Verfahren zum Betrieb von Gasturbinenanlagen und Einrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens. Bei Maschinenanlagen ist es oft wich tig, die Arbeitsleistung derart zu übertragen, dass zu abnehmenden Drehzahlen steigende Momente gehören. Dieses Problem pflegt man bei Verbrennungsmotoren gewöhnlich mit veränderlichen mechanischen Geschwindig keitsübersetzungen, die zwischen dem Motor und der angetriebenen Last, z. B. der Fahr zeugachse, eingeschaltet sind, oder mit hydraulischen bezw. elektrischen Kraftüber tragungen zu lösen.
In diesem Falle steht das von der Antriebswelle ausgeübte Moment mit gewissen Vernachlässigungen; und innerhalb gewisser Grenzen annähernd im umgekehrten Verhältnis zur Drehzahl derselben. Ausser diesen. Kraftübertragungen kann ein bei sin kender Drehzahl in beträchtlichem Masse bis zu ganz niedrigen Drehzahlen steigendes Moment auch mit Kolbendampfmaschinen hergestellt werden; bei diesen letzteren Lösungen verändert sich aber das Moment nicht einmal annähernd im umgekehrten Ver hältnis der Drehzahl, so dass die übertragene Leistung bei verschiedenen Drehzahlen nicht konstant und bei einer niedrigeren Drehzahl gleichfalls niedriger sein wird.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren zum Betrieb von Gasturbinenanlagen, die einen Verdichter, eine den Verdichter an treibende Gasturbine und eine von der Ver- dichterturbine mechanisch unabhängige, in der Strömungsrichtung des Arbeitsmittels in Reihe geschaltete Nutzleistungsturbine auf weisen. Der Zweck der Erfindung ist, bei derartigen Gasturbinenanlagen sich mit der Änderung der Betriebsdrehzahl der Nutz leistungsturbine entgegengesetzt ändernde, z. B. bei zunehmenden Drehzahlen abneh mende Momente herzustellen.
Im Falle einer günstigen baulichen Ausführung der Nutz leistungsturbine ermöglicht das Verfahren, innerhalb eines Drehzahlbereiches eine an nähernd konstante Leistung zu entfalten und demgemäss. auch ein Moment zu entwickeln, welches sich in umgekehrtem Verhältnis zur Drehzahl jändert. -Eine, gemäss dem erfin- dungsgemässen Verfahren betriebene Gas turbinenanlage eignet sich besonders zum Antrieb von Fahrzeugen, z.
B. von Eisen-, bahnfahrzeugen, wobei die Nutzleistungstur- bine ohne irgendeine während des Betriebes veränderliche Übersetzung unmittelbar mit den Radachsen gekuppelt werden kann. .
Das gesetzte Z#'.el könnte theoretisch da durch erreicht werden, dass das Gewicht und der Druck des die Nutzleistungsturbine in der Zeiteinheit durchströmenden Arbeit@s- mittels, der Charakteristik und der jeweiligen Drehzahl dieser Turbine entsprechend, bei voller Belastung so eingestellt wird, dass das Antriebsmoment der Nutzleistungsturbine sich in einem den Drehzahländerungen der selben entgegengesetzten Sinne, z. B. auf eine zum Antrieb von Fahrzeugen erwünschte Art ändert.
Am günstigsten wäre eine solche Lösung, bei welcher die Nutzleistungstur- bine, von der Drehzahl derselben unabhän gig, bei annähernd gleichbleibender Dreh zahl des Verdichter-Turbinenaggregates und bei praktisch unveränderter durchströmender Gasmenge einen praktisch unveränderten Druckabfall zu verarbeiten imstande ist, in welchem Falle - von den Änderungen des Wirkungsgrades der Nutz'leistungsturbine abgesehen - die durch die Nutzleistungs- turbine geleistete Arbeit von der Drehzahl praktisch unabhängig sein könnte.
Da eine derartige ideale Lösung nicht und auch nicht für einen hinreichend grossen Drehzahlbereich verwirklicht werden kann, wird dann zum Einhalten eines innerhalb eines festgesetz ten Drehzahlbereiches praktisch konstanten Druckabfalles in der Nutzleistungsturbine ge mäss dem erfindungsgemässen Verfahren bei einer der in Reihe geschalteten Turbinen ein Teil der Arbeitsmittelmenge zum übrigen in der fraglichen Turbine strömenden Teil der Arbeitsmittelmenge auf einem Umgehungs weg parallel geführt.
Das vorliegende Verfahren soll beispiels weise an Hand der beiliegenden Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel einer Einrich tung zum Durchführen des Verfahrens zeigt, erläutert werden. Fig. 1 stellt die schema- tische Schnittzeichnung einer aus einem Ver dichter, Wärmeaustauseher, Verbrennungs- i raum, einer zum Antrieb des Verdichters dienenden Turbine und einer Nutz'leistungs- turbine bestehenden Gasturbinenanlage dar.
Fig. 2 zeigt schematisch den Zusammenhang zwischen dem sich in der Nutzleistungstur- bine einstellenden Druckabfall und der Dreh zahl derselben bei verschiedenen Winkelein stellungen der Schaufeln derselben. Fig. 3 zeigt den abgewickelten Schnitt durch zwei Schaufelkränze der Nutzleistungsturbine, während Fig. 4 den Querschnitt einer für dieselbe Nutzleistungsturbine angewendeten Schaufel veranschaulicht.
Gemäss Fig. 1 sind die in Kränzen ange ordneten rotierenden Schaufeln 4 am in den Lagern 1-1' gelagerten und auf der Welle 3 befestigten Verdichterläufer 2 montiert. Am den Läufer umgebenden Gehäuse. 5 sind die gleichfalls Kränze bildenden ortsfesten Schaufeln 6 befestigt. Die Schaufeln 4 und 6 befinden sich im Arbeitsraum des Verdich ters, welcher einerseits mit dem Eintritts stutzen 7, anderseits mit dem Austrittsstut zen 8, sowie mit den Anzapfkanälen 10, 10' und 10" in Verbindung steht. In den An zapfkanä'len sind Drosselorgane 11, 11', 11" vorgesehen, die auch zur vollständigen Ab sperrung der Kanalquerschnitte geeignet sind.
