppe antreibt,
und deren Geschwindigkeiten und Leistungen derart, gewählt sind, daß die Hochdruckgruppe
rascher als die Niederdruckgruppe beschleunigt, oder man kann dieses Ergebnis auch
mit einem einzigen Motor 33 erreichen, der gleichzeitig die beiden Gruppen
mit Hilfe eines Getriebes antreibt, das für jede der beiden Gruppen ein anderes
Untersetzungsverhältnis aufweist. Diese letztere Anordnung ist auf Fig. i dargestellt,
wo man bei 34, 35, 36 die Zahnräder des Untersetzungsgetriebes sieht.
Die Ungleichheit der Geschwindigkeiten der beiden Verdichtergruppen dient dazu,
die Schwierigkeit zu beheben, die infolge der schlechten Anpassung der Verdichter
an die Betriebsbedingungen auftritt, wenn man die Verdichter bei annähernd gleichen
Geschwindigkeiten anlassen würde. In diesem Falle würden nämlich die beiden Verdichter
mit praktisch gleichen Luftvolumina und gleichen Geschwindigkeiten arbeiten, und
da die Verdichter mit verschiedenen Volumina arbeiten sollen (deren Verhältnis annähernd
gleich dem Verdichtungsverhältnis einer Stufe ist), würde wenigstens der eine Verdichter
in je-
dem Augenblick schlecht den Betriebsbedingungen angepaßt sein und daher
mit einem schlechten Wirkungsgrad arbeiten, was das Anlassen infolge der zusätzlichen
Energie, welche der Hilfsmotor liefern müßte, sehr erschweren würde. Das die Verdichtergruppen
mit dem Motor 33 verbindende Getriebe wird mittels geeigneter (beispielsweise
hy-
draulischer) Kupplungen 37 ausgerückt, wenn die Anlaßperiode beendet
ist, so daß unter normalen Betriebsbedingungen die beiden Gruppen unabhängig voneinander
arbeiten. Uni während des Anlassens den durch das Strömen der Gase durch die Antriebsturbine
4 erzeugten Gegendruck zu vermindern, kann man auf Wunsch den zwischen den Turbinenrädern:2
und 4 liegenden Raum mit der Außenluft in Verbindung setzen, derart, daß die Turbinenräder
2 zunächst allein angelassen werden. Man kann zu diesem Zweck beispielsweise Hähne
38 verwenden, die in den schnecken- oder spiralförmigen Leitungen 15 der
Turbinen vorgesehen sind, oder man kann auch einen einzigen Hahn 3:2 verwenden,
der ii! der Ausgleichl ' eitung angeordnet ist (dies ist der weiter unten
an Hand -der Fig.:2 beschriebene Fall). Auf jeden Fall wird die Ausgleichleitung
mittels eines einzigen Organs ig während dieser Anlaßphase geschlossen werden müssen,
um ein Zurückströmen der Gase zur Ansaugleitung des Hochdruckverdichters zu verhüten.
In Wirklichkeit wird es in den meisten Fällen überflüssig sein, den Zwischenraum
zwischen den Turbinenrädern :2 und 4 mit der Außenluft in Verbindu « ng zu
setzen, und man wird die Turbinen 2 und 4 gleichzeitig anlassen können.
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Bei der abweichenden Ausführungsform gemäß Fig.:2 wird die Hochdruckverdichtergruppe
2 bis 6 zunächst allein mit Hilfe eines Elektromotors .29 o. dgl. angelassen,
der zu diesem Zweck mit jener Gruppe vorzugsweise über ein Untersetzungsgetriebe
gekuppelt ist. Ein Hahn 3o o. dgl. ist vorgesehen, um zu ermöglichen, daß der Verdichter
6 unmittelbar aus der Atmosphäre die von ihm von Beginn seiner Ingangsetzung
an geförderte Luft ansaugen kann, welche er zur Verbrennungskammer 9 fördert,
wo der Brenner angezündet wird, sobald die Luftgeschwirfdigkeit es gestattet. Die
Gase werden zu der den Verdichter 6 antreibenden Turbine :2 der Gruppe 2
bis 5 geleitet, während die mit dem anderen Verdichter 5 gekuppelte
Turbine :2 der Gruppe 2 bis 6, beispielsweise mittels eines Hahns oder einer
Drosselklappe 31, abgeschaltet wird.
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Der Auspuff aus dem Turbinenrad :2 strömt nach der entsprechenden
treibenden Turbine 4; gewünschtenfalls kann man aber auch, um die gleichzeitige
Ingangsetzung der Arbeitsmaschine 27 zu vermeiden, entweder dieses Turbinenrad
4 durch eine Bremse feststellen oder es von der Maschine 27 abkuppeln und
leerlaufen lassen. Die Geschwindigkeit, welche das Turbinenrad 4 unter diesen Bedingungen
erreicht, stellt dabei z# el keine Gefahr für die gute Instandhaltung des Rades
dar.
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Der Hahn 3,2 der Ausgleichleitung wird während dieses Anlassens,
wie bereits oben erwähnt, geöffnet werden können, und die
Ausgleichleitung
wird bei ig auf der Verdichterseite geschlossen werden.
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Wenn die Hochdruckgruppe eine gentigende Geschwindigkeit erreicht
hat, so öffnet man die Drosselklappe o. dgl. 31, welche die den Niederdruckverdichter
5 treibende Turbine 2 abgeschaltet hatte. Diese Turbine wird dabei in Gang
gesetzt, und uni den Leistungsverlust auszugleichen, der durch die dabei auftretende
Gasentnahme in der Turbine :2 des Verdichters 6 hervorgerufen wird, läßt
man den Hilfsmotor 29 weiterarbeiten, den man erst auskuppelt, wenn man die Anlaßperiode
der beiden Maschinengruppen als be-
endet ansieht. Mit Hilfe dieser Anordnung
braucht man also nur einen einzigen Hilfsmotor, um die beiden Gruppen anzulassen,
wobei die Leistung dieses Motors der dein Ingangsetzen einer einzigen Maschinenggruppe
entsprechenden Leistung entspricht, die Dauer der Benutzung dieses '-Motors aber
etwa doppelt so groß ist wie die Dauer der Ingangsetzung jener Maschinengruppe.
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Dadurch erzielt man einen bemerkenswerten Vorteil hinsichtlich des
Gewicht-es und Raumbedarfs der Maschine, und gleichzeitig wird die erforderliche
Leistung der Hilfsenergiequelle herab,-esetzt.
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Um das Anlassen zu erleichtern, wird ferner vorgesehen, den von dem
Rekuperator i i am Auspuff aus den Turbinen erzeugten Gegendruck zu beseitigen,
indem man entweder die Gase durch eine Nebenleitung strömen läßt oder sie am Austritt
aus den Turbinen mittels eines Hahns :28' in die Außenluft leitet. Mit dieser Anordnung
erzielt man eine augenblickliche Leistungssteigerung, die auf Kosten des Wirkungsgrades
geht. Eine solche Anordnung- ist daher von besonderer Bedeutung für Perioden von
kur-I zer Dauer. bei denen man eine überschüsssilge Antriebsenergie benötigt, insbesondere
beim Anlassen sowie ganz allgemein bei plötzlichen Beschleunigungen und Überlastungen,
die beini Betrieb der Turbinen auftreten können und für die wegen ihrer kurzen Dauer
der Wirkungsgrad nur eine untergeordnete Bedeutung hat.