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Gasturbinenaggregat mit mehrstufiger Verbrennung.
Gasturbinen sind bereits bekannt, bei denen das Schaufelsystem in zwei oder mehrere in demselben Turbinengehäuse angeordnete und auf derselben Welle angebrachte Schaufelsysteme aufgeteilt ist. Auch ist bereits vorgeschlagen, das sich unter hohem Druck befindliche Treibmittel mittels in ihm erfolgender Verbrennung von in flüssiger oder anderer Form zugeführtem Brennstoff zu erwärmen. Ferner ist schon vorgeschlagen, das Treibmittel nach Durchströmung eines Teiles des Sehaufelsystems wieder zu erwärmen, u. zw. durch Zufuhr von Brennstoff und Luft, welche in dem Raum zwischen den verschiedenen Schaufelsystemen verbrennen und somit das Treibmittel erwärmen, ehe es in die Schaufelringe des nächstfolgenden Schaufelsystems strömt.
Bei derartigen Ausführungsformen, insbesondere solchen, in denen das Schaufelsystem nach dem Aktionsprinzip ausgeführt ist, sind verschiedene Nachteile aufgetreten, die die praktische Verwendung einer solchen Turbine unmöglich gemacht haben. Um das verdichtete Treibmittel in der geeignetsten Weise ausnützen zu können, wurde es auf sehr hohe, die Wärmebeständigkeit des Schaufelsystems der Turbine gefährdende Temperaturen erwärmt. Das hiebei angewendete Verfahren zur Erwärmung des Treibmittels hatte bedeutend höhere Temperaturen als die berechneten zur Folge, da die Wiedererwärmung innerhalb des, das Schaufelsystem umgebenden, gemeinsamen Turbinengehäuses stattfand, u. zw. in unmittelbarer Nähe des nächstfolgenden Schaufelsystems.
Die Verbrennung hat somit unter unvollständiger Mischung stattgefunden, so dass einige Teile des Treibmittels auf bedeutend höhere Temperaturen als die berechneten erwärmt wurden, während andere Teile niedrigere Temperaturen als die berechneten erhielten. Des weiteren erfolgte die Wiedererwärmung der Gase nicht durch Verbrennung im Treibmittel, sondern durch Verbrennung von zugeführter Brennstoffmenge in der Luftmenge, wodurch das Erhalten einer geeigneten Mischung zur Erzielung der geeigneten Temperatur des Treibmittels, welches das folgende Schaufelsystem durchströmen soll, erschwert wurde.
Es sind auch Gasturbinenaggregate mit mehrstufiger Verbrennung vorgeschlagen worden, bei denen die Erwärmung und Wiedererwärmung des Treibmittels in allernächster Nähe des Schaufelsystems stattfindet. Dies bringt aber mancherlei Nachteile mit sich. So setzen z. B. örtliche Erhitzungen des Schaufelsystems und Ablagerungen von Verbrennungsrückständen auf demselben die Lebensdauer der Beschaufelung herab und beeinträchtigen die richtige Wirkungsweise derselben. Die örtliche Erwärmung hat ein Verziehen wichtiger Teile im Gefolge, was durch Spaltvergrösserung oftmals die Ursache schlechter Wirkungsgrade ist.
Die letztgenannten Übelstände treten insbesondere dann auf, wenn es sich um Axialturbinen der bisher üblichen Art handelt, u. zw. aus folgenden Gründen :
Bei Gasturbinen steigen bekanntlich die Temperaturen sehr rasch, und es werden Lauf-und Leiträder viel schneller erwärmt als das Gehäuse, in welchem sie angeordnet sind. Die Folge davon ist, dass sich Lauf-und Leiträder in radialer Richtung viel schneller dehnen als das Gehäuse, was zu einer Berührung zwischen Teilen desselben und den Rädern führen müsste, wenn nicht von vornherein der Spalt besonders gross gewählt werden würde. Die gleichen Verhältnisse herrschen zwischen Welle und Zwischenwänden.
Der dadurch nötige, unverhältnismässig grosse Spalt bedingt grosse Spaltverluste, und ein wirtschaftlicher Betrieb ist aus diesen Gründen nicht möglich.
Die Erfindung fusst demgegenüber auf der Erkenntnis, dass diese Übelstände bei Turbinen mit radial gerichteter Strömung nicht in dem Masse auftreten können, dass dadurch ein wirtschaftlicher Betrieb der Turbinen auch bei hohen Temperaturen unmöglich wäre.
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1m Sinne der Erfindung wird durch die Kombination von in Form an sich bekannter mehrstufiger Radialturbinen ausgebildeter Turbinenstufen mit getrennten Gehäusen, mit Verbrennungskammern, welche diesen Gehäusen vorgeschaltet sind, ein Wirkungsgrad erreicht, der solche Gasturbinenaggregate mit andern Kraftmaschinen wettbewerbsfähig macht.
Auf der Zeichnung sind einige Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise und schematisch
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der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform.
In Fig. 1 bezeichnen 1 und 2 in getrennten Turbinengéhäusen. 3 und 4 angeordnete Schaufelsysteme.
Diese gesonderten Schaufelsysteme 1 und 2 sind auf derselben Welle 5 angebracht wie ein elektrisches Generatoraggregat 6. Die demselben Gasturbinenaggregat zugehörigen Schaufelsysteme 1 und : 2 können auch als eine Hochdruckturbine 1 und eine Niederdruckturbine 2 angesehen werden, d. h. es sind zwei Turbinenstufen mit getrennten Gehäusen vorgesehen. Die Hochdruckturbine 1 erhält ihr Treibmittel
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vorrichtung 9 (Verbrennungskammer) für das Treibmittel, welche dem Gehäuse 3 vorgeschaltet ist.
Durch die Leitung 10 wird dem Erwärmungsapparat 9 ein Treibmittel, z. B. Luft, unter Druck zugeführt.
Durch eine Rohrleitung 11 wird der Verbrennungskammer 9 auch noch ein Brennstoff, z. B. in flüssiger Form, zugeführt, der innerhalb der Kammer 9 in dem durch die Leitung 10 zugeführten Luftstrom verbrennt.
Das Treibmittel wird hiebei nur auf eine so hohe Temperatur erwärmt, wie der Wärmebeständigkeit des Schaufelsystems 1 entspricht, z. B. auf 500-700 C. Die Regelung der Erwärmung erfolgt durch Zufuhr von Brennstoff in solcher Menge, die zur Erzielung der genannten Temperatur erforderlich ist.
Für niedrigere, geringere Anfangstemperaturen bedingende Belastungen wird, entsprechend dieser Temperatur, eine geringere Brennstoffmenge zugeführt. Die Verbrennung erfolgt somit mit grossem Luft- überschuss. Das in den zentralen Raum 8 der Turbine 1 eintretende Treibmittel enthält somit ausser den durch die Erwärmung entstandenen Gasen auch unverbrannte Luft. Unter Expansion und Wärmegefälle strömt dieses Treibmittel in radialer Richtung durch das als einfach rotierende Radialturbine und für volle Beaufschlagung ausgeführte Schaufelsystem 1. Durch die Leitung 12 wird das Treibmittel fortgeleitet und dann einer der Wiedererwärmung dienenden'Verbrennungskammer 13 zugeführt, in der es wieder erwärmt wird, z. B. auf die gleiche Temperatur, auf die es in der Kammer 9 erwärmt wurde.
Auch in diesem Falle erfolgt die Wiedererwärmung durch eine innere, im Treibmittel stattfindende Verbrennung von durch eine Leitung 14 zugeführtem Brennstoffe. Da die Verbrennung in der Kammer 9 unter grossem Luftüberschuss vor sich ging, enthält das Treibmittel bei Durchströmung der Wiedererwärmungskammer 13 genügend Luft oder Sauerstoff, um die Verbrennung so weit zu unterhalten, dass annähernd dieselbe Temperatur wie in der Kammer 9 erreicht wird. Das auf diese Weise von neuem erwärmte, in der Leitung 15 zum zentralen Raum 16 des als weitere Stufe wirkenden Schaufelsystems oder der Turbine 2 strömende Treibmittel enthält somit hauptsächlich Verbrennungsgase, kann jedoch auch unverbrannte Luft enthalten.
In der Turbine (Stufe) 2 gibt das Treibmittel durch Expansion und Verwertung des Wärmegefälles weitere Energie ab, die von den ausserhalb der Turbine herrschenden Verhältnissen abhängig ist. Auch die Turbinenstufe 2 ist als mehrstufige Radialturbine mit voller Be- aufschlagung und eigenem Gehäuse ausgeführt.
Das Treibmittel strömt somit gemäss Fig. 1 in Richtung der Pfeile durch ein Radialschaufelsystem und, wie bei Radialturbinen vielfach üblich, auch noch durch ein Axialschaufelsystem, das auf der das rotierende Radialschaufelsystem tragenden Turbinenscheibe oder einem mit dieser verbundenen Teil angebracht ist.
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turbinenstufen oder Radialschaufelsystemen bestehenden Turbinenteiles, wovon jeder Teil ein getrenntes Turbinengehäuse aufweist, mit Verbrennungskammern, die der Erwärmung des Treibmittels dienen und den getrennten Turbinengehäusen vorgeschaltet sind. Weiters ist ersichtlich, dass eine Verbrennung-
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ausserhalb des Gehäuses dieser Stufe. Die zur Erzeugung des Treibmittels erforderliche Luft wird bei dieser Ausführungsform einem andern Aggregat entnommen.
Fig. 2 stellt eine Ausführungsform dar, bei der das Treibmittel oder das zur Erzeugung des Treibmittels erforderliche Gas oder die Luft in dem Aggregat zugehörigen Kompressoren verdichtet wird. Ein solches Gasturbinenaggregat kann daher als aus zwei Teilen bestehend betrachtet werden, wobei der eine Teil hauptsächlich zur Erzeugung von verdichtetem Gas und der andere Teil hauptsächlich für die Abgabe von effektiver Leistung bestimmt ist.
In Fig. 2 bezeichnen 21, 22 und 23 drei Kompressoren, welche in der Strömungsrichtung der zu verdichtenden Luft oder des Gases in Reihe geschaltet sind. Das Gas, z. B. Luft, strömt durch die Leitung 24 ein und wird durch eine Leitung 25 vom Kompressor 21 zum Kompressor 22 und weiter durch eine Leitung 26 zum Kompressor 23 geleitet. Vom Kompressor 23 wird die endgültig verdichtete Luft durch eine Leitung 27 einem Vorwärmer 28 zugeführt, in dem sie in später noch zu beschreibender Weise eine erste Erwärmung erfährt. Durch eine Leitung 29 strömt dann die Luft von diesem Vorwärmer zu
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geschaltet. In diesem Apparat findet Verbrennung eines durch die Leitung 72 zugeführten Brennstoffes statt.
Damit eine Verbrennung stattfinden kann, wird durch eine Leitung 73 Frischluft von einer Stelle im Hochdruckkompressor 63 zugeführt, die den Druckverhältnissen in der Leitung 70 entspricht. Auch in diesem Falle wird nicht mehr Luft zugeführt, als für die Verbrennung notwendig ist. Die Verbrennung in dieser Verbrennungskammer erfolgt ohne grossen Luftüberschuss in derselben Weise wie im Apparat 64 und in den übrigen, später noch zu beschreibenden Erwärmungsapparaten. Von der Turbine 69 wird das Treibmittel durch eine Leitung der nächsten Stufe 60 einer Turbine 74 zugeführt. Die Wiedererwärmung des Treibmittels erfolgt in einer in der Leitung 60 angeordneten Verbrennungskammer 75.
Auch in diesem Falle wird durch eine Leitung 76 die für die Verbrennung erforderliche Frischluft zugeführt.
Die Turbine 74 ist auf derselben Welle angebracht wie eine Turbine 77 und ein Generator 78. Der Generator 78 wird somit von den Turbinen 74 und 77 getrieben. Eine Leitung 79 überführt das Treibmittel von der Turbine 74 zur Turbine 77, der eine Verbrennungskammer vorgeschaltet ist.
Dieser Verbrennungskammer wird durch eine Leitung S. ! Frischluft zugeführt. Eine Leitung 82 führt das Treibmittel von der Turbine 77 zu einer Turbine 83. 84 bezeichnet einen in der Leitung 82 angebrachten Wiedererwärmungsapparat für das Treibmittel, das der Turbine 83 zugeführt wird. Die Verbrennung in der Kammer 84 erfolgt unter Einwirkung von Frischluft, die durch eine Leitung 85 zugeführt wird. Eine Leitung 86 führt das Treibmittel von der Turbine 83 zu der z. B. als mehrstufige Radialturbine ausgebildeten Turbinenstufe 87. 88 bezeichnet einen in der Leitung 86 vor der Turbine 87 angebrachten Wiedererwärmungsapparat für das Treibmittel, Die Verbrennung erfolgt mit Hilfe von durch eine Leitung 89 zugeführter Frischluft.
Die Auslassleitung 90 der Turbine 87 verzweigt sich in zwei Leitungen 91 und 92. Durch diese Zweigleitungen wird das Treibmittel ohne Wiedererwärmung Turbinen 93 und 94 zugeführt. Die Turbine 93 steht ohne Einschaltung eines Wiedererwärmungsapparates durch eine Leitung 95 mit einer Turbine 96 in Verbindung. Die Turbinen 93 und 96 sind auf derselben Welle angebracht wie der Niederdruckkompressor 61, der somit von den beiden Turbinen getrieben wird. Die Turbine 94 und eine weitere Turbine 98 sind auf derselben Welle angebracht wie ein Generator 97, der somit ebenfalls von zwei Turbinen getrieben wird. Eine Leitung 99 führt das Treibmittel von der Turbine 94 zur Turbine 98. Durch eine Leitung 100 wird das in dieser Weise ausgenutzte Treibmittel abgeleitet, z.
B. einem Vorwärmer zu, ähnlich wie es früher bei der Ausführungsform nach Fig. 2 beschrieben ist.
Alle obenerwähnten Turbinen sollen im Sinne der Erfindung als Radialschaufelsysteme nach dem Reaktionsprinzip mit Vollanlass ausgeführt werden. Je eine Turbine wird zweckmässig als Radialturbine ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ausgeführt.
Auch bei der Ausführungsform gemäss Fig. 3 ist somit die Gasturbine in zehn Schaufelsysteme
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Luft zugeführten Wasser mitgeteilt. Die verschiedenen Wiedererwärmungsapparate sind mit entsprechenden Teilen der Kompressoren oder Leitungen zwischen den Kompressoren derart verbunden, so dass Frischluft von annähernd dem gleichen Druck, unter welchem die Verbrennung vor sich geht, den Wiedererwärmungsapparaten zugeführt werden kann.
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Turbinen 96,93, 87, 83, 69 und 68 zusammen mit den Kompressoren 61, 62 und 63 den Kompressorteil des Gasturbinenaggregates und die Turbinen 74,77, 94 und 98, gegebenenfalls im Zusammenhang mit den Generatoren 78 und 97, den effektive Leistung abgebenden Aggregatteil des Gasturbinenaggregates bilden.
Die zehn verschiedenen Teile des Schaufelsystems des Gasturbinenaggregates können teils als in Reihe und teils parallel miteinander geschaltete, getrennte Turbinen betrachtet werden. Sie können jedoch auch Teile zweier oder mehrerer Turbinen bilden. Es können z. B. die Turbinen 68 und 69 eine aus zwei Teilen zusammengebaute Hochdruckturbine bilden, während die Turbinen 83 und 87 eine zweite Mitteldruckturbine bilden. Die Turbinen 93 und 96 einerseits sowie die Turbinen 94 und 98 anderseits bilden zwei parallel geschaltete, aus zwei Teilen bestehende Niederdruckturbinen.
Mit Hilfe von Ausführungsformen nach der Erfindung können zur Verfügung stehende, verdichtete Gase oder Luft in vorteilhafter Weise ausgenutzt werden, ohne dass die Anfangstemperatur der Gase einen für die Turbine schädlichen hohen Grad anzunehmen braucht. Auch die Wiedererwärmung braucht nicht auf einen für die Turbine schädlichen Grad zu erfolgen. Die dem Treibmittel zugeführte Wärme kann somit ausgenutzt werden, ohne dass das Schaufelsystem der Turbinenteile dadurch gefährdet wird.
Die Wiedererwärmung des Treibmittels erfolgt unter solchen Verhältnissen, dass das zum Schaufelsystem strömende Gas derart gemischt wird, dass die Temperatur in den verschiedenen Teilen des Treibmittels konstant ist.
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Kompressoren verdichtet wird, ist es notwendig, die verdichteten Gase in vorteilhafter Weise auszunutzen, da ein so grosser Teil des gesamten Energieinhaltes zum Verdichten der Gase verwendet wird, dass ein
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schlechtes Wirtschaften mit der verdichteten Luft grossen Einfluss auf den Wirkungsgrad des gesamten
Aggregates ausübt.
Durch die Erfindung ist somit die Möglichkeit gegeben, die im Gas oder in der Luft vorhandene Energie in vorteilhaftester Weise auszunutzen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Gasturbinenaggregat mit mehrstufiger Verbrennung, gekennzeichnet durch die Kombination einzelner in Form von an sich bekannten, mehrstufigen Radialturbinen ausgebildeten Turbinenstufen in getrennten Gehäusen mit Verbrennungskammern, welche diesen Gehäusen vorgeschaltet sind.