Mit der Welle 3 ist mittels der Kupp lung 9 die den Turbinenläufer 12 tragende Turbinenwelle 13 gekuppelt, welche in den Lagern 14, 14' gelagert ist und die rotieren den Schaufeln 15 der Turbine trägt. Der, Turbinenläufer ist von dem die ortsfesten Schaufeln 19 tragenden Gehäuse 18 um geben, welches mit dem Eintrittsstutzen 16 und mit dem Austrittsstutzen 17 versehen ist. Mit dem die Schaufeln enthaltenden Ar- beiteraum der Turbine steht die mit dem Drosselorgan 21 versehene Anzapfleitung 20 in Verbindung; auch dieses Drosselorgan 21 ist zum vollständigen Absperren der An zapfleitung geeignet.
Von diesemVerdichter- Turbinenaggregat ist die Nutzleistungstur- bine 22, deren Läufer 23 an der in den Lagern 25, 25' gelagerten Welle 24 befestigt und mittels dieser Welle mit der Last ge kuppelt ist, mechanisch unabhängig. Am Läufer 23 sind die Kränze bildenden rotie renden Schaufeln 26 montiert, während in dem den Läufer umgebenden Ständer 27 die gleichfalls Kränze bildenden ortsfesten Schaufeln 28 untergebracht .sind. Der die Schaufeln umschliessende Arbeitsraum steht mit dem Eintrittsstutzen 29 und mit dem Austrittsstutzen. 30, sowie auch mit den An zapfkanälen 31, 31' in Verbindung.
In die sen letzteren sind Drosselorgane 32, 32' vor gesehen, die auch zum vollständigen Absper ren der Kanalquerschnitte geeignet sind. Zwischen dem Verdichter und der denselben antreibenden Turbine ist der mit einem Brenner 34 ausgerüstete Verbrennungsraum 33 derart untergebracht, dass sich an densel ben einerseits der Austrittsstutzen 8 des Ver dichters und anderseits der Eintrittsstutzen 16 der Turbine anschliessen. Zwischen dem Verdichter und dem Verbrennungsraum ist der Wärmeaustauscher 35 eingebaut, dessen Arbeitsraum 36 zum Durchlassen der vom Verdichter gelieferten Druckluft dient.
Der Niederdruckraum 38 des Wärmeaustauschers steht mit dem Austrittsstutzen 37 der Nutz- Leistungsturbine 22, sowie mit der Auslass-. leitung 39 in Verbindung. An den Austritts stutzen 17 der den Verdichter antreibenden, Turbine schliesst sich die Leitung 40 an, die' mit dem Eintrittsstutzen 29 der Nutz leistungsturbine Verbindung herstellt. An diese Leistung, sowie an den Eintrittsraum der den Verdichter antreibenden Turbine schliesst sich der Kanal 41 an, welcher sich ausserdem auch an die Anzapfleitung 20 an schliesst.
In diesem Kanal 41 befindet sich das Regelergan 42, welches zum vollständi gen Absperren des Kanalquerschnittes geeig net ist. An den Kanal 40 schliesst sich wei ter auch der Kanal 43 an, welcher zwischen dem Kanal 40, dem Austrittsstutzen 37 der Nutzleistungsturbine, sowie den Anzapflei- tungen 31, 31' der Nutzleistungsturbine Ver bindung herstellt. Im Kanal 43 ist das Regelorgan 43' und im Kanal 40 das Regel organ 40' vorgesehen; diese Regelorgane, ähnlich dem in den Austrittsstutzen 37 vor dem Anschluss des Kanals 43 eingebauten Regelorgan 3<B>7</B>, eignen sich zum vollständi gen Absperren der Kanalquerschnitte.
Die Wirkungsweise der bisher beschriebe nen Anlage ist die folgende: Der Verdichter, welcher durch die mit ihm. unmittelbar gekuppelte Turbine ange trieben wird, saugt durch den: Saugstutzen 7 das Arbeitsmittel (zweckmässigerweise Frischluft) an, welches nach Durchströmen der ortsfesten und rotierenden Schaufel kränze des Arbeitsraumes, auf einen höheren Druck verdichtet, den Verdichter durch den Druckstutzen 8 verlässt und in den Wärme austauscher 35 tritt, während der Durch'- strömung des Arbeitsraumes 36 desselben die Wärme der durch den. andern Arbeitsraum des Wärmeaustausehers strömenden ent spannten Gase aufnimmt und demzufolge sich erwärmt.
Aus dem Wärmeaustauscher gelangt das Arbeitsmittel in den Verbren nungsraum 33, wo es sich infolge der Wärme des mit dem Brenner 34 eingeführten und hier verbrannten Brennstoffes noch weiter erwärmt, sodann tritt es durch den. Eintritts- stutzen 16 in die den: Verdichter antreibende Turbine ein, wo es sich zum Teil entspannt und so viel Arbeit an die Welle 13 übergibt, als zur Überwindung der Lagerreibung und zum Antrieb etwaiger Hilfsmaschinen, sowie hauptsächlich zum Antrieb des Verdichters gerade nötig ist.
Das aus der den Verdichter antreibenden Turbine austretende Arbeits mittel gelangt durch den Kanal 40 zum Ein trittsstutzen 29 und strömt durch die Nutz leistungsturbine 22, in welcher es auf die Welle 24 ein Antriebsmoment bezw. Arbeit überträgt. Das Gas gelangt sodann durch den Austrittsstutzen 30 und den Anschluss 37 in den Niederdruck-Arbeitsraum des Wärmeaustauschers 35, wo es seine Wärme während der Durchströmung an das frische Arbeitsmittel überträgt, um schliesslich durch die Auslassleitung 39 ins Freie zu gelangen.
