Verfahren und Einrichtung zur Regelung von biasehinengruppen, die in Reihe geschaltete und voneinander mechanisch unabhängige Turbinen enthalten. Es sind Vorschläge für Gasturbinen- anlagen bekannt, bei welchen der eigentliche Turbinenteil der Anlage aus mindestens zwei voneinander mechanisch unabhängigen Tur binen bezw. Turbinengruppen besteht, von denen die eine den oder die zur Verdichtung des Arbeitsmittels dienenden Verdichter an treibt, während die andere Gruppe der Tur binen, die mit der ersteren in Reihe ge schaltet ist, überwiegend nur zum Tragen der nützlichen Last dient.
Bei solchen Tur binenanlagen macht sich der Umstand nach teilig bemerkbar, dass zum Beispiel im Falle einer den Verdichter antreibenden sogenann ten primären Turbine und einer die nützliche Last tragenden sogenannten sekundären Tur bine die Betriebsverhältnisse dieser beiden Maschinen voneinander nicht unabhängig gemacht werden können; vielmehr wirkt jede iii der Tätigkeit der einen Maschineneinheit eingetretene Änderung im allgemeinen auch auf die Tätigkeit der andern Maschinenein heit zurück.
Bei Untersuchung des Wesens dieser gegenseitigen Rückwirkung ist es in erster Reihe klar, dass die primäre Turbine genau so viel Leistung abzugeben hat, als zum Antrieb des Verdichters und der eventuellen Hilfsmaschinen usw. notwendig ist, während die übrige im Arbeitsmittel enthaltene Arbeit durch die sekundäre Turbine geleistet wer den muss. Dabei weisen sowohl die primäre. als auch die sekundäre Turbine, der Ver schiedenheit ihrer Bestimmungen entspre chend, verschiedene sogenannte Druckgefälle- Drehzahlcharakteristiken auf.
Darunter wird verstanden, dass bei Voraussetzung einer kon stanten einströmenden Gasmenge im Falle einer Änderung der Drehzahl im allgemeinen sich auch das in der Turbine verarbeitet Druckgefälle ändert, und zwar wird er, von der baulichen Lösung, vor allem von dem Einstellungswinkel der Schaufeln abhängig, selbst wenn sich die Drehzahl im gegebenen Sinne ändert (z. B. abnimmt), zunehmen oder abnehmen.
Im Falle einer einzigen, selbstän- digen, also ohne Hintereinanderschaltung mit einer andern Turbine angewendeten Tur bine, wird sich bei einem gegebenen Druck gefälle die Wirkung dieser Charakteristik darin offenbaren, dass im Falle einer Verände rung der Drehzahl, der Charakteristik entspre chend, sich auch die durch die Turbine auf gearbeitete Gasmenge ändert.
Wenn im Gegen satz zu diesem Falle, im Sinne der erfindungs gemässen Vorstellung zwei Turbinen, vonein ander sonst mechanisch unabhängig, im Ar beitsmittelstrom miteinander in Reihe geschal tet sind, so kann das in denselben verarbeitete gesamte Druckgefälle für ein solches System als gegeben angesehen werden; die durch die Turbinen strömende Gasmenge stellt aber in jeder der Turbinen denselben Wert dar.
Bei einer vorgeschriebenen nützlichen Leistung und bei einer für die primäre Turbine vor geschriebenen Drehzahl weist das aus der den Verdichter antreibenden (primären) Tur bine austretende Arbeitsmittel in der erfin dungsgemässen Einrichtung eine gegebene Temperatur und einen gegebenen Druck auf, und die in der Zeiteinheit ausströmende Menge desselben ist auch gegeben; somit ist auch das auf die primäre Turbine unter sol chen Umständen entfallende Druckgefälle ge geben, so dass das aus der primären Turbine in unveränderter Menge austretende Arbeits mittel auch von der sekundären Turbine mit einem vorgeschriebenen Druckgefälle ver arbeitet werden müsste, und zwar mit jenem Druckgefälle, welches nach Abzug des in der primären Turbine auftretenden Druck gefälles aus dem gesamten Druckgefälle übrigbleibt.
In Anbetracht dieses letzteren Umstandes wird aber dem sich auf die soeben behan delte Weise ergebenden Druckgefälle der sekundären Turbine auf der Charakteristik dieser Turbine theoretisch nur eine bestimmte Drehzahl entsprechen, von welcher höchstens im Falle einer günstigen Form der Charak teristik den wünschenswerten Verlauf des Arbeitsprozesses nicht wesentlich beeinflus sende Abweichungen möglich sind.
Im all gemeinen kann jedoch für die sekundäre Tur- bine bei der vorgeschriebenen Verteilung der Druckgefälle ausser der durch ihre Charak teristik bestimmten Drehzahl keine andere Drehzahl in Betracht. kommen, und sollte die sekundäre Turbine dennoch mit irgend einer andern Drehzahl laufen müssen, so müsste auch die Verteilung der Druckgefälle zwi schen den Turbinen eine andere sein als die jenige, welche sich unter den gegebenen Be dingungen aus den Belastungsverhältnissen auf die im obigen geschilderte eise als wünschenswert ergeben würde.
Infolgedessen wäre die Einstellung auf den neuen Aus gleichszustand nur unter von dem zur Aus gangsgrundlage gewählten günstigen Be triebszustand abweichenden Umständen, z. B. mit einer ungewünschten Veränderung der Drehzahl der primären Turbine und der die Turbinen durchströmenden Gasmenge, bei Leistungsänderung und mit empfindlicher Verschlechterung des Wirkungsgrades mög lich. Im allgemeinen kann festgestellt wer den, dass die sekundäre Turbine - von ein zelnen Ausnahmefällen abgesehen - die durch die primäre Turbine strömende Arbeits- mit.telmenge bei den gegebenen Druck- und Temperaturwerten, sowie bei der vor geschriebenen Drehzahl mit. gutem Wir kungsgrad nicht aufarbeiten kann.
Besonders schwierig ist es, die Druckgefälle der pri mären und der sekundären Turbine in Ein klang zu bringen, wenn die sekundäre Tur bine, bei konstanter oder beinahe konstanter Drehzahl der primären Turbine, bei verschie denen Drehzahlen konstante oder beinahe konstante nützliche Leistung abzugeben hat.
Gegenstand der Erfindung ist. ein Rege lungsverfahren und eine Regelungseinrich tung, durch welche es bei einem unbedeu- tendenWirkungsgradverlust ermöglicht wird, die Betriebsverhältnisse und Drehzahlen der primären und der sekundären Turbine frei und voneinander unabhängig zu ändern. Wie aus dem obigen hervorgeht, ergibt sich die Hauptschwierigkeit bei dem erforderlichen Ausgleich der Druckgefälle der primären und sekundären Turbine infolge der Ver schiedenheit der Charakteristiken der Tur- binen daraus, dass die durchströmende Arbeitsmittelmenge in beiden Turbinen mit einem und demselben Wert angenommen war.
Nachdem aber die Beeinflussung des in den Turbinen eintretenden Druckgefälles auch durch die Änderung der durchströmen den Gasmenge möglich ist. kann diese Schwierigkeit verhältnismässig sehr einfach dadurch beseitigt werden bezw. wird die Er reichung der erwähnten Vorteile dadurch er möglicht, dass zur Einstellung der Druck gefälle der miteinander in Reihe geschalteten Turbinen auf die durch die jeweiligen Dreh zahlen und Belastungsverhältnisse gewünsch ten Werte wenigstens die die eine Turbine durchströmende Arbeitsmittelmenge, im Ver gleich zur Gesamtmenge des an dem Arbeits vorgang unter Arbeitsleistung teilnehmen den Arbeitsmittels, in der Weise vermindert wird,
dass ein entsprechender regulierbarer Teil des Arbeitsmittels mittels einer die frag liche Turbine gänzlich oder teilweise um gehenden Leitung abgeführt wird.
Dies ist zulässig, da - besonders wenn irgendeine Turbine infolge ihres Aufbaues oder ihrer Charakteristik unter den gege benen Verhältnissen auch ohne Inanspruch nahme von umgehenden Leitungen bereits nahezu mit dem vorgeschriebenen Druck gefälle arbeitet - die Abführung eines ver hältnismässig geringen Teils des Arbeits mittels auf Umwegen an sich keinen wesent lichen Wirkungsgradverlust verursacht bezw. die auf diese Weise entstehende Verminde rung des Wirkungsgrades jedenfalls wesent lich geringer ist als die Verminderung des Wirkungsgrades in dem Falle, wenn die Gas turbinen die unveränderte Arbeitsmittel- menge aufzuarbeiten hätten, das heisst wenn die in den Turbinen auftretenden Druck gefälle demgemäss eingestellt werden müssten.
Um die Erfindung leichter verständlich zu machen, ist in Fig. 1 der Zeichnung bei spielsweise eine zur Ausführung des Verfah rens geeignete Einrichtung dargestellt.
Fig. 2 zeigt die schematische Anordnung einer beispielsweise aus mehreren primären und sekundären Turbinen bestehenden An lage.
Fig. 3 ist ein schematischer Längsschnitt einer mit Anzapfleitungen versehenen, als primäre oder sekundäre Turbine verwend baren Turbine.
Schliesslich stellt Fig.4 eine beispiels weise Einrichtung dar, bei welcher die Um gehungsleitungen der Turbinen die Stufen höheren Druckes umgehen.
Gemäss Fig.l schliesst sich die Einströ- mungsleitung 4 an dem Eintrittsstutzen 3 eines durch die primäre Turbine 2 angetrie benen Verdichters 1 an, während der Druck stutzen 5 sich in der Druckleitung 6 fort setzt.
Die Druckleitung 6 steht mit der Hochdruck - Einströmungsöffnung 8 eines Wärmeaustauschers 7 in Verbindung, wäh rend die Hochdruck-Ausströmungsöffnung 9 desselben sich ari einen mit einem Brenner oder Zerstäuber 10 versehenen Verbrennungs-. raum 11 anschliesst.
Der Verbrennungsraum 11 ist mittels der Verbindungsleitung 12 mit dem Einströmungsstutzen 13 der primären Turbine 2 verbunden, während der Ausströ- mungsstutzen 14 dieser Turbine über die Durchströmungsleitung 15 mit dem Ein strömungsstutzen 17 der sekundären Turbine 16 in Verbindung steht.
Die sekundäre Tur bine, deren Welle 18 die Nutzleistung ab gibt, schliesst sich über ihren Ausströmungs- stutzen 19 und die Ausströmungsleitung 20 an den Niederdruck-Einströmungsstutzen 21 des Wärmeaustauschers 7 an, während .der Niederdruck - Ausströmungsstutzen 22 des Wärmeaustauchers 7 mit der Ausströmungs- leitung 23 verbunden ist.
Mit der primären Turbine 2, zwischen dem Einströmungsstut- zen 13 und dem Ausströmungsstutzen 14 der selben, ist eine Umgehungsleitung 23 par allel geschaltet, in welcher Leitung ein zur Veränderung des Querschnittes geeignetes Regelorgan 24 angeordnet ist.
Ebenso ist mit der sekundären Turbine 16, zwischen dem Einströmungsstutzen 17 und Ausströmungs- stutzen 19 derselben, eine Umgehungsleitung 25 parallel geschaltet, in welcher ein zur Regelung des Querschnittes geeignetes Organ ?6 angeordnet ist.
Vor den Einströmungs- stutzen 17 der sekundären Turbine ist das Drosselorgan \? 7 eingeschaltet, während, sich an den Ausströmungsstutzen 19 der sekun dären Turbine anschliessend. jedoch noch vor dem Anschluss der Umgehungsleitung ?:5, ein zur Regelung des Querschnittes geeignetes Regelorgan 28 in die Ausströmungsleitung eingebaut ist.
Eine Leitung 29 dient, samt dem eingebauten Regelorgan 311, zur Rege lung der aus der primären Turbine \3 und dem Verdichter 1. bestehenden Maschinen gruppe und stellt eine Verbindung zwischen dem Hochdruck-Einströmungsstutzen 8 des Wärmea.ustauschers 7 und der Ausströmungs- leitung ?3 her.
Diese Einrichtung arbeitet wie folgt: Der durch die Turbine ? angetriebene Verdichter 1 saugt das Arbeitsmittel durch die Einströmungsleitung 4 und den Stutzen 3 ein und verdichtet dasselbe auf höheren Druck. Aus dem Verdichter 1. strömt das Arbeitsmittel durch das Rohr 6 zum Ein- strömungsansehluss 8 des Wärmeaustausehers 7, und nach Durchströmen des @Värmeaa@s- tauschers verlässt es denselben bei der Aus strömungsöffnung 9.
Im Wärmeaustauseher nimmt das Arbeitsmittel die Wärme des aus der sekundären Turbine austretenden ent spannten Arbeitsmittels auf. Das erwärmte Arbeitsmittel gelangt in den Verbrennungs raum 11, welchen es, bei gleichzeitiger Auf nahme der Wärme des verbrannten Brenn stoffes, teilweise durchströmt.
Hierauf 2#e- langt das Arbeitsmittel über das Verbin dungsrohr 12 und den Eintrittsstutzen 13 in die primäre Turbine 2 und leistet in dieser, zum Teil entspannt, so viel Arbeit, als zum Antrieb des mit der primären Turbine 2 ge- kuppelten Verdichters und der Hilfsmaschi nen usw. erforderlich ist.
Darnach verlässt das Arbeitsmittel die primäre Turbine \? durch den Stutzen 14 und gelangt über die Leitung 15, sowie den Einströmungsstutzen 17 in die sekundäre Turbine 16, in welcher es noch weiter entspannt wird, während es die für die Abgabe der Nutzleistung er for-- derliche Arbeit leistet. Das aus der sekun- dären Turbine durch den Stutzen 19 und die Leitung 20 austretende Arbeitsmittel gelangt schliesslich in den Wärmeaustauscher 7, durchströmt dessen Niederdruckraum und gibt seine Wärme dem frischen Arbeitsmotel ab,
um den Wärmeaustauscher durch die Ausströmungsöffnung 22 zu verlassen.
Mit Rücksicht darauf, dass die primäre Turbine 2 genau so viel Arbeit zu leisten hart, als zum Antrieb des mit ihr gekuppelten Verdichters und der Hilfsmaschinen nötig ist, muss in der primären Turbine 2 ein<B>ge-</B> wisser bestimmter Teil des zur Verfiigun" stehenden gesamten Druckgefälles auftreten.
Sollte das Druckgefälle in der primären Tur bine 2 infolge der Charakteristik der Tur bine unter den gegebenen Umständen (Dreh zahl, sekundlich durchströmendes Gasvolu men usw.) grösser als erwünscht sein, so lässt man einen Teil der Gasmenge durch Öffnen des in der Anzapfungsleitung 23 angeord neten Drosselorganes 24 unter Umgehung der primären Turbine ? zu der sekundären Tur bine 16 strömen, wodurch das Volumen des durch die primäre Turbine 2 strömenden Gases abnimmt.
Da im allgemeinen das in irgendeiner Turbine eintretende Druckgefälle mit der Abnahme des in der Zeiteinheit durchströmenden Gasvolumens abnimmt, ge lingt es auf diese Weise, das sich in der primären Turbine 2 einstellende Druck gefälle auf den gewünschten Wert hinabzu- drücken. Sollte hingegen der Fall eintreten, dass unter den gegebenen Umständen die sekundäre Turbine 16, ihrer Charakteristik entsprechend, einen zu grossen Teil des ge samten Druckgefälles aufarbeiten (und hier durch die Drehzahl der primären Turbine herabsetzen) würde,
so kann durch Öffnen des in der Umgehungsleitung 25 angeord neten Regelorganes 26 das Volumen des durch die sekundäre Turbine 16 strömenden Gases vermindert und dadurch das in dieser eintretende Druckgefälle auf den gewünsch ten Wert eingestellt werden. Wird die Tur binenanlage mit einer Teillast in Betrieb ge halten, so kann die Leistung der Anlage auf sehr verschiedene, an sich bekannte Weisen herabgesetzt werden.
Eine zweck mässige Art der Herabsetzung besteht darin, dass man gleichzeitig mit der Herabsetzung der verbrannten Brennstoffmenge durch Öff nen des in der Umgehungsleitung 29 an geordneten Drosselorganes 30 einen Teil des durch den Verdichter 1 verdichteten Arbeits mittels in die Ausströmungsleitung 23 strö men lässt, ohne dass dieser Teil auch die Tur binen zu durchströmen hat.
Sollte zum Bei spiel die Drehzahl der primären Turbine 2 nicht stark herabgesetzt werden, wogegen es erwünscht ist, die sekundäre Turbine 16 vor übergehend ganz abzustellen, so ist es zweckmässig, ausser dem vollständigen Öff nen des Drosselorganes 26 gleichzeitig eines der Drosselorgane 27 und 28 oder auch beide vollständig zu schliessen, um die Arbeits- mittelströmung in der sekundären Turbine 16 zu verhindern.
Besonders geeignet ist die vorliegende Einrichtung beim Antrieb von Fahrzeugen, wo verlangt wird, dass von der sekundären Turbine bei stark verschiedenen Drehzahlen ein mit der Drehzahl beinahe in umgekehr tem Verhältnis wechselndes Moment, das heisst konstante Leistung abgegeben werde. In diesem Falle wird die primäre Turbine bei Vollast bei nahezu konstanter Drehzahl arbeiten, hingegen wird die Drehzahl der sekundären Turbine stark veränderlich sein. Wie aus dem nachfolgenden erhellt, sind für diese Arbeitsweise zweckmässig Turbinen mit eigenartiger Charakteristik erforderlich, die miteinander jedoch im allgemeinen nicht in vollen Einklang gebracht werden können, da das in der sekundären Turbine ver arbeitete Druckgefälle nicht immer mit dem erwünschten Druck übereinstimmen wird.
Solchen Fällen entspricht am besten das vor liegende Verfahren und die vorliegende Ein richtung, da die Verschiedenheiten der Cha rakteristiken mit einem sehr geringