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Gasturbinenanlage für den Antrieb eines elektrischen Wechselstrom-Generators,
insbesondere für elektrischen Schiffsantrieb u. dgl. Die Erfindung bezieht sich
auf Gasturbinen, insbesondere für elektrische Schiffsantriebe, bei denen Wechselstrom
verwandt wird. Indes ist sie auch in anderen Fällen anwendbar, wenn die Gasturbinenanlage
eine Wechselstrommaschine antreibt und veränderliche Drehzahlen erforderlich sind.
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Wenn ein elektrischer Schiffsantrieb mit Wechselstrom vorausgesetzt
wird, ist immer ein besonders angetriebener Erregersatz vorzusehen.
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Es war bisher nicht üblich, die Erregermaschine von den Hauptantriebsmaschinen
aus anzutreiben, da in solchem Fall beim Start keine Erregung verfügbar ist.
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Gemäß der Erfindung besteht die Gasturbinenanlage aus mindestens zwei
mechanisch voneinander unabhängigen Turbinen, die gasseitig hintereinandergeschaltet
sind, soweit nicht bei mehr als zwei Turbinen zwei Turbinen des Niederdruckteils
parallel geschaltet sind, wobei die Gasturbine höchsten Drucks die Erregermaschine
für den Wechselstromgenerator und den Luftverdichter (bei mehreren hintereinandergeschalteten
Luftverdichtern deren Hochdruckteil) antreibt, während die bzw. eine Niederdruckturbine
den Wechselstromgenerator antreibt.
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Wenn der Luftverdichter zwei oder mehr unabhängige Läufer besitzt,
die durch mechanisch unabhängig voneinander angeordnete Gasturbinenläufer angetrieben
sind, so wird die Erregermaschine vorzugsweise von dem Hochdruckturbinenläufer
angetrieben,
der auch den Hochdruckverdichter treibt.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in der Verwendung der Erregermaschine
als Startmotor für die Gasturbinenanlage.
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In der Zeichnung sind drei verschiedene Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes
beispielsweise in senkrechtem Schnitt dargestellt.
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Fig. i veranschaulicht die schematische Anordnung einer erfindungsgemäß
ausgestalteten Gasturbinenanlage, die zwei unabhängige Turbinenläufer besitzt.
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Fig. 2 und 3 zeigen ebenfalls schematische Anordnungen einer Gasturbine
mit drei unabhängigen Turbinenläufern. Geeignete Anordnungen für Gasturbinenanlagen
mit vier oder mehr unabhängigen Turbinenläufern, falls eine solche Anlage gewünscht
wird, lassen sich leicht aus den Anordnungen der Fig. a und 3 ableiten.
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Gemäß Fig. i bezeichnet i die Lufteintrittsleitung. Von ihr geht die
Luft weiter zum Luftverdichter 2, in welchem sie verdichtet wird. Die verdichtete
Luft geht durch die Speiseleitung 3, welche an einem Ende mit einem konisch gestalteten
Diffusor 4 versehen ist, zu der Einlaßtrommel des Wärmeaustauschers 5 und alsdann
durch die Röhren 6 des Wärmeaustauschers zu den Luftauslaßtrommeln 7 des Wärmeaustauschers.
Die Zeichnung veranschaulicht nur eine solche Trommel, in der die Verbrennungskammern
8 untergebracht sind. Hier dient ein Teil der Luft als Verbrennungsluft, der Rest
als Überschußluft, die mit den Verbrennungsprodukten gemischt wird, um die Temperatur
herabzusetzen. Die Gase, d. h. die Mischung von Verbrennungsprodukten und Überschußluft,
gehen durch eine kurze Leitung g zu der Hochdruckturbine fo, welche den Luftverdichter
und über das Geschwindigkeitsreduziergetriebe i i die Erregermaschine 12 treibt.
Von der Hochdruckturbine io gehen die Gase unmittelbar zu der Niederdruckturbine
13, welche den Wechselstromgenerator 14 treibt, der bei einem Schiffsantrieb Strom
für den Antriebsmotor, der in Fig. i nicht dargestellt ist, erzeugt. Die Niederdruckturbine
ist in Linie mit der Hochdruckturbine angeordnet, indes sind die beiden Turbinenläufer
mechanisch unabhängig voneinander. Nach dem Verlassen der Niederdruckturbine 13
gehen die Gase außerhalb der Rohre durch den Wärmeaustauscher und entweichen dann
durch den Schornstein 15 in die Atmosphäre. Der Wärmeaustauscher ist nicht wesentlich.
Er verringert den Betrag der Wärme, die der Brennkammer zugeführt werden muß, und
infolgedessen den Brennstoffverbrauch.
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Um das Anlassen zu erleichtern und ein schnelles Steuern im Fall eines
Schiffsvortriebs zu ermöglichen, schließt die Anordnung ein Umleitungsventil 16
für den Durchgang von Gasen vom Ausgang der Hochdruckturbine fo unmittelbar zum
Ausgang der Niederdruckturbine 13 ein sowie ein Entlastungsventil
17, um Luft von einer Zwischenstufe des Verdichters zur Atmosphäre abzulassen.