Die beschriebene Arbeitsweise gilt für den Fall, dass die Absperrorgane 11, 11', 11", 42, 21, 43', 32, 32' in vollständig geschlosse- ner Stellung gehalten sind, die Absperr organe 37' und 40' dagegen vollständig offen stehen. In diesem Falle kann bei entsprechen der Ausbildung erreicht werden, dass bei gleichbleibender oder annähernd gleichblei bender Drehzahl des Verdichter-Turbinen- aggregates und ebenfalls konstanter Gas eintrittstemperatur die Nutzleistungsturbine, ihrer Drehzahl entsprechend, verschiedene Momente liefert, deren Wert bei sinkender Drehzahl ansteigt.
Um dies im Idealfall unter Abgabe einer annähernd konstanten Leistung zu erreichen, wäre es notwendig, die Nutzleistungsturbine, trotz ihren ver-, änderlichen Drehzahlen, mit konstantem Druckabfall 4p arbeiten zu lassen und sie zu befähigen, bei ihrer veränderlichen Dreh zahl und bei ihrem konstanten Druckabfall eine konstante Gasmenge zu verarbeiten, welche Gasmenge gerade der durch das Ver- dichter-Turbinenaggregat gelieferten Gas menge, der Druckabfall dagegen demjenigen Druckunterschied entspricht,
welcher nach Abzug des in der den Verdichter antreiben den Turbine eintretenden Druckabfalles aus dem zur Verfügung stehenden ganzen Druck abfall noch übrigbleibt. Natürlich sollte der Wirkungsgrad der Nutzleistungsturbine in den den verschiedenen Drehzahlen entspre chenden Betriebszuständen ständig auf einem so hohen Wert bleiben, da.ss die Anlage auch aus diesem Grunde nicht unwirtschaftlich wird.
Angestellte Versuche haben gezeigt, dass eine gewisse Annäherung an die oben als Idealfall geschilderte Form der Druckabfa'll- drehzahlcharakteristik durch eine besondere Ausbildung der Beschaufelung der Nutz leistungsturbine möglich ist. Die Verhält nisse sind auf Fig. 2 dargestellt, wo die Ordinaten den im Arbeitsraum eintretenden Druckabfall und die Abszissen die Dreh zahlen der Nutzleistungsturbine bedeuten.
Die einzelnen Kurven a-e der Figur be ziehen sich auf verschiedene Schaufelausbil dungen und auf konstante Eintrittsgeschwin digkeiten, welch letzteren im Fahle der ver schiedenen Beschaufelungen nicht notwendi- gerweise dieselben sein müssen; dabei hat die Änderung ihres Wertes selbst im Falle der- i selben Beschaufelung die Änderung der Form und der Lage der zur Beschaufelung gehörigen Kurve zur Folge.
Mit den der Kurve b und besonders der Kurve a entspre chenden Beschaufelungen kann der Idealfall: nicht einmal annähernd erreicht werden, in dem sich mit der Drehzahl der Nutz leistungsturbine auch der darin stattfindende Druckabfall wesentlich ändert. Im Falle der der Kurve c entsprechenden Beschaufelung g sind die Verhältnisse bereits wesentlich bes ser, dass es einen solchenDrehzahlbereich gibt, innerhalb dessen sich der Druckabfall nicht wesentlich ändert.
Noch günstiger sind die Verhältnisse bei einer der Kurve d entspre-, 4 chenden Beschaufelung, indem hier inner halb des Drehzahlbereiches von rao bis n1 die Änderungen des in der Turbine eintretenden Druckabfalles gegenüber einem Mittelwert höchstens 20% betragen> Die Kurve e, für s welche die prozentuale Abweichung des Druckabfalles vom Mittelwert im Drehzahl- Bereich n,-n, wieder bedeutend grösser ist,
entspricht den Bedingungen gleichfalls nicht so gut wie die Kurve d.
Versuchsgemäss kann die der Kurve d entsprechende Druckabfalldrehzahlcharakte- ristik mit einer solchen Beschaufelung er reicht werden, bei welcher die verwendeten Schaufeln im Vergleich zur Wölbung der in i der Dampfturbinenpraxis benutzten Schau feln eine bedeutend sanftere Wölbung auf weisen (vergleiche in Fig. 4 das Verhältnis
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und zwar steht ihre Wölbung derjenigen der in der Flugzeugtechnik angewendeten Flügel profile bedeutend näher als der Wölbung der in der Dampfturbinenpraxis benutzten Schaufeln,
und bei welcher - mit Aus nahme des ersten und des letzten Schaufel kranzes - der auf die in Fig. 3 mit x-x bezeichnete Durchströmungsrichtung bezo gene, zwischen der konkaven Schaufelseite und der Richtung x-x gemessene Anstell- winkel ss der Schaufeln zwischen<B>10'</B> und 45' liegt.
Mit Rücksicht darauf; dass sowohl die ortsfesten als auch die rotierenden Schaufeln in ihrer Längsrichtung (in der radialen Rich tung) verdreht werden können, kann auch der Winkel ss längs der Schaufel veränder- lieh sein, weshalb diese letztere Bedingung so zu verstehen ist, dass@ der Winkel ss minde stens in einem Punkt der Schaufellänge zwi schen die angegebenen Grenzen fallen muss, wobei dieser Punkt von Kranz zu Kranz auch in verschiedenen Entfernungen von der Drehungsachse fliegen kann.
Ist der Wert des Winkels ss zu gross, so bekommt man eine der in Fig. 2 dargestellten Charakteristiken a bezw. b oder c, im entgegengesetzten Falle aber die Charakteristik e.
