Gasturbinenanlage. Die Erfindung betrifft eine Gasturbinen anlage mit Hauptturbokompressor, einem ihm vorgeschalteten Vorverdichter und mit Hauptturbine und einer ihr nachgeschalteten den Vorverdichter antreibenden Hilfsturbine. Sie besteht darin, dass wenigstens ein Teil des Arbeitsmittels nach Austritt aus der Hauptturbine zuerst. durch einen Rekuperator strömt und dann erst in einer Hilfsturbine zu Ende expandiert wird.
Die Luft kann dabei beim Übertritt vom Hilfsturbokom- pressor zum Hauptturbokompressor durch mindestens einen Zwischenkühler geleitet werden. Durch Beeinflussung der Drehzahl des aus Hilfskompressor und Hilfsturbine bestehenden Hilfsturboaggregates kann die pro Zeiteinheit von der Anlage zu verarbei tende Luft bezw. Gasmenge verändert und damit die Leistung der Anlage geregelt werden.
Die vom Hilfsturbokompressor verdich tete Luft kann zweckmässig auch durch eine Hilfsverbrennungskammer unmittelbar zur Hilfsturbine geführt werden, um das Hilfs- aggregat auch selbständig als kleine Gas turbinenanlage laufen zu lassen. Das Hilfs aggregat kann zudem mit dem Hauptaggre gat überein Untersetzungsgetriebe mit Aus rückkupplung vorübergehend gekuppelt wer den, um die Hauptanlage von der als eigent liche Gasturbine arbeitenden Hilfsgruppe aus, anzulassen.
Die Verbindungsleitung zwischen Rekuperator und Hilfsturbine kann durch Drosselorgane einerseits mit einer Zwischenstufe der Hauptturbine, anderseits mit der Atmosphäre vorüber gehend in Verbindung gebracht werden, wo durch sich eine rasche Drehzahländerung des Hilfsaggregates erzielen lässt. Vorteilhafter- weise kann auch nur ein Teil des Gases bei höherem Druck als 1 ata aus der Haupt turbine entnommen, im Rekuperator abge kühlt und dann in der Hilfsturbine zu Ende expandiert werden, während der übrige Teil in der Hauptturbine bis auf zirka 7.
ata expandiert und nun erst abgekühlt wird in einem zweiten Rekuperator. Es können aber andere Mittel vorgesehen sein, um eine Leistungsübertragung vom Hilfsaggregat auf die Ilaupta.nlage zu gestatten, so dass die Hauptanlage von dem dann als selbstän dige Gasturbine laufenden Hilfsaggregat aus angelassen werden kann. Beim Anlassen kann die mit dem Hilfsaggregat gekuppelte elektrische Maschine als Generator wirken und ihre Leistung an den Hauptgenerator abgeben.
Es sind bereits Gasturbinenanlagen be kannt geworden, bei denen Hochdrucktur binen und Niederdruckturbinen vorgesehen sind. Auch ist es bekannt, hei solchen An lagen die Abgase durch einen Rekuperator strömen zu lassen, um einen Teil der Ab- ga.swärme zurückzugewinnen. Demgegenüber wird aber gemäss der Erfindung wenigstens ein Teil der Gase schon nach Austritt aus der Hochdruckturbine, genannt Haupttur bine, durch den Rekuperator geleitet und dann erst in einer Niederdruckturbine, ge nannt Hilfsturbine, zu Ende expandiert.
wobei diese Hilfsturbine einen Vorverdich- ter der Anlage antreibt. Dadurch ergeben :ich folmende Vorteile: Bei den bisher bekannten Anordnungen ist eine Belastungsänderung notwendigerweise mit einer wesentlichen Änderung der Wärmestrecken der Gebläse und der Tur binen verbunden, so da.ss auch der Wirkungs grad der Anlage von demjenigen abweicht, der bei normaler Last vorhanden ist. Beson ders bei Teillast wird er sehr ungiinstig, denn es treten in den Turbomaschinen andere Winkel, andere Geschwindigkeiten und somit Stossverluste auf.
