DE10141717A1 - Verfahren zur Herstellung von Gasturbinen und Gasturbinenanordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage geringer Leistung, die als Wellenleistungsgasturbine, Heißgasgenerator oder Luftlieferer eingesetzt werden kann. Für diese werden ein neues Herstellungsverfahren und eine neue Anordnung vorgeschlagen. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, durch die Kleingasturbinen mit kostengünstigen Bauteilen hergestellt werden können. DOLLAR A Das neue Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abgasturbolader (1) von Brennkraftmaschinen, entsprechend dessen Leistungsparametern gefertigte oder angepasste Lufterhitzer (11, 12) mit weiteren, an diesen angepassten Baugruppen zu einer Gasturbine verbunden werden.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage geringer Leistung, die als Wellenleistungsgasturbine, Heißgasgenerator oder Luftlieferer eingesetzt werden kann. Für diese werden ein neues Herstellungsverfahren und eine neue Anordnung vorgeschlagen.
• Stand der Technik
• Gasturbinenanlagen, kurz Gasturbinen genannt, haben heute eine große Bedeutung in der Antriebstechnik. Sie zeichnen sich durch ein geringes Leistungsgewicht, unkomplizierte Handhabung ebenso aus wie durch den prinzipbedingt vibrationsarmen bzw. -freien Lauf. Dem entgegen steht ein hoher Herstellungsaufwand und damit ein hoher Anschaffungspreis. Dennoch haben sich Gasturbinen bis herunter zu einer Maschinenleistung von ca. 220 kW als Antriebsaggregat durchgesetzt, wenn die gasturbinenspezifischen Vorteile ausgenutzt werden müssen (z. B. Luftfahrtantriebe). Unterhalb dieser o. g. Leistungsgrenze haben Gasturbinen vor allem wegen des großen Anschaffungspreises, der gegenüber einer gleichstarken Kolbenmaschine bis zu 10 mal so hoch ist, wenig oder keine Bedeutung. Dort werden auch heute noch Kolbenmaschinen eingesetzt, obwohl der Einsatz einer Gasturbine technisch vorteilhafter und komfortabler (z. B. vibrationsfrei) wäre. Heute werden kompakte Gasturbinen so konzipiert und hergestellt, dass eine große Anzahl der Einzelteile ausschließlich für diesen einen Einsatzzweck entwickelt und hergestellt werden müssen. Dazu gehören u. a. auch die Laufräder (Turbinenräder, Verdichterräder) sowie deren Schaufeln, Wellen, Leitapparate und Lagerungen, die besonders aufwendig und anspruchsvoll in der Materialwahl sind. Ein Austausch von Baugruppen und Einzelteilen ist, wenn die Turbinenleistung und/oder die Art der Turbine geändert werden soll, nur bedingt oder gar nicht möglich. Baugruppen können nicht einfach ausgetauscht werden, so dass mit den entwickelten Teilen nur ein einziger Gasturbinentyp hergestellt werden kann. In der DE OS 37 01 519 wird ein Verfahren zur effektiven Herstellung kleiner Gasturbinen vorgeschlagen. Die Erfindung beinhaltet die Herstellung von Standardbauteilen aus denen. Module vorgefertigt werden. Durch Kombination dieser Module und deren Verbindung durch Leitungen werden Gasturbinen entsprechend dem spezifischen Einsatzfall gefertigt. Mit dieser Lösung werden zwar höhere Fertigungsstückzahlen und damit Kostensenkungen erzielt, eine spezielle Fertigung für Turbinenräder, Lagerungen usw. ist aber erforderlich. Der technische Aufwand und die Kosten liegen damit noch immer i wesentlich höher als bei Brennkraftmaschinen. Die Kombination von Modulen bedeutet immer ein Kompromiss hinsichtlich der Übereinstimmung der Parameter, womit Leistungsverluste gegeben sind. Durch die erforderlichen langen Verbindungsleitungen entstehen außerdem zusätzliche Aufwände und große Leistungsverluste (Strömungswiderstand, Wärmeverluste), die bei der geringen Leistungsgröße besonders negativ wirken. Die Vorteile der räumlich getrennten Baugruppen sind nur in wenigen Einsatzfällen erwünscht. Überwiegend wird ein kompaktes Antriebsaggregat gefordert.
• Aufgabe der Erfindung
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, durch die Kleingasturbinen mit kostengünstigen Bauteilen hergestellt werden können. Eine weitere Aufgabe ist die Entwicklung von Anordnungen, um mit diesen Bauteilen verschiedene, kompakte Gasturbinen zu schaffen.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe entsprechend den Merkmalen des Anspruchs eins gelöst.
• Mit dieser überraschend einfachen Lösung stehen sehr kostengünstig Gasturbinenbaugruppen und -bauteile für kleine Gasturbinen zur Verfügung. Abgasturbinen an Kolbenmaschinen sind seit längerem und in unterschiedlichen Baugrößen bekannt. Diese setzen die Energie des Abgasstroms in Verdichterleistung für die Motorenaufladung um. Eine Nutzung für andere Anwendungen, bzw. allgemein als Gasturbine wurde von der Fachwelt bisher übersehen. Gemäß der weiteren Ausbildung der Erfindung wird ein Lufterhitzer, bestehend aus Brennkammer mit vorgeschaltetem Wärmetauscher und Zubehör, für eine Verbindung mit dem Abgasturbolader geschaffen, der auf die Leistungscharakteristik des Abgasturboladers abgestimmt ist.
• Durch das neue Verfahren wird der Einsatz einer Gasturbine, anstatt einer Kolbenmaschine zum ersten Mal auch für kleinere Leistungen (30 bis 200 kW) möglich. Bisher war bei kleineren Gasturbinen der spezifische Preis pro installierte Leistung sehr hoch, da die Vielfalt ihrer Einzelteile und deren Herstellungsaufwand ähnlich hoch war, wie die einer Gasturbine mit relativ hoher Nennleistung. Durch das neue Verfahren werden durch Nutzung von in großen Mengen produzierten und damit preiswerten Baugruppen (Abgasturbolader), die ursprünglich nicht für eine Gasturbine vorgesehen aber unbedingt einsatzfähig sind, deren Herstellungskosten eingespart. Man kann sich auf die Herstellung weniger Verbindungsteile, Leitungen des Arbeitsfluides, Lufterhitzer (Brennkammer, Wärmetauscher) und den Zusammenbau der Kleingasturbine beschränken. Das wird ergänzt durch die Brennstoffanlage, Schmierstoffanlage, Steuerungs- und Anlassvorrichtung. Um aus den o. g. einzelnen Komponenten eine Kleingasturbine zu fertigen, ist es einerseits erforderlich den Lufterhitzer insbesondere die Brennkammer genau auf die Leistungsparameter der Abgasturbolader, wie Drehzahl und damit Massenstrom, Verbrennungstemperatur, Gerätetemperatur, Ein - und Austrittsgeschwindigkeit, Geometrie der Anschlüsse an die Brennkammer und zur Turbine, Ein- und Austrittsdrücke, Dichte der Gase und Abgasanalyse abzustimmen. Andererseits sind die Baugruppen so auszuwählen und mit dem Lufterhitzer anzupassen, dass die Kennlinien aller Baugruppen aufeinander abgestimmt sind und die erforderliche Leistung und der Wirkungsgrad erreicht werden.
• Im vorliegenden Fall wird die Herstellung der kompliziert geformten und materialtechnisch hochwertigen Turbinenräder sowie den ebenfalls komplizierten Verdichterrädern dem Spezialisten überlassen, während der Produzent der Kleingasturbine sich auf die Herstellung weniger Verbindungsteile und den Zusammenbau der Kleingasturbine beschränken kann.
• Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass eine größere Anzahl verschiedener Gasturbinen dadurch verwirklicht werden kann, dass verschiedene oder mehrere gleiche Abgasturbolader kombiniert werden. So lassen sich mit wenigen Baugruppen viele verschiedene Kleingasturbinen (hinsichtlich Nennleistung, Drehzahl, thermodynamischer Schaltung) mit Hilfe einer computergestützten Elementeauswahl realisieren. Eine Kleingasturbine dieser Art kann unabhängig von der Anordnung und der Anzahl der beteiligten Abgasturbolader sowohl als Wellenleistungsgasturbine als auch als Heißgasgenerator oder Luftlieferer eingesetzt werden. Der Einsatz als Antriebsmaschine ist mit Getriebe oder mit elektrischer Übertragung oder beidem in Luftfahrzeugen, Wasserfahrzeugen, Luftkissenfahrzeugen, Kraftfahrzeugen und Schienenfahrzeugen, Gleiskettenfahrzeugen u. a. Fahrzeugen sowie landwirtschaftlichen Maschinen, Baumaschinen, Notstromgeneratoren und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen möglich. Es können sowohl hochwertige als auch minderwertige, sowohl konventionelle als auch alternative flüssige und gasförmige Brennstoffe verwendet werden.
• In weiterer Ausbildung der Erfindung gemäß den Ansprüchen 6 und weitere wird durch verschiedene Anordnungen eine kompakte Gasturbine geschaffen.
Beispiele
• Nachfolgend sollen das Verfahren und die Anordnung an mehreren Beispielen erläutert werden.
• Die Fig. 1 bis 12 zeigen die einzelnen Anordnungsvarianten und Fließschemata.
• In Fig. 1 bis Fig. 4 ist als Beispiel für die Erläuterung eine Wellenleistungsturbine in Zweiwellenbauart mit einer Freifahrarbeitsturbine in der meist genutzten thermodynamischen Schaltung von Gasturbinenanlagen dargestellt. Das heißt, dieses Aggregat besteht aus thermodynamischer Sicht aus einem Heißgasgenerator und einer unabhängig von der Heißgasturbine gelagerten Arbeitsturbine.
• Die Luft wird vom Verdichter 5 aus der Umgebung angesaugt und verdichtet. Der Verdichter 5 gehört zum ersten Abgasturbolader 1. Die verdichtete Luft strömt in den Wärmetauscher 11, in dem die Luft durch die Abgaswärmeleistung vorgewärmt wird. Danach tritt die verdichtete und vorgewärmte Luft in die Brennkammer 12 ein, wo ein Teil des Luftsauerstoffs für die Verbrennung des Brennstoffes, der durch das Einspritz- bzw. Einblasventil 15 in die Brennkammer 12 gelangt, genutzt wird. Die Brennkammer 12 ist so gestaltet, dass sich die hochtemperierten Verbrennungsprodukte und die übrige Luft gut mischen und eine technologisch vertretbare Temperatur des nun als Frischgas bezeichneten Arbeitsfluides ergeben. Das Frischgas strömt durch den Leitapparat in die Verdichterturbine 7, die ebenfalls Bestandteil des ersten Abgasturboladers 1 ist.
• Dort gibt das Gas einen großen Teil seiner Energie an das Verdichterturbinenrad ab und treibt damit den Verdichter 5 an. Danach strömt das Gas durch das Verbindungsstück 13 in die Arbeitsturbine 9, die Bestandteil des zweiten Abgasturboladers 2 ist. Dort wird die mechanische Leistung auf die Arbeitsturbinenwelle 10 übertragen und steht dort zur Verfügung. Das Gas wird im weiteren dem Wärmetauscher 11 zugeführt. Dort wird ein Teil der verbleibenden Restenergie des Arbeitsgases in Form von Wärme an die verdichtete Luft abgegeben, um den Wirkungsgrad der Maschine zu steigern. Zuletzt strömt das jetzt als Abgas zu bezeichnende Fluid über den Abgasdiffusor 17 ins Freie.
• Das Aggregat wird mit Hilfe des Anlassers 18, der gleichzeitig ein Generator sein kann, in Betrieb genommen. Die Zündkerze 19 dient zur ersten Zündung des Brennstoff-Luft- Gemisches in der Anlassphase. Eine Brennstoffpumpe 14 bzw. Einblassteuerung ist für die Brennstoffversorgung zuständig. Die Ölpumpe 16 fördert Schmiermittel zu den Lagerstellen. Oft ist es für ein Antriebsaggregat nicht notwendig, dass alle Wellen koaxial oder fluchtend angeordnet sein müssen. Das in Fig. 1 bis Fig. 4 dargestellte Aggregat demonstriert die Kompaktheit bei der gewählten Anordnung. Die Welle des Verdichters und die Arbeitsturbinenwelle sind in diesem Fall 90 Grad zueinander angeordnet. Diese Anordnung ist für die Funktion der Maschine ohne Einfluss, führt jedoch zu kleinen Abmaßen.
• Durch die Kombination von unterschiedlich großen Abgasturboladern und Verbindungsstücken lassen sich sehr viele verschieden große und verschiedenartige Kleingasturbinen verwirklichen. Die Art der Gasturbine wird durch den Einsatzzweck (Bereitstellung von Heißgas, Wellenleistung, Strahlleistung oder deren Kombinationen) bestimmt, die Größe durch die erforderliche Leistung und die Qualität und Technologie der zur Verfügung stehenden Abgasturbolader. Dabei sind alle von einem Nutzer gewünschten Anordnungen sowie neue Kombinationen möglich.
• In den Fig. 5 bis Fig. 12 sind noch weitere Möglichkeiten der Zusammenstellung einer Kleingasturbine aus mehreren Abgasturboladern dargestellt. Fig. 5 und Fig. 6 zeigt die Anordnung aus Fig. 1 bis Fig. 4 mit einer zusätzlich auf der Verdichterwelle vor dem Verdichter 5 angeordneten Axialstufe 8. Diese erhöht das Druckverhältnis, dass nach der Verdichtung vorliegt.
• In Fig. 7 und Fig. 8 ist ebenfalls eine Kleingasturbine in Zweiwellenbauart mit einer Verdichterturbine und einer Freifahrarbeitsturbine abgebildet. Hierbei liegt die Arbeitsturbinenwelle (10) parallel zur Welle des Verdichters 5, im Gegensatz zu den Anordnungen in Fig. 1 bis Fig. 6. Diese Anordnung wird durch Verwendung eines anderen Verbindungsstückes 13 und Veränderung des Anschlusses an den Wärmetauscher 11 erreicht.
• Fig. 9 bis Fig. 12 zeigen eine mehrstufige Anordnung einer Kleingasturbine, bei der wegen des größeren Druckverhältnisses auf einen Wärmetauscher verzichtet werden kann. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht im geringeren Leistungsgewicht. Dabei wird die Luft zuerst im Niederdruckverdichter 4 vorverdichtet und anschließend durch den Hochdruckverdichter 5 auf ein insgesamt höheres Druckverhältnis als bei einstufiger Verdichtung gebracht und der Brennkammer 12 zugeführt. Danach strömt das Frischgas zuerst durch die Hochdruckturbine 7, die den Hochdruckverdichter 5 antreibt, dann durch die Arbeitsturbine 9 und anschließend durch die Niederdruckturbine 6, die den Niederdruckverdichter 4 antreibt. Zuletzt strömt das Abgas durch den Abgasdiffusor 17 in die Umgebung. Verzeichnis der Bezugszeichen 1 Abgasturbolader 1
  2 Abgasturbolader 2
  3 Abgasturbolader 3
  4 Niederdruckverdichter
  5 Hochdruckverdichter/Verdichter
  6 Niederdruckturbine
  7 Hochdruckturbine/Verdichterturbine
  8 Axialstufe
  9 Arbeitsturbine
  10 Arbeitsturbinenwelle
  11 Wärmetauscher
  12 Brennkammer
  13 Verbindungsstück
  14 Brennstoffpumpe
  15 Einspritz-/Einblasventil
  16 Ölpumpe
  17 Abgasdiffusor
  18 Anlasser
  19 Zündkerze
  

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von Gasturbinen, bei dem vorgefertigte Bauteile bzw. Baugruppen miteinander zu Gasturbinen zusammengefügt werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abgasturbolader (1) von Brennkraftmaschinen, entsprechend dessen Leistungsparametern gefertigte oder angepasste Lufterhitzer (11, 12) mit weiteren, an diesen angepassten Baugruppen zu einer Gasturbine verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasturbolader (1) von Brennkraftmaschinen zusammen mit entsprechend dessen Leistungsparametern konstruierte und gefertigte Brennkammer (12) und vorgeschaltetem Wärmetauscher (11) sowie Brennstoffanlage den Heißgasgenerator bilden, und mit einem zweiten Abgasturbolader ohne Verdichterrad (2) als Arbeitsturbine (9) zu einer Wellenleistungsgasturbine verbunden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Abgasturbolader (1, 2, 3) von Brennkraftmaschinen parallel oder mehrstufig in Reihe, entsprechend deren Leistungsparametern gefertigte Lufterhitzer (11, 12) mit weiteren, an diese Abgasturbolader angepassten Baugruppen zu einer Gasturbine verbunden werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass des strömungstechnisch zuerst angeordneten Abgasturboladers (1) direkt, bzw. mit einem kurzen Verbindungsstück (13), mit dem Einlass des danach angeordneten zweiten Abgasturboladers (2) verbunden wird, so dass die Wellen der Abgasturbolader einen Winkel einschließen.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Baugruppen wie Lufterhitzer, Wärmetauscher (11), Brennstoffanlage (14, 15), Anlasser (18), Steuerung usw., die für verschiedene Maschinen serienmäßig gefertigt werden, direkt oder angepasst mit den Abgasturboladern zu einer Gasturbine verbunden werden.

6. Gasturbinenanordnung nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppen wie Abgasturbolader (1, 2), Wärmetauscher (11), Brennkammer (12) u. a. direkt oder über ein kurzes Verbindungsstück (13) miteinander, überwiegend unter einem Winkel, zu einer kompakten Einheit verbunden sind.

7. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Abgasturboladers 1, der als Heißgasgenerator wirkt, über einen Verbindungsflansch 13 mit dem Eingang des Abgasturboladers 2, der als Arbeitsturbine wirkt, verbunden ist.

8. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, das die Wellen einen Winkel von etwa 90° einschließen.

9. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des Abgasturboladers 1 achsfluchtend mit der Brennkammer 12 verbunden ist und unter dieser der Wärmetauscher parallel zum Abgasturbolader 1 angeordnet ist.