Im Falle eines richtigen Anstellwinkels und entsprechend geformter Schaufeln wird eine der Kurve d entsprechende Charakteristik dann erhalten, wenn die Durchströmungsgesehwindigkeit der einzelnen Druckstufen der Nutzleistungs.- turbine, bei Vollast oder in der Nähe dersel ben, der auf .dem innern Kreise der Läufer schaufeln der Nutzleistungsturbine gemesse nen Umfangsgeschwindigkeit nahe kommt oder dieselbe übertrifft. Nach Versuchs ergebnissen zeigt der Wirkungsgrad der Nutzleistungsturbine in diesem Falle zwi schen weiten Drehzahlgrenzen auch hinrei chend hohe Werte (65-90 % ).
Mit Rücksicht darauf, dass die Charak teristik d gemäss Fig. 2 der Nutzleistungs- turbine demIdealfalle mit konstantemDruck- abfall noch nicht voll entspricht, werden gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren die Abweichungen der Charakteristik durch Veränderung der durch die Turbine strömen den Arbeitsmittelmenge ausgeglichen.
Solche Eingriffe sind natürlich um so mehr und intensiver notwendig, je mehr die Gestalt der Charakteristik der Nutzleistungsturbine, zu folge einer weniger geeigneten Beschaufe- lung, von d-er Gestalt der Kurve d der Fig. 2 abweicht und z. B. in eine der Kurven c oder sogar b übergeht. Zu diesem Zweck sind die in Fig. 1 ersichtlichen Anzapfungs- bezw. Umgehungsleitungen vorgesehen.
Durch Be tätigung .der Drosselorgane in diesen Leitun gen kann die Menge des durch die Nutz- leistungsturbine oder Teile derselben durch fliessenden Arbeitsmittels geändert werden, wodurch im Sinne des Obengesagten wieder die Lage und Gestalt der Druckabfallcharak- teristik beeinflusst werden.
Ist der in der Nutzleistungsturbine stattfindende Druckab fall grösser als erwünscht, so kann durch teilweises Öffnen der Drosselorgane 32 oder 32' eine so grosse Gasmenge durch die Lei tung 43 aus der Nutzleistungsturbine ausge- Alassen werden, die genügt, den Druckabfall in derselben auf das gewünschte Mass 'hinab-, zudrücken. Durch Anordnung der Anzapf- leitungen an geeigneten Stellen kann erreicht werden, dass der demzufolge eintretende Wir kungsgradverlust sehr gering wird.
Es ist zweckmässig, so vorzugehen, dass die Anzapf- leitungen oder ein Teil derselben bei dein vorgeschriebenen. Druckabfall zumindest zum Teil bereits offen stehen; in diesem Falle kann durch Steigerung der Drosselung der eintretende Druckabfall gesteigert, durch Verminderung der Drosselung dagegen ver mindert werden, wodurch eine Druckrege lung in zwei Richtungen erreicht werden kann.
Es ist möglich, obzwar nicht so vor teilhaft, an Stelle der Anzapfleitungen nur die Umgehungsleitung 43 anzuwenden, deren Drosselungsmass durch das Drosselorgan 43' geändert werden kann. Durch Öffnen des Drosselorganes 43' und damit Vergrösserung des Leitungsquerschnittes umgeht ein Teil .des Arbeitsmittels die Nutzleistungsturbine und vermindert dadurch den sich darin ein stellenden Druckabfall.
Man kann aber auch so vorgehen, dass die Unvollkommenheit der Charakteristik derNutzleistungsturbine nicht an dieser Turbine selbst, sondern teilweise oder vollständig an der den Verdichter an-, treibenden Turbine korrigiert wird. Hiezu dient die Anzapfleitung 20 sowie die Um gehungsleitung 41.
Durch Öffnen des in der Anzapfleitung 20 angebrachten Drosselven tils 21 wird ein Teil des die Hochdruckstufen cler den Verdichter antreibenden Turbine durchströmenden Arbeitsmittels unter Um gehung der Niederdruckstufen derselben un mittelbar in den zur Nutzleistungsturbine führenden Kanal 40 ausgelassen, und in die ser Weise kann der auf die den Verdichter antreibende Turbine entfallende Teil des Druckabfalles, im Vergleich zum sich in der Nutzleistungsturbine einstellenden Druckab fall, vermindert, durch Steigerung der Dros selung dagegen erhöht werden. Einen glei chen Einfluss hat auch die Betätigung des Drosselventils 42 in der Umgehungsleitung, 41.
Mit diesen Mitteln ist es möglich, an der Welle der Nutzleistungsturbine ein sich dem Sinne der Änderung der Drehzahl entgegen gesetzt änderndes Moment selbst dann zu er halten, wenn die Charakteristik dieser Tur bine nicht besonders entsprechend ist, son dern, wie z. B. die Kurven a bezw. b der F'ig. 2 zeigen, einen weniger vorteilhaften Charakter aufweist.
Der durch die Nutz leistungsturbine aufgenommene Druckabfall würde dann bei abnehmender Drehzahl und konstantem durchströmendem Gewicht zu nehmen; nachdem aber das Verdichter-Tur-, binenaggregat nicht imstande ist, diesen ge steigerten Druck zu liefern, wird in Erman gelung sonstiger Regelung auch die Dreh zahl dieses letzteren Aggregates fallen. Hier durch vermindert sich jedoch das in die Nutz leistungsturbine eintretende Gasgewicht und somit auch der durch diese verarbeitete Druck, und schliesslich stellt sich die Dreh zahl des Verdichter-Turbinenaggregates auf einen gewissen niedrigeren Wert ein. In-.
zwischen, da auch die durch den Verdichter, gelieferte Luftmenge nicht konstant bleibt bezw. sich im Endergebnis auf einen vom Ausgangswert abweichenden neuen Wert ein stellt, wird sich aber auch die in Rede stehende Druckabfalldrehzahlcharakteristih ändern, und zwar so, dass ihre Form der Kurve d der Fig. 2 näher kommt. Dabei wird natürlich die Hauptforderung befrie digt, dass nach Erreichung dieses neuen Zu standes das Moment der Nutzleistungsturbine, - mit Rücksicht auf die Verminderung ihrer Drehzahl - grösser ist. als das Ausgangs moment.