Die Leistungs regelung kann bei der Gasturbinena.nlage nach der Erfindung so erfolgen, dass einfaeli der ganze Arbeitsprozess in der Hauptanlage je nach der verlangten Leistung in ein Ge biet anderer Dichte verlegt wird, wobei die Druckverhältnisse und Temperaturen in der Hauptanlage angenähert konstant bleiben, so dass die Kurve, die den Wirkungsgrad in Funktion der Belastung darstellt, im Ge biet der praktisch wichtigen Belastungen einen sehr flachen Verlauf hat. Einige Ausführungsbeispiele des Erfin dungsgegenstandes sind auf der Zeichnung schematisch dargestellt.
In Fig. 1 ist das Schema einer Gastur binenanlage nach der Erfindung dargestellt. Die Luft oder ein Gas oder Gasgemisch tritt bei 1 in den Hilfsturbokompressor ? ein, verlässt diesen hei 3 und strömt über in den Hauptturbokompressor 4. Dieser wird in der Regel als gekühlter Turbokompressor ausge bildet sein. Die komprimierte Luft tritt bei 5 aus dem Hauptturbokompressor aus, durchströmt den Rekuperator 6, wo sie durch die Abgase der Hauptturbine aufge wärmt wird. Sie tritt. dann in eine Verbren nungskammer 7 und gelangt von dieser aus in die Hauptturbine B.
Die Hauptturbine kann mit, mehreren Zwischenverbrennungs- stufen ausgebildet sein. Das Gas wird nun in der Hauptturbine nicht bis auf den atmo sphärischen Druck entspannt, sondern bei höherem Druck durch die Leitung 9 von der Turbine weggeführt und durch den Rekupe- ra.tor getrieben.
Dort überträgt das Gas einen grossen Teil seiner Wärme an die vom Turbokompressor kommende Luft und strömt dann in abgekühltem Zustand der Hilfsturbine<B>10</B> zu, in welcher es bis auf den atmosphärischen Druck entspannt und bei 11 fortgeleitet wird. Mit dem Maschinenaggre gat, bestehend ans Hilfsturbokompressor und Hilfsturbine, kann noch eine weitere Maschine gekuppelt sein, z. B. eine elektri sche Maschine 12, die Leistung abgeben oder aufnehmen kann.
Die Regelung erfolgt nun so, dass die Tourenzabl des Hilfsaggregates 2, 10, 12 je nach der Belastung eingestellt wird. derart, dass das Hilfsaggregat mit höherer Touren zahl läuft hei höherer Belastung und mit kleinerer Tourenzahl bei niedriger Bela stung. Der vom Hilfturbokompressor er zeugte Druck, wie auch die Fördermenge ändern sieh hierbei im gleichen Sinne. Da durch wird erreicht, dass einerseits der An fangsdruck vor dem Hauptturbokompreesor 4 geändert werden kann, während sich an derseits der Enddruck nach der Haupttur- bine 8 auch entsprechend ändert (die beiden Drücke werden praktisch meist ungefähr denselben Wert haben).
Somit wird also das gesamte Druckniveau des Hauptaggregates je nach der Belastung geändert und dieses Aggregat arbeitet mit praktisch konstanten Druck- und Temperaturverhältnissen, also auch mit praktisch konstantem Wirkungs grad. Einzig der Wirkungsgrad des Hilfs aggregates hängt von seiner Tourenzahl (also der Belastung) ab, aber nicht in allzu starkem Masse, da diese Maschinen wegen ihrer kleinen Druckverhältnisse ver hältnismässig wenig Stufen erhalten. Es wird im allgemeinen zweckmässig sein, zwi schen dem Hilfsturbokompressor 2 und dem Hauptturbokompressor 4 einen ersten Zwi schenkühler 18 einzuschalten.
Damit die Tourenzahl des Hilfsaggregates 2, 10 mög lichst rasch geändert werden kann, können Verbindungsleitungen vorgesehen werden, die es gestatten, den Raum vor der Turbine 10 mit irgend einer Zwischenstufe der Hauptturbine 8 durch ein Steuerorgan 15, oder anderseits mit der freien Atmosphäre durch ein Steuerorgan 16 in Verbindung zu bringen. Durch diese plötzliche Druckände rung vor der Hilfsturbine 10 lässt sich die Drehzahl des Hilfsaggregates rasch ändern.
Bringt man auf der Welle des ITilfs- aggregates noch eine elektrische Maschine 12 an, so besteht noch die Möglichkeit, folgen des Regelverfahren anzuwenden. Die. elek trische Maschine ist mit dem angetriebenen Generator 20 elektrisch so gekuppelt, dass zu jeder elektrischen Leistungsentnahme des Generators eine bestimmte Tourenzahl der Maschine 12 gehört, wobei dieselbe je nach dem als Motor oder als Generator wirkt, wenn seine Tourenzahl zu tief oder zu hoch liegt. Dies kann derart erreicht werden, dass man von einem Instrument aus, welches die Generatorleistung anzeigt, (z.
B. einem Wattmeter) die Erregung der elektrischen Maschine verändert. Der Erregerstrom kann also auf einen grösseren oder kleineren Wert einreguliert werden oder es kann sogar seine Richtung umgekehrt werden, wenn nämlich die Art der Arbeitsweise der Maschine (Mo tor oder Stromerzeuger) geändert werden muss. Das Gleiche kann auch durch Verstel len der Bürsten des Kollektors der elek trischen Maschine erreicht werden. Auf diese Art ist es möglich, die ganze Gastur- binenanlage direkt vom primären Impuls aus zu regeln, nämlich durch den elektrischen Leistungsbedarf.
Das Hilfsaggregat 2, 10, 12 kann auch als Anlassvorriehtung für die Anlage be nutzt werden. Zu diesem Zweck kann das Aufladeaggregat als selbständige kleine Gasturbine laufen gelassen werden. Es sind dabei Mittel vorzusehen, die eine Erhitzung des Arbeitsmittels vor Eintritt in die Hilfs turbine gestatten, beispielsweise ein Brenner.
Unter Umständen wird es zweckmässig sein, noch eine Verbindungsleitung vorzusehen, welche die Luft aus dem Hilfsturbokampres- sor 2 in die Hilfsturbine 10 überzuleiten ge- stattet. Ferner sind Mittel vorzusehen, die eine Leistungsübertragung vom Hilfsaggre gat auf die Hauptanlage gestatten. Dies kann durch irgend eine mechanische, hydrau lische oder magnetische Kupplung geschehen.
In solchen Fällen, wo mit dem Hilfsaggregat noch eine elektrische Maschine 12 gekuppelt ist, ergibt sich die besonders günstige Mög lichkeit, diese Maschine als Generator von dem als Gasturbine arbeitenden Hilfsaggre gat aus anzutreiben und die Leistung auf den Hauptgenerator zu übertragen, der dann die Hauptanlage anlässt. Es entsteht auf diese Art eine elektrische Kupplung zwi schen Hilfsaggregat und Hauptanlage.
In der Leitung 50 ist ein Regelorgan 51 angeordnet, durch welches die Leistungs übertragung zwischen den Maschinen 12 und 20 geregelt wird.
Fig. 2 zeigt da)s Entropiediagramm JS einer Gasturbinenanlage, wobei' mehrfache Zwischenkühlung im Kompressor und mehr fache Zwischenerhitzung in der Turbine vor gesehen ist.
Der Arbeitsprozess ist folgender: Kompression im Hilfsturbokompressor von 22 auf 28. Zwischenkühlung von 23 auf 24. Kompression in einer ersten Stufen gruppe des Hauptturbokompressors von 24 auf \?5. Zwischenkühlung von \?:5 auf 26. Kompression in einer zweiten Stufengruppe des Hauptturbokompressors von ?6 auf 27. Zwischenkühlung von 27 auf 28. Kompres sion in einer dritten Stufengruppe von ?8 auf 29.
Erwärmung im Rekuperator von 29 auf 30. Weitere Erwärmung in der Brenn- kammer von 30 auf 31. Expansion in einer ersten Stufengruppe der Hauptturbine von <B>31.</B> auf 32. Zwischenerhitzung von 32 auf 33. Expansion in einer zweiten Stufengruppe von 33 auf 34. Zwisebenerhitzung von 34 auf 35. Expansion in einer dritten Stufen gruppe von 35 auf 36. Zwi.sehenerhitzung von 36 auf<B>37.</B> Expansion in der letzten Stufengruppe der Hauptturbine von 37 auf 38.