Diese Anordnung ist in Fig. i durch Verbindung des Ventils 17 mit dem Auslaß der
Niederdruckturbine vermittels einer Leitung 18 verwirklicht.
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Wenn die Gasturbinenanlage angelassen werden soll, sind das Umleitungsventil
16 und das Entlastungsventil 17 beide offen. Es wird alsdann Gleichstrom von einer
Hilfsstromquelle zur Erregermaschine 12 geleitet, die als Startmotor dient.
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Wenn der Luftverdichter eine Drehzahl erreicht hat, bei welcher eine
genügende Luftströmung durch die Luft- und Gasdurchlässe geht, so werden die Brenner
der Brennkammer 8 angezündet. Die Hochdruckturbine f o unterstützt alsdann den Antrieb
des Verdichters 2. Die Brennstoffzufuhr wird zunächst so gesteigert, daß die Hochdruckturbine
f o imstande ist, den Verdichter 2 allein anzutreiben. Alsdann wird derAnlaßstrom
abgeschaltet. Das Entlastungsventil 17 wird nun allmählich geschlossen und die Brennstoffzufuhr
gleichzeitig derart gesteigert, daß die Drehzahl der Hochdruckturbine und des Verdichters
auf eine geeignete Leerlaufdrehzahl gebracht wird, z. B. auf 6o %. der Drehzahl
bei Vollast. Der nicht dargestellte Erregerschalter für den Wechselstromgenerator
14 wird dann geschlossen, und die Gasturbinenanlage ist nunmehr betriebsbereit.
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Die Gasturbinenanlage wird belastet, indem das Umleitungsventil 16
geschlossen und gleichzeitig die Brennstoffzuführung so geregelt wird, daß die Drehzahl
der Hochdruckturbine und des Verdichters aufrechterhalten bleibt.
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Unter Belastung wird die Gasturbineneinheit allein durch die Brennstoffzufuhr
gesteuert. Die Drehzahl der Hochdruckturbine und des Verdichters variiert mit der
Brennstoffzufuhr indes nur innerhalb eines ziemlich engen Bereichs, im allgemeinen
von 7o bis fooa/n derDrehzahl. DieDrehzahl der Erregermaschine ist deshalb immer
hoch genug, um den erforderlichen Erregerstrom zu liefern.
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Unter der Annahme, daß die Gasturbine für Schiffsvortrieb gebraucht
wird, hängt die Drehzahl der Niederdruckturbine von dem Widerstand des Schiffs und
von der Brennstoffzufuhr ab. Es ist zu bemerken, daß die Baugruppe der Hochdruckturbine
und des Luftverdichters in Verbindung mit der Brennkammer gewissermaßen als Kessel
für die Niederdruckgasturbine dient, indem vor derselben ein Gasüberdruck erzeugt
und dieser Druck durch die Brennstoffzufuhr gesteuert wird.
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Zur schnellen Umsteuerung wird das Umleitungsventil 16 geöffnet und
die Brennstoffzufuhr etwas verringert, um übermäßige Drehzahlen der Hochdruckturbine
zu vermeiden. Der Druck vor der Niederdruckturbine wird dann auf einen sehr kleinen
Wert fallen, der dem Druckabfall im Ventil 16 entspricht, so daß, obwohl ein Teil
der Gase von der Hochdruckturbine noch durch die Niederdruckturbine geht, das von
den Gasen auf den Niederdruckrotor ausgeübte Drehmoment sehr klein ist.
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Der Vortriebsmotor wird nun elektrisch in seiner Drehrichtung umgeschaltet.
Das Umleitungsventil 16 wird dann wieder geschlossen und die Brennstoffzufuhr
gleichzeitig
auf die gewünschte Menge, gegebenenfalls bis zur maximalen Leitung, eingestellt.
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Die in Fig. 2 veranschaulichte Anordnung einer Gasturbinenanlage kann
als Weiterentwicklung der einfachen Anordnung gemäß Fig. i angesehen werden. In
ihr sind drei mechanisch voneinander unabhängige Turbinenläufer und zwei Verdichter
angewandt worden. Diese Anordnung eignet sich für größere Leitungen, wenn ein höherer
thermischer Wirkungsgrad angestrebt wird.
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Gemäß Fig.2 fließt atmosphärische Luft durch die Lufteinlaßöffnung
i zu dem Niederdruckverdichter 2o, der durch eine Mitteldruckturbine 18 getrieben
wird. Die Luft geht dann durch den Zwischenkühler 23 nach dem Hochdruckluftverdichter
2, in welchem die Luft auf den maximalen Arbeitsdruck komprimiert wird. Die verdichtete
Luft geht durch die Leitung 3 zu der Lufteinlaßtrommel 5 des Wärmeaustauschers,
durch die Rohre 6 des Wärmeaustauschers zu der Luftauslaßtrommel 7, in welcher die
Brennkammer 8 eingebaut ist. Der Wärmeaustauscher 6 ist vorzugsweise so ausgebildet,
daß er zwei Brennkammern, eine in jeder Auslaßtrommel, besitzt.