Mit Rücksicht auf .diese Bedingung wird natürlich nicht jede beliebige Turbine mit einer beliebigen Schaufeleinstellung bezw. i Charakteristik entsprechen; und auf Grund der Kurven der Fig:
2 ist es verständlich, dass im Falle der Drehzahlverminderung der Nutzleistungsturbine die derartige Einstel lung ihres Momentes um so leichter und zweckmässiger möglich ist, je weniger die Winkeleinstellung von den im obigen ange gebenen Winkelwerten bezw. die Charak teristik der Besehaufelung von der im Be- triebsdrehzahlbereich einen Kurvenabschnitt, mit konstantem Druckabfall aufweisenden Idealcharakteristik abweicht, während bei einer grösseren Abweichung ein Grenzfall eintritt,
bei welchem bezw. über welchen hinaus die Änderung des Momentes nicht mehr entsprechend ist. Ähnliche Überlegun gen gelten auch für den Fall der der Kurve e .der Fig. 2 entsprechenden Charakteristik.
Die Regelventile 11, 11'; 11" des Ver-1 dichters bieten die Möglichkeit zum Betrieb der Gasturbinenanlage unter Teilbelastung, besonders wenn die Drehzahl des Verdichter- Turbinenaggregates bei abnehmender Be lastung überhaupt nicht oder nicht in dem durch die Belastungsabnahme verlangten Masse verringert werden soll.
In diesem Falle werden die Drosselorgane oder einige der selben geöffnet, wodurch ein Teil der in den Verdichter eingetretenen Luft aus dem Ver dichter wieder ausströmt und somit sowohl den durch den Verdichter hergestellten, Druck als auch die den Verdichter durch-' strömende Gasmenge herabsetzt, was die Verminderung der Leistung zur Folge hat.
Falls das Verdichter-Turbinenaggregat in Drehung gehalten und dabei die Nutz leistungsturbine völlig abgestellt werden soll, so ist es zweckmässig, das Drosselventil 43' völlig zu öffnen, das Drosselventil 40' da gegen völlig abzusperren. In diesem Falle findet in der Nutzleistungsturbine gar keine Gasströmung statt, so dass diese auch kein Moment zu entwickeln vermag.
Es ist auch möglich, statt des Drosselventils 40' das Drosselventil 37' zu schliessen, oder aber mit Hilfe des einen dieser Drosselventile - so- f ern sie nicht völlig abgesperrt werden die Nutzleistungsturbine abzubremsen.
Die den Verdichter antreibende Turbine und die Nutzileistungsturbine sind hinsicht lich der Strömung des Arbeitsmittels mitein ander in Reihe geschaltet. Die Nutzleistungs- turbine kann auch als Hochdruckturbine vor der den Verdichter antreibenden Turbine, oder, gemäss Fig. 1, als Niederdruckturbine hinter der den Verdichter antreibenden Tur bine angeordnet werden. Es ist auch mög lich, die Nutzleistungsturbine in mehreren Einheiten zu bauen und diese Einheiten in Parallel- oder in Hintereinanderschaltung zu verwenden.
Es können auch mehrere Ver dichter, oder mehrere zum Antrieb von Ver dichtern dienende Turbinen in bezug aufein ander parallel oder in Reihe geschaltet wer den. Die Anlage kann auch mit zwischen mehreren Abschnitten; der Verdichtung an gewendeter Kühlung oder mit zwischen den in. Reihe geschalteten Turbinen angewendeter Zwischenheizung husgebildet werden. Fer ner kann die Anlage, besonders bei Ausfüh rungen, wo an Raum und Gewicht gespart werden soll, auch so ausgebildet werden, dass gar kein Wärmeaustauscher verwendet wird.
Der Verbrennungsraum kann mit einer Ver brennungseinrichtung beliebiger Type ver sehen werden; er kann mit festem, staubför- migem, flüssigem bezw. gasartigem Brenn stoff gespeist werden, wobei der Verbren nungsraum und die Speisevorrichtung natür lich der Eigenart des Brennstoffes entspre chen müssen, und die Speisevorrichtung kann unmittelbar von der Turbine oder von einem fremden Antriebsorgan angetrieben werden.
Mit Rücksicht darauf, dass es besonders bei Fahrzeugen sehr vorteilhaft und er wünseht ist, bei Stillstand des Fahrzeuges über ein entsprechendes Anf ahrmoment zu verfügen, wird man bei der Ausbildung der Beschaufelung auch diesen Umstand beach ten.
Eine zu eteile Einstellung der Schaufeln (kleiner Wert des Winkels .ss) verursacht bei niedrigen Drehzahlen gemäss Kurve e der Fig. 2 die: Abnahme der Charakteristik,<B>wo-</B> durch wiederum das Anfahrmoment vermin dert wird. Deswegen. ist es zweckmässig, den Anstellwinkel der Beschaufelung so zu be stimmen, dass das Anfahrmoment der Anlage nicht kleiner ist als, das Drehmoment, wel ches - z.
B. im Falle einer Lokomotive zur etwa 30-45 % der magima;len Betriebs drehzahl betragenden niedrigsten Betriebs drehzahl (no) gehört. Es ist sehr vorteilhaft,, die Nutzleistungsturbine als eine Überdruck turbine auszubilden, und zwar zweckmässi- gerweise so, dass der Druckabfall in den orts festen und in den rotierenden Schaufelkrän zen annähernd von der gleichen Grösse ist.
Bei nicht mit Überdruck arbeitenden Tur binen werden nämlich die ortsfesten Schau felkränze in den Fällen geringer Umfangsge schwindigkeiten als Verdichter gegen die in den rotierenden Schaufelkränzen eintretenden Druckabfälle arbeiten.; aus diesem Grunde ist der Wirkungsgrad derartiger Anlagen bei unter dem normalen Wert bleibenden Um fangsgeschwindigkeiten wesentlich ungünsti ger als bei Überdruckturbinen, die gerade deshalb auch :ein grösseres Moment liefern. Diese Verhältnisse gelten ganz besonders im Falle der Anwendung von Beschaufelungen der oben beschriebenen Type.
Process for the operation of gas turbine plants and the device for carrying out this process. In machine systems, it is often important to transfer the work output in such a way that decreasing speeds correspond to increasing torques. This problem is cared for in internal combustion engines usually with variable mechanical Geschwindig keitsübersetzungen between the engine and the driven load, eg. B. the driving tool axis, are turned on, or with hydraulic BEZW. to solve electrical power transmissions.
In this case the moment exerted by the drive shaft stands with certain neglect; and within certain limits approximately in inverse proportion to the speed of rotation thereof. Except for these. Power transmissions can also be produced with piston steam engines, a moment that increases considerably at sin kender speed up to very low speeds; in these latter solutions, however, the torque does not change even approximately in the inverse ratio of the speed, so that the transmitted power will not be constant at different speeds and will also be lower at a lower speed.
The invention relates to a method for operating gas turbine systems which have a compressor, a gas turbine driving the compressor and a power turbine that is mechanically independent of the compressor turbine and connected in series in the flow direction of the working medium. The purpose of the invention is in such gas turbine systems with the change in the operating speed of the utility power turbine opposite changing, z. B. to produce decreasing torques at increasing speeds.
In the case of a favorable structural design of the utility power turbine, the method enables an approximately constant power to develop within a speed range and accordingly. also to develop a moment which changes in inverse proportion to the speed. A gas turbine system operated according to the method according to the invention is particularly suitable for driving vehicles, e.g.
B. of railway vehicles, whereby the power turbine can be coupled directly to the wheel axles without any translation that can be changed during operation. .
The set Z # '. El could theoretically be achieved by setting the weight and pressure of the work medium flowing through the power turbine in the unit of time, according to the characteristics and the respective speed of this turbine, at full load, that the drive torque of the power turbine is in a direction opposite to the speed changes in the same direction, e.g. B. changes in a manner desired for driving vehicles.
The most favorable would be a solution in which the power turbine, regardless of its speed, is able to process a practically unchanged pressure drop with an almost constant speed of the compressor-turbine unit and with a practically unchanged amount of gas flowing through, in which case - of Apart from the changes in the efficiency of the power turbine - the work performed by the power turbine could be practically independent of the speed.
Since such an ideal solution cannot be realized, and also not for a sufficiently large speed range, a part of the working fluid quantity is then used in one of the series-connected turbines in order to maintain a practically constant pressure drop in the power turbine within a fixed speed range to the remaining part of the amount of working fluid flowing in the turbine in question on a bypass path.
The present method is to be explained, for example, with reference to the accompanying drawing, which shows an embodiment of a device for carrying out the method. 1 shows the schematic sectional drawing of a gas turbine system consisting of a compressor, heat exchanger, combustion chamber, a turbine serving to drive the compressor, and a power turbine.
FIG. 2 shows schematically the relationship between the pressure drop that occurs in the power turbine and the speed of rotation of the same at different Winkelein settings of the blades of the same. FIG. 3 shows the developed section through two blade rings of the power turbine, while FIG. 4 illustrates the cross section of a blade used for the same power turbine.
According to FIG. 1, the rotating blades 4 arranged in wreaths are mounted on the compressor rotor 2 mounted in the bearings 1-1 'and fastened on the shaft 3. On the housing surrounding the rotor. 5, the stationary blades 6, which also form rings, are attached. The blades 4 and 6 are located in the working space of the compressor, which is connected to the inlet port 7 on the one hand, to the outlet port 8 on the other hand, and to the tapping channels 10, 10 'and 10 ". In the tapping channels are Throttle elements 11, 11 ', 11 "are provided, which are also suitable for the complete blocking of the channel cross-sections.
With the shaft 3, the turbine shaft 13 carrying the turbine rotor 12 is coupled by means of the hitch 9, which is mounted in the bearings 14, 14 'and which rotates the blades 15 of the turbine. The turbine runner is from the housing 18 which carries the stationary blades 19 and which is provided with the inlet connection 16 and with the outlet connection 17. The bleeding line 20 provided with the throttle element 21 is connected to the working space of the turbine containing the blades; This throttle member 21 is also suitable for completely shutting off the tap line to.
The power turbine 22, the rotor 23 of which is attached to the shaft 24 mounted in the bearings 25, 25 'and is coupled to the load by means of this shaft, is mechanically independent of this compressor turbine unit. The rotating blades 26 forming rings are mounted on the rotor 23, while the stationary blades 28, which are also ringing, are housed in the stand 27 surrounding the rotor. The working space surrounding the blades stands with the inlet connection 29 and with the outlet connection. 30, as well as with the tap channels 31, 31 'in connection.
In the latter, throttling members 32, 32 'are seen, which are also suitable for the complete shut-off of the channel cross-sections. Between the compressor and the turbine driving the same, the combustion chamber 33 equipped with a burner 34 is accommodated in such a way that the outlet port 8 of the compressor on the one hand and the inlet port 16 of the turbine on the other hand connect to the same ben. The heat exchanger 35 is installed between the compressor and the combustion chamber, the working chamber 36 of which is used to let the compressed air supplied by the compressor through.
The low-pressure chamber 38 of the heat exchanger is connected to the outlet connection 37 of the utility power turbine 22 and to the outlet. line 39 in connection. At the outlet nozzle 17 of the turbine driving the compressor, the line 40 connects, which 'connects to the inlet nozzle 29 of the utility turbine. The duct 41 connects to this power, as well as to the inlet space of the turbine driving the compressor, and also connects to the bleed line 20.
In this channel 41 there is the control element 42, which is suitable for the complete blocking of the channel cross-section. The channel 40 also adjoins the channel 43, which establishes a connection between the channel 40, the outlet connection 37 of the power turbine, and the taps 31, 31 'of the power turbine. In the channel 43, the control member 43 'and in the channel 40, the control member 40' is provided; These regulating elements, similar to the regulating element 3 7 built into the outlet connection 37 before the connection of the channel 43, are suitable for completely shutting off the channel cross-sections.
The mode of operation of the system described so far is as follows: The compressor, which by the with it. The directly coupled turbine is driven, sucks in the working medium (expediently fresh air) through the suction nozzle 7, which, after flowing through the stationary and rotating blades of the working area, compresses it to a higher pressure, leaves the compressor through the pressure nozzle 8 and into the heat Exchanger 35 occurs during the flow through the working chamber 36 of the same, the heat of the through the. other working space of the heat exchanger absorbs flowing ent tensioned gases and consequently warms up.
From the heat exchanger, the working medium enters the combustion chamber 33, where it is heated even further due to the heat of the fuel introduced with the burner 34 and burned here, then it passes through the. Inlet nozzle 16 into the turbine driving the compressor, where it partially relaxes and transfers as much work to the shaft 13 as is just necessary to overcome the bearing friction and to drive any auxiliary machines, and mainly to drive the compressor.
The exiting from the compressor driving turbine working medium passes through the channel 40 to a inlet nozzle 29 and flows through the utility power turbine 22, in which it BEZW on the shaft 24 a drive torque. Work transfers. The gas then passes through the outlet connection 30 and the connection 37 into the low-pressure working space of the heat exchanger 35, where it transfers its heat to the fresh working medium as it flows through, in order to finally get outside through the outlet line 39.
The described mode of operation applies in the event that the shut-off devices 11, 11 ', 11 ", 42, 21, 43', 32, 32 'are held in a fully closed position, whereas the shut-off devices 37' and 40 'are completely open In this case it can be achieved with a corresponding design that at constant or almost constant speed of the compressor turbine unit and also constant gas inlet temperature, the power turbine delivers different torques according to its speed, the value of which increases as the speed decreases.
In order to achieve this in the ideal case with an almost constant output, it would be necessary to let the power turbine, despite its variable speeds, work with a constant pressure drop 4p and to enable it to operate at its variable speed and at its constant pressure drop to process a constant amount of gas, which amount of gas corresponds to the amount of gas delivered by the compressor turbine unit, the pressure drop, on the other hand, corresponds to that pressure difference,
which, after subtracting the pressure drop occurring in the compressor driving the turbine, remains from the total available pressure drop. Of course, the efficiency of the power turbine in the operating conditions corresponding to the different speeds should always remain at such a high value that the system does not become uneconomical for this reason either.
Experiments have shown that a certain approximation of the form of the pressure drop speed characteristic described above as the ideal case is possible through a special design of the blades of the power turbine. The ratios are shown in Fig. 2, where the ordinates mean the pressure drop occurring in the working space and the abscissas mean the speed of the power turbine.
The individual curves a-e of the figure relate to different blade designs and to constant entry speeds, which latter do not necessarily have to be the same in the absence of the different blades; The change in its value, even in the case of the same blading, results in a change in the shape and position of the curve belonging to the blading.
With the blading corresponding to curve b and especially curve a, the ideal case: cannot even come close to being achieved in which the pressure drop occurring therein also changes significantly with the speed of the utility turbine. In the case of the blading g corresponding to curve c, the conditions are already much better that there is such a speed range within which the pressure drop does not change significantly.
The conditions are even more favorable with a blading corresponding to curve d, in that here within the speed range from rao to n1 the changes in the pressure drop occurring in the turbine compared to a mean value are at most 20%> curve e, for which the percentage deviation of the pressure drop from the mean value in the speed range n, -n, is again significantly greater,
also does not correspond to the conditions as well as curve d.
According to the experiment, the pressure drop speed characteristic corresponding to curve d can be achieved with such a blading in which the blades used have a significantly more gentle curvature compared to the curvature of the blades used in steam turbine practice (compare the ratio in FIG. 4
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namely their curvature is significantly closer to that of the wing profiles used in aircraft technology than the curvature of the blades used in steam turbine practice,
and at which - with the exception of the first and last blade ring - the angle of attack ss of the blades measured between the concave blade side and the direction xx is between <B> 10 'and the flow direction indicated by xx in FIG. 3 </B> and 45 '.
With that in mind; that both the stationary and the rotating blades can be rotated in their longitudinal direction (in the radial direction), the angle ss along the blade can also be changed, which is why this latter condition is to be understood as @ the angle ss must fall between the specified limits in at least one point of the blade length, this point also being able to fly from ring to ring at different distances from the axis of rotation.
If the value of the angle ss is too large, one of the characteristics shown in FIG. b or c, but in the opposite case the characteristic e.
In the case of a correct angle of attack and appropriately shaped blades, a characteristic corresponding to curve d is obtained when the flow rate of the individual pressure stages of the power turbine, at full load or in the vicinity of the same, which blades on the inner circle of the rotor Power turbine measured peripheral speed comes close to or exceeds the same. According to test results, the efficiency of the power turbine in this case also shows sufficiently high values (65-90%) between wide speed limits.
With regard to the fact that the characteristic d according to FIG. 2 of the power turbine does not yet fully correspond to the ideal case with a constant pressure drop, according to the method according to the invention the deviations in the characteristic are compensated by changing the amount of working medium flowing through the turbine.
Such interventions are of course more and more necessary, the more the shape of the characteristic of the power turbine, due to a less suitable blading, deviates from the shape of curve d in FIG. B. merges into one of the curves c or even b. For this purpose, the tapping respectively shown in FIG. Bypass lines provided.
By activating the throttling devices in these lines, the amount of working medium flowing through the useful power turbine or parts of it can be changed, whereby the position and shape of the pressure drop characteristics are again influenced in the sense of the above.
If the pressure drop taking place in the power turbine is greater than desired, by partially opening the throttle elements 32 or 32 ', such a large amount of gas can be discharged from the power turbine through the line 43 that is sufficient to reduce the pressure drop in the same to the desired level Measure down, squeeze. By arranging the tapping lines at suitable points, it can be achieved that the consequent loss of efficiency is very low.
It is advisable to proceed in such a way that the tap lines or a part of them at your prescribed. Pressure drop are at least partially open; In this case, the pressure drop that occurs can be increased by increasing the throttling, but it can be reduced by reducing the throttling, whereby pressure regulation can be achieved in two directions.
It is possible, although not so in front of geous, to use only the bypass line 43 instead of the tap lines, the throttling rate of which can be changed by the throttle element 43 '. By opening the throttle element 43 'and thus enlarging the line cross-section, part of the working medium bypasses the power turbine and thereby reduces the pressure drop that occurs therein.
However, one can also proceed in such a way that the imperfection of the characteristics of the power turbine is not corrected on this turbine itself, but partially or completely on the turbine that drives the compressor. The tap line 20 and the bypass line 41 are used for this purpose.
By opening the Drosselven tils 21 mounted in the bleed line 20, part of the working medium flowing through the high pressure stages cler the compressor driving turbine, bypassing the low pressure stages thereof, is directly discharged into the channel 40 leading to the power turbine, and in this way the can the compressor driving turbine omitted part of the pressure drop, compared to the pressure drop setting in the power turbine, reduced, but increased by increasing the throttling. The actuation of the throttle valve 42 in the bypass line 41 also has the same influence.
With these means, it is possible to hold a changing torque opposite to the sense of the change in speed on the shaft of the power turbine even if the characteristics of this turbine are not particularly appropriate, son countries such. B. the curves a respectively. b the fig. 2 show, has a less advantageous character.
The pressure drop recorded by the utility power turbine would then take with decreasing speed and constant weight flowing through; but after the compressor turbine, turbine unit is not able to deliver this ge increased pressure, the speed of this latter unit will fall in the absence of other regulation. However, this reduces the gas weight entering the utility turbine and thus also the pressure processed by it, and finally the speed of the compressor turbine assembly is set to a certain lower value. In-.
between, since the amount of air supplied by the compressor does not remain constant or. the final result sets itself to a new value deviating from the initial value, but the pressure drop speed characteristic in question will also change, namely in such a way that its shape comes closer to curve d of FIG. This of course satisfies the main requirement that, after this new state has been reached, the torque of the power turbine - taking into account the reduction in its speed - is greater. as the starting moment.
With regard to .this condition, of course, not every turbine with any blade setting or i match characteristic; and on the basis of the curves in the figure:
2, it is understandable that in the case of the speed reduction of the power turbine, such setting of its moment is easier and more useful, the less the angle setting of the angle values given above or respectively. the characteristics of the dumping deviates from the ideal characteristic with a constant pressure drop in the operating speed range, while a borderline case occurs with a larger deviation,
at which respectively. beyond which the change of the moment is no longer appropriate. Similar considerations also apply to the case of the characteristic corresponding to curve e. Of FIG.
The control valves 11, 11 '; 11 "of the compressor offer the possibility of operating the gas turbine system under partial load, especially if the speed of the compressor turbine unit should not be reduced at all or not to the extent required by the decrease in load with decreasing load.
In this case, the throttling elements or some of the same are opened, whereby part of the air that has entered the compressor flows out of the Ver denser again and thus both the pressure produced by the compressor and the amount of gas flowing through the compressor lowers, which leads to a reduction in performance.
If the compressor-turbine assembly is kept rotating and the utility power turbine is to be shut down completely, it is useful to open the throttle valve 43 'completely and to shut off the throttle valve 40' completely. In this case, there is no gas flow at all in the power turbine, so that it cannot develop any moment.
It is also possible to close the throttle valve 37 'instead of the throttle valve 40', or with the help of one of these throttle valves - if they are not completely shut off, to brake the power turbine.
The turbine driving the compressor and the useful power turbine are connected in series with one another with regard to the flow of the working medium. The power turbine can also be arranged as a high-pressure turbine in front of the turbine driving the compressor or, according to FIG. 1, as a low-pressure turbine behind the turbine driving the compressor. It is also possible, please include to build the power turbine in several units and to use these units in parallel or in series.
There can also be several Ver dense, or several to drive Ver dense serving turbines with respect to one another connected in parallel or in series who the. The plant can also have between several sections; the compression with applied cooling or with intermediate heating applied between the turbines connected in series. Furthermore, the system can also be designed in such a way that no heat exchanger is used at all, especially in designs where space and weight are to be saved.
The combustion chamber can be seen ver with any type of combustion device; it can be mixed with solid, dusty, liquid or gaseous fuel are fed, the combustion chamber and the feed device of course, the nature of the fuel must correspond chen, and the feed device can be driven directly by the turbine or by an external drive element.
In view of the fact that it is particularly advantageous and desirable for vehicles to have a corresponding starting torque when the vehicle is at a standstill, this fact will also be taken into account when designing the blading.
Too partial setting of the blades (small value of the angle .ss) causes at low speeds according to curve e in FIG. 2 the following: decrease in the characteristic, which in turn reduces the starting torque. Because of that. It is useful to determine the angle of attack of the blading so that the starting torque of the system is not less than the torque, wel ches - z.
B. in the case of a locomotive belongs to the lowest operating speed (no), which is about 30-45% of the magima; len operating speed. It is very advantageous to design the power turbine as an overpressure turbine, in fact expediently in such a way that the pressure drop in the stationary and in the rotating blade rings is approximately the same size.
In the case of turbines that do not work with excess pressure, the stationary blade rings will work in the cases of low circumferential speeds as a compressor against the pressure drops occurring in the rotating blade rings. For this reason, the efficiency of such systems at peripheral speeds that remain below the normal value is much less favorable than with overpressure turbines, which for this very reason also: deliver a greater torque. These relationships apply especially when using blades of the type described above.