In 38 herrscht noch höherer Druck als der atmosphärische. Abkühlung im Rekupe- rator von 38 auf 39. Endexpansion in der Hilfsturbine von 39 auf 40. Diese Hilfstur bine treibt den Hilfsturbokompressor.
Man erkennt aus dem Entropiediagra.mm, dass eine Änderung der beiden Wärmediffe renzen ?? bis ?3 und 39 bis 40 im wesent lichen eine horizontale Verschiebung des ganzen übrigen Diagrammes zur Folge hat, so dass alle Wärmegefälle praktisch konstant bleiben und die Leitung der Anlage nur dadurch geändert. wird, dass der gesamte Prozess im Bereich anderer spezifiseher Volumen vor sich geht.
Fig. 3 zeigt noch eine weitere Variante der Erfindung. Es wird hierbei nur ein, Teil der gesamten in der Anlage verarbeiteten Gas menge schon bei höherem als dem atmosphä rischen Druck aus der Hauptturbine 8 ent nommen und nach Abkühlung im Rekupera- tor 6' in der Hilfsturbine 10 zu Ende expan diert. während der übrige Teil des Gases in der Hauptturbine 8 zu Ende expandiert wird (auf 1 ata) und dann erst im Rekupe- rator 6" abgekühlt wird.
Die Arbeitsweise dieser Anlage ist also insgesamt folgende: Vorli:ompression im Hilfsturbolzompressor 2. Kompression im Hauptturbokompressor 4 (dabei werden an geeigneten Stellen Zwi- schenkühlanlagen eingeführt). Trennung der Luft in zwei Ströme; der eine Teil der Luft durehströmt den Rekuperator 6" und wird dabei erwärmt, während die Erwär mung des andern Teils im Rekuperator 6' erfolgt. Wiedervereinigung der beiden Luft ströme in der Verbrennungskammer 7. Expansion in der Hauptturbine 8 unter mehrfacher Zwischenerhitzung.
An einer geeignet gewählten Stelle der Hauptturbine wird ein Teil des Gases abgezapft, wird ab gekühlt im Rekuperator 6' und zu Ende expandiert; in der Hilfsturbine 10. Diese treibt den Hilfsturbokompressor 2. Der an dere Teil des Gases expandiert in der Haupt turbine 8 bis auf den atmosphärischen Druck und gibt dann seine Wärme im Rekuperator 6" ab.
Gas turbine plant. The invention relates to a gas turbine system with a main turbo compressor, a pre-compressor upstream of it and with a main turbine and an auxiliary turbine that drives the pre-compressor downstream. It consists in that at least a part of the working fluid after exiting the main turbine first. flows through a recuperator and is only then expanded to the end in an auxiliary turbine.
The air can be passed through at least one intercooler when passing from the auxiliary turbo compressor to the main turbo compressor. By influencing the speed of the auxiliary compressor and auxiliary turbine existing auxiliary turbo unit, the per unit of time from the system to be processed tend air. The amount of gas can be changed and thus the performance of the system can be regulated.
The air compressed by the auxiliary turbo compressor can also expediently be led directly to the auxiliary turbine through an auxiliary combustion chamber in order to also let the auxiliary unit run independently as a small gas turbine system. The auxiliary unit can also be temporarily coupled to the main unit via a reduction gear with disengagement, in order to start the main unit from the auxiliary unit operating as the actual gas turbine.
The connecting line between the recuperator and the auxiliary turbine can be temporarily brought into connection with an intermediate stage of the main turbine on the one hand and with the atmosphere on the other hand, by means of which a rapid change in the speed of the auxiliary unit can be achieved. Advantageously, only part of the gas can be withdrawn from the main turbine at a pressure higher than 1 ata, cooled in the recuperator and then expanded to the end in the auxiliary turbine, while the remaining part in the main turbine up to about 7.
ata expands and is only cooled down in a second recuperator. However, other means can be provided to allow power to be transferred from the auxiliary unit to the Ilaupta.nlage so that the main unit can be started from the auxiliary unit, which then runs as an independent gas turbine. When starting, the electrical machine coupled to the auxiliary unit can act as a generator and deliver its power to the main generator.
Gas turbine systems have already become known in which high pressure turbines and low pressure turbines are provided. It is also known to allow the exhaust gases to flow through a recuperator in such systems in order to recover part of the exhaust heat. In contrast, according to the invention, at least some of the gases are passed through the recuperator after exiting the high-pressure turbine, called the main turbine, and only then expanded to the end in a low-pressure turbine, called the auxiliary turbine.
this auxiliary turbine driving a pre-compressor of the plant. This results in: I the following advantages: In the arrangements known so far, a change in load is necessarily associated with a significant change in the heat paths of the fan and the turbines, so that the efficiency of the system also deviates from that which is present under normal load . It becomes very unfavorable, especially at part load, because other angles, other speeds and thus shock losses occur in the turbo machines.
The power control can be done in the Gasturbinena.nlage according to the invention so that, depending on the required power, the entire work process in the main plant is relocated to an area of a different density, with the pressure conditions and temperatures in the main plant remaining approximately constant, so that the curve representing the efficiency as a function of the load has a very flat profile in the area of the practically important loads. Some embodiments of the subject invention are shown schematically in the drawing.
In Fig. 1 the scheme of a gas turbine plant is shown according to the invention. The air or a gas or gas mixture enters the auxiliary turbo compressor at 1? one, leaves this hot 3 and flows into the main turbo compressor 4. This is usually designed as a cooled turbo compressor. The compressed air exits the main turbo compressor at 5, flows through the recuperator 6, where it is warmed up by the exhaust gases from the main turbine. She kicks. then into a combustion chamber 7 and from there it passes into the main turbine B.
The main turbine can be designed with several intermediate combustion stages. The gas is now not expanded in the main turbine to the atmospheric pressure, but at a higher pressure is carried away from the turbine through the line 9 and driven through the recuperator.
There the gas transfers a large part of its heat to the air coming from the turbo compressor and then flows in the cooled state to the auxiliary turbine, in which it is expanded to atmospheric pressure and carried away at 11. With the Maschinenaggre gat, consisting of the auxiliary turbo compressor and auxiliary turbine, another machine can be coupled, for. B. an electrical cal machine 12 that can output or receive power.
The control is now carried out in such a way that the revs of the auxiliary unit 2, 10, 12 are set depending on the load. in such a way that the auxiliary unit runs with a higher number of tours under higher loads and with a smaller number of tours under lower loads. The pressure generated by the auxiliary turbo compressor, as well as the flow rate, change in the same way. This ensures that on the one hand the initial pressure upstream of the main turbo compressor 4 can be changed, while on the other hand the final pressure after the main turbine 8 also changes accordingly (the two pressures will mostly have approximately the same value).
Thus, the entire pressure level of the main unit is changed depending on the load and this unit works with practically constant pressure and temperature conditions, so also with practically constant efficiency. Only the efficiency of the auxiliary unit depends on its number of revolutions (i.e. the load), but not to a great extent, since these machines get relatively few steps because of their low pressure ratios. It will generally be useful to switch between the auxiliary turbo compressor 2 and the main turbo compressor 4, a first intercooler 18.
So that the number of revolutions of the auxiliary unit 2, 10 can be changed as quickly as possible, connecting lines can be provided that allow the space in front of the turbine 10 with any intermediate stage of the main turbine 8 through a control member 15, or on the other hand with the free atmosphere through a To bring control member 16 in connection. This sudden change in pressure in front of the auxiliary turbine 10 allows the speed of the auxiliary unit to be changed quickly.
If an electrical machine 12 is also attached to the shaft of the auxiliary unit, there is still the possibility of using the following control method. The. Electric machine is electrically coupled to the driven generator 20 so that a certain number of revolutions of the machine 12 belongs to each electrical power consumption of the generator, the same acting as a motor or as a generator depending on when its number of revolutions is too low or too high. This can be achieved by using an instrument that shows the generator output (e.g.
B. a wattmeter) changes the excitation of the electrical machine. The excitation current can therefore be adjusted to a higher or lower value or its direction can even be reversed, namely if the type of operation of the machine (motor or generator) has to be changed. The same can be achieved by adjusting the brushes of the collector of the electric machine. In this way it is possible to control the entire gas turbine system directly from the primary impulse, namely through the electrical power requirement.
The auxiliary unit 2, 10, 12 can also be used as a starting device for the system. For this purpose, the supercharging unit can be run as an independent small gas turbine. Means are to be provided that allow the working fluid to be heated before it enters the auxiliary turbine, for example a burner.
Under certain circumstances it will be expedient to provide a connecting line which allows the air to be passed from the auxiliary turbo-compressor 2 into the auxiliary turbine 10. Furthermore, means are to be provided that allow power to be transferred from the auxiliary unit to the main system. This can be done by any mechanical, hydraulic or magnetic coupling.
In such cases, where an electrical machine 12 is still coupled to the auxiliary unit, there is the particularly favorable possibility of driving this machine as a generator from the auxiliary unit operating as a gas turbine and transmitting the power to the main generator, which then powers the main system starts. This creates an electrical coupling between the auxiliary unit and the main system.
In the line 50, a control element 51 is arranged, through which the power transmission between the machines 12 and 20 is controlled.
Fig. 2 shows da) s entropy diagram JS of a gas turbine system, wherein 'multiple intermediate cooling in the compressor and multiple intermediate heating in the turbine is seen before.
The work process is as follows: Compression in the auxiliary turbo compressor from 22 to 28. Intermediate cooling from 23 to 24. Compression in a first stage group of the main turbo compressor from 24 to 5. Intermediate cooling from \?: 5 to 26. Compression in a second stage group of the main turbo compressor from? 6 to 27. Intermediate cooling from 27 to 28. Compression in a third stage group from? 8 to 29.
Heating in the recuperator from 29 to 30. Further heating in the combustion chamber from 30 to 31. Expansion in a first stage group of the main turbine from <B> 31st </B> to 32. Intermediate heating from 32 to 33. Expansion in a second Stage group from 33 to 34. Intermediate heating from 34 to 35. Expansion in a third stage group from 35 to 36. Intermediate heating from 36 to <B> 37. </B> Expansion in the last stage group of the main turbine from 37 to 38.
The pressure in 38 is even higher than the atmospheric pressure. Cooling in the recuperator from 38 to 39. Final expansion in the auxiliary turbine from 39 to 40. This auxiliary turbine drives the auxiliary turbo compressor.
You can see from the Entropiediagra.mm that a change of the two heat differences occurs ?? up to? 3 and 39 to 40 essentially results in a horizontal shift of the entire rest of the diagram, so that all heat gradients remain practically constant and the conduction of the system only changes as a result. it becomes that the entire process takes place in the area of other specific volumes.
Fig. 3 shows yet another variant of the invention. Here only part of the total amount of gas processed in the system is taken from the main turbine 8 at a pressure higher than atmospheric pressure and, after cooling in the recuperator 6 ', it is expanded to the end in the auxiliary turbine 10. while the remaining part of the gas in the main turbine 8 is expanded to the end (to 1 ata) and is only then cooled in the recuperator 6 ″.
The overall operation of this system is as follows: Pre: compression in the auxiliary turbo compressor 2. Compression in the main turbo compressor 4 (intermediate cooling systems are introduced at suitable points). Separation of air into two streams; One part of the air flows through the recuperator 6 "and is heated, while the other part is heated in the recuperator 6 '. Reunification of the two air flows in the combustion chamber 7. Expansion in the main turbine 8 with multiple reheating.
At a suitably chosen point of the main turbine, part of the gas is drawn off, cooled in the recuperator 6 'and expanded to the end; in the auxiliary turbine 10. This drives the auxiliary turbo compressor 2. The other part of the gas expands in the main turbine 8 down to atmospheric pressure and then gives off its heat in the recuperator 6 ″.