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Durch eine kurze Leitungg wird das Gasgemisch von der Verbrennkammer
zur Hochdruckturbine io geführt, welche den Hochdruckverdichter :2 und die Erregermaschine
12 vermittels eines Untersetzungsgetriebes antreibt.
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Von der Hochdruckturbine io werden die Gase zu den mittleren Brennkammern
24 geführt, die nebeneinanderliegend angeordnet und ähnlich ausgebildet sind wie
die Brennkammern B. Hier wird die Temperatur der Gase dadurch erhöht, daß ein Teil
des Sauerstoffgehaltes (der Überschußluft) für die Verbrennung von zusätzlichem
Brennstoff benutzt wird. Die wieder erhitzten Gase gehen durch die Mitteldruckgasturbine
18, durch die Niederdruckturbine 13, welche den Wechselstromgenerator 14 antreibt,
durch den Wärmeaustauscher 6 und den Schornstein 15 in die Atmosphäre.
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Ein Umleitungsventi,l 16, das Gas vom Austritt der Mitteldruckturbine
unmittelbar zum Auslaß der Niederdruckturbine leitet, ist wie oben vorgesehen. Ein
Ventil 25 dient dazu, dem Hochdruckverdichter unmittelbar Luft aus derEinlaßleitungi
zuzuführen. Wenn die Gasturbinenanlage angelassen werden soll, werden die Ventile
16 und 25 beide geöffnet. Die Hochdruckturbine io wird dann mit dem Arbeitsfluidum
aus den Brennkammern 8 beschickt, indem man die Erregermaschine als Anlaßmotor benutzt,
in derselben Weise, wie im Zusammenhang mit der in Fig. i dargestellten Anlage beschrieben.
Die Mitteldruckturbine 18, die dann gerade ihre Umdrehung begonnen haben kann, wird
nun zu einer mittleren Drehzahl durch Zündung der Zwischenbrennkammern 24 gebracht.
Der Niederdruckverdichter 2o wird durch Schließung des Ventils 25 und gleichzeitige
Erhöhung der Brennstoffzufuhr zuletzt in Tätigkeit gesetzt. Der Erregerstromkreis
kann jederzeit geschlossen werden, wenn die Hochdruckturbine eine genügend hohe
Drehzahl erreicht hat. Die Gasturbinenanlage läuft nun im Leerlauf und wird durch
Schließen des Umleitungsventils belastet. Sie wird dann durch die Brennstoffzufuhr
geregelt. Da die Anlage zwei verschiedene Brennstoffzufuhren hat, werden diese durch
eine einzige Steuerung verbunden.
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Beim Betrieb läuft der Hochdruckluftverdichter, mit welchem die Erregermaschine
mittels eines Getriebes verbunden ist, mit nahezu konstanter Drehzahl. Änderungen
der Belastung beeinflussen hauptsächlich die Drehzahl des Niederdruckverdichters.
Obwohl die Gasturbinenanlage zwei unabhängige Verdichter hat, kann sie durch einen
einzigen Anlaßmotor in Gang gesetzt werden.
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Die Gasturbinenanlage gemäß der in Fig. 3 dargestellten Anordnung
unterscheidet sich von derjenigen der Fig.2 hauptsächlich darin, daß die beiden
Niederdruckgasturbinen 18 und 13, welche den Niederdruckverdichter 2o bzw. den Wechselstromgenerator
14 antreiben, parallel geschaltet sind, indem beide ihr Betriebsfluidum von der
Auslaßseite der Hochdruckturbine io erhalten. Das Umgehungsventil 16= in Fig. 2
ist durch ein Absperrventil 26 in der Leitung 27 ersetzt, welche von dem Auslaß
der Hochdruckturbine io nach der Zwischenbrennkammer 28 vor der Niederdruckturbine
13 führt. Das Ventil 16 kann so ausgebildet sein, daß es nicht vollständig geschlossen
werden kann. Die Anlage gemäß Fig. 3 wird mit offenem Ventil 25 angelassen
und dabei das Absperrventil 26 geschlossen oder teilweise geschlossen. Der Hochdruckverdichter
2 und die Hochdruckturbine io werden auf Drehzahl gebracht, indem die Erregermaschine
12 als Anlaßmotor dient. Sie können dann ohne die durch die Erregermaschine 12 zugeführte
Leitung vermittels des den Brennkammern 8 zugeführten Brennstoffs weiterlaufen.
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Die Niederdruckturbine 18 und der Niederdruckverdichter 20 werden
auf einer mittleren Drehzahl durch Zündung der Zwischenkammer 24 gebracht. Die Anlage
läßt man dann mit Leerlaufdrehzahl laufen, indem das Ventil 25 geschlossen
und der Erregerstromkreis nach dem Wechselstromgenerator 14 geschlossen wird. Die
Anlage wird durch Öffnen des Absperrventils 26 in vollstem Ausmaß belastet. Die
Belastung wird wie vorher durch die Brennstoffzufuhr gesteuert.
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Anstatt des Absperrventils 26 kann ein Umleitungsventil vorgesehen
sein, das mit dem Auslaß der Hochdruckturbine io zu dem gemeinsamen Auslaß der Niederdruckturbinen
13 und 18 führt.