DE1037207B - Compressor arrangement for gas turbines - Google Patents

Description

Verdichter-Anordnung für Gasturbinen Isompressible Medien, z. B. Luft, haben die Eigenschaft, daß ihre physikalischen Zustandswerte im Gebiet der Überschallgeschwindigkeit nicht eindeutig stabil sind. Sie können überspringen in Unterschallgeschwindigkeiten unter stoßartiger. lokal eng begren7ter Änderung der Zustandswerte Druck, Dichte und Temperatur. Diese Möglichkeit der .Z.u-standsändierung wird !in Gl)erscliallverdicbter angewendet zur Verdichtung des zu fördernden --Mediums. Für gleiche Verdichterwirkung in aufeinanderfolgenden Laufrädern müssen entsprechend der mit der Verdichtung steigenden Temperatur in jeder einzelnen Stufe die Umfangsgeschwindigkeiten erhöht werden, um der gleichzeitig steigenden kritischen Geschwin-(ligkeit zu entsprechen.Compressor arrangement for gas turbines Isompressible media, e.g. B. air, have the property that their physical state values are in the area of supersonic speed are not clearly stable. You can skip at subsonic speeds under jerky. locally narrowly limited change in the state values pressure, density and temperature. This possibility of changing the current state of affairs is completely thickened in Gl) used to compress the medium to be conveyed. For the same compression effect in successive impellers must increase in accordance with the increase in compression Temperature in each individual stage the circumferential speeds are increased, in order to correspond to the simultaneously increasing critical speed.

Weiterhin ist es eindeutig, daß Cberschallprofile ün Unterschallgel)i°t mit schlechtem Wirkungsgrad arbeiten, so daß z. B. bei Verwendung von Ülerschallverdichtern bei Gasturbinen der Anlauf der Gesamtmaschine zu eigenständigem Betrieb schwierig ,ein ittU(,i.Furthermore, it is clear that supersonic profiles are subsonic gel) work with poor efficiency, so that z. B. when using super-sonic compressors In the case of gas turbines, the start-up of the entire machine for independent operation is difficult , an ittU (, i.

Hinzu kommen für das Anlaufgebiet weitere he-,ondere Schwierigkeiten bei inehrätufigen Überschallverdichtern dadurch, daß die , inzelne Stufe in ihrem Schluckvolumen für die Betriebsdrehzahl der \Iaschine berechnet und @iusgelegt ist. Im Bereich kleiner Drehzahlen ist infolgedessen die Schluckfähigkeit der letzten Überschallstufe uni ein Mehrfaches zu klein gegenüber der ersten Überschallstufe, so claß die erste Überschallstufe ins Abreißgebiet abrutschen muß. Für Gasturbinen mit mehrstu.figeni L`irerscliallverclichter ergeben sich damit für das Anlaufen besonders Schwierigkeiten.In addition, there are other difficulties in the approach area in single-stage supersonic compressors in that the individual stage in their The displacement for the operating speed of the machine is calculated and set. As a result, the ability to swallow is the last in the low speed range Supersonic stage uni several times too small compared to the first supersonic stage, so the first supersonic stage has to slide into the demolition area. For gas turbines with multi-stage single l'irerscliallverclichter thus result for the start-up especially difficulties.

Schließlich ist die Verwendung von Überschallverdichtern in Gasturbinen dadurch begrenzt, dsaß die erreichbaren Wirkungsgrade mit Zunahme der Verdichtungshöhe abfallen, da der Vorgang als solcher eine Zustandsänderung hei gleichbleibendem Wärmeinhalt, d. h. ein Drosselprozeß mit steigenden Verlusten ist. Es ist andererseits bekannt, daß gute Wirkungsgrade hei Gasturbinen Nrerdichtungsgrade Lies Arbeitsmediums verlangen, die mit Überschallverdichtern allein gerade wegen den mit der Verdichtung steigenden Verlusten nicht erreicht werden.Finally, there is the use of supersonic compressors in gas turbines limited by the fact that the achievable efficiencies as the compression height increases fall off, since the process as such is a change of state while being constant Heat content, d. H. is a throttling process with increasing losses. It is on the other hand known that good efficiencies are used in gas turbines demand those with supersonic compressors just because of the compression increasing losses cannot be achieved.

Würde man nun neben Überschallstufen auch mehrere Unterscha:llstufen vorsehen, so ergeben sich große Wixku.ngsgradverluste, denn die Unterschallstufe kann ihrerseits nicht hei den Umlaufgeschwindigkeiten der Überschallstufe arbeiten, da sich das Unterschallprofil für Überschall nicht eignet.In addition to supersonic levels, one would now also have several sub-level levels provide, then there are large losses of degree of Wixku.ngsgrad because the subsonic level cannot work at the speed of rotation of the supersonic stage, since the subsonic profile is not suitable for supersonic.

Es ist .eine Verdichteraalage für Gasturbinen mit mechanisch voneinander unabhängigen Verdichter-Turbinen-Sätzen bekannt, von dienen jeder aus einem \,',erdichtet- und ans -hier starr mit dein Verdfiehter gekuppelten Gasturbine besteht, und deren Verdichter strömun.gsniäßig hintereina:ndergeschaltet sind.It is .eine compressor system for gas turbines with mechanically separated from each other independent compressor-turbine-sets known, each of which serves from a \, ', conceived- and there is a gas turbine rigidly coupled to your twisted here, and theirs Compressors are switched backwards with a smooth flow.

Gegenstand der Erfindung ist eine derartige Anlage, bei der der erste Eingangsverdichter als Über-<challverdichter ausgebildet ist.The invention is such a system in which the first Input compressor is designed as a super sonic compressor.

Die Ausbildung der ersten Stufe als Überschall-\-erdichter soll nur in Verbindung mit der vorgenannten Zweiwellenanordnung unter Schutz stehen und ist für sich allein nicht Gegenstand der Eriindung, cla eine Verdichteranlage bekannt ist, bei der cl,er erste Eingangsverdichter als Überschallverdichter ausgebildet ist. Bei dieser bekannten Anordnung sind :hier L?t>erscha,llverdichter. Unterschallverdzchter und Turbinen starr auf ein und derselben Welle angeordnet. Diese Anordnung erfordert eine große Anlaßleistung.The training of the first stage as a supersonic poet is only intended in connection with the aforementioned two-shaft arrangement are and is under protection by itself not the subject of the invention, cla a compressor system is known is, in the case of the cl, the first input compressor is designed as a supersonic compressor is. In this known arrangement: here the blower blower compressor. Subsonic suspect and turbines rigidly arranged on one and the same shaft. This arrangement requires a great starting performance.

Demgegenüber wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung nur der Hochdruckteil elektrisch oder pneumatisch angelassen. Dies bedeutet eine Verringerung der Anlaßleistung um die Leistungsaufnahme der Überschallstufe, die 1. einen um die Zweikreismenge größeren Massendurchsatz hat und 2. als Überschallstufe etwa eine dreimal so große Förderhöhe wie die Unterschallstufe besitzt. Demzufolge ist die Leistungsaufnahme dieser Überschallstufe 1,5 - 3mal größer als die einer einzelnen Unterschallstufe. Außerdem beginnt immer die Hochdruckturbine alle Energie zu verarbeiten.In contrast, only the high pressure part is used in the arrangement according to the invention electrically or pneumatically started. This means a reduction in starting performance around the power consumption of the supersonic stage, the 1st one around the two-circuit quantity has a larger mass throughput and 2. as a supersonic stage about three times as large Funding head like the subsonic level. As a result, the power consumption this supersonic level 1.5 - 3 times greater than that of a single subsonic level. In addition, the high-pressure turbine always begins to process all the energy.

Schließlich wirkt die stillstehende Überschallstufe als Drossel und verringert die zum Hochdruckverdichter gelangende Luftmenge. Dadurch ergibt sich ein kleineres Ansauggewicht und, verminderte Abreißgefahr im mehrstufigen Hochdruckverdichter.Finally, the stationary supersonic stage acts as a throttle and reduces the amount of air reaching the high pressure compressor. This results in a smaller suction weight and, reduced risk of tearing in the multi-stage high-pressure compressor.

Auf diese Weise ist das Anlassen des Turbinensatzes mit Unterschallverdichter, der zudem infolge des vorhandenen Überschallverdichters keine übermäßig hohe Stufenzahl hat, ohne besondere Schwierigkeiten finit relativ kleinem Anlasser gewährleistet. Das Anlaufen des Turbinensatzes mit Überschallverdichter erfolgt auf Grund der überschüssigen Leistung des Gasstromes der Niederdruckturbine, mit der d:@i- Überschallsatz ohne Schwierigkeiten hochgefahren werden kann. Die betriebliche Handhabung der Cb.erschallstufe ist auf diese Weise durch die freie Umlaufgeschwitrdigkeit der Überschallstufe be-:onder. einfach. Außerdem ermöglicht die Trennung (-r beiden Verdichtertypen infolge ungleicher Drehzahlen eine strömungstechnisch glatte Luftführung.In this way it is possible to start the turbine set with a subsonic compressor, which, in addition, due to the existing supersonic compressor, is not excessive height Number of stages has finitely guaranteed relatively small starter without any particular difficulties. The turbine set with supersonic compressor starts up due to the excess Power of the gas flow of the low pressure turbine, with the d: @ i supersonic law without Difficulties can be ramped up. The operational handling of the Cb. Sound level is in this way, due to the free circulation speed of the supersonic stage. simple. In addition, the separation (-r enables both types of compressors due to unequal Speeds a fluidically smooth air duct.

Da der Wirkungsgrad im Betriebspunkt eines Überschallverdicht-ers größer ist als der eines Unterschallverdichter" ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung ein höherer Wirkungsgrad der Gesamtanordnung als bei den bekannten Anordnungen.Since the efficiency is at the operating point of a supersonic compressor is greater than that of a subsonic compressor "results from the invention Arrangement a higher efficiency of the overall arrangement than in the known arrangements.

Während die bekannten Anordnungen für die erforderliche Drucksteigerung mehrere Unterschallverdichterstufen benötigen, wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung das gleiche Ziel mit wenigen L`berschallverdichterstufen erreicht. da das Stufendruckverhä ltnis einer Cberschallverdichterstufe weitaus höher ist als das einer Unterschallverdichterstufe. Dadurch ergibt sich ein geringeres Gewicht und eine ge drängtere Bauart. Gesichtspunkte, deren Vorteil, iii.l>e#onderc für Fluggasturbinen, auf der Hand licga1.While the known arrangements for the required pressure increase need several subsonic compressor stages, is with the arrangement according to the invention the same goal was achieved with just a few supersonic compressor stages. since the stage pressure ratio A supersonic compressor stage is much higher than that of a subsonic compressor stage. This results in a lower weight and a more compact design. Viewpoints, their advantage, iii.l> e # onderc for aircraft gas turbines, on hand licga1.

Durch <li@ neue Anordnung können die Vorteile 1wid:-r \-:r(1 ichter-Iiati;irten an Gasturbinen ausgenutzt werden.The advantages 1wid: -r \ -: r (1 ichter-Iiati; irten be exploited on gas turbines.

In an .ich b,@kannter Weise können dabei die Verdichter-Turbinen-Sätze voll koaxialen oder, z. B. für stationäre Gasturbinen, auf völlig getrennten Wellen angeordnet sein.The compressor-turbine sets fully coaxial or, e.g. B. for stationary gas turbines, on completely separate shafts be arranged.

Als Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung die koaxiale Anordnung einer Gasturbine mit Überschall- und Unterschallverdichtern schematisdh dargestellt. Der Überschallverd,ichtersatz 1 ist mechanisch gekuppelt mit dem Turbinensatz 5, der unabhängig vom Unterschallverdichtersatz 2 arbeitet. Das Anfahren der Gastnrl)ine erfolgt allein über den Unterschallverdicht,ersatz 2, der mit Turbiliensatz 4 gekuppelt ist und über das Getriebe 6 mit dem Anlassar 7 angedreht und zum Anlauf kommt.As an embodiment of the invention, the drawing shows the coaxial Arrangement of a gas turbine with supersonic and subsonic compressors, schematically shown. The supersonic compressor set 1 is mechanically coupled to the turbine set 5, which works independently of the subsonic compressor set 2. Approaching the restaurant line takes place solely via the subsonic compressor, replacement 2, which is coupled with turbine set 4 and is turned on via the transmission 6 with the starter 7 and comes to a start.

Claims (1)

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verdichteranlage für Ga.turbinen mit zwei mechanisch voneinander unabhängigen Verdichter-Turbinen-Sätzen, von denen ieder atis einem Verdichter und aus einer #tarr mit dein Verdichter gekuppelten Gasturbine l:est°ht, und deren Verdichter ströinungsiiiäßig hintereinandergeschaltet sind, dadurch gekennzeichli,et, daß der erste Eingangsverdichter als Cber.challverdichter auSgebildet ist. ?. Vorrichtung nach Alispruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der CTberschallverdichtersatz (1) und der zugehörige Turhinensatz (5) mit dem L,"nterscliia.llverdichteratz (2) und dein zugehörigen Turb nenatz (4) koaxial angeordnet ist. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Überchallverdichter (2) mit d,°ni zugehörigen Turbinensatz und der Unterschallverdichter (2) mit dem zugehörigen Turbinensatz (4) auf zwei getrennten Wellen angeordnet sind. 111 Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 719479; The Aeroplane, Bd.89. 1953, S.630 und 707 his 709.PATENT CLAIMS: 1. Compressor system for gas turbines with two mechanical ones independent compressor-turbine sets, each of which is one Compressor and from a #tarrely coupled gas turbine with your compressor l: est ° ht, and whose compressors are connected in series in terms of flow, thereby marked, et, that the first inlet compressor is designed as a Cberchall compressor. ?. contraption according to claim 1, characterized in that the C supersonic compressor set (1) and the associated turin set (5) with the L, "nterscliia.llverdichteratz (2) and your associated Turb nenatz (4) is arranged coaxially. 3. Device according to claim 1. characterized in that the ultrasonic compressor (2) associated with d, ° ni Turbine set and the subsonic compressor (2) with the associated turbine set (4) are arranged on two separate shafts. 111 publications considered: British Patent No. 719479; The Airplane, Vol. 89. 1953, p.630 and 707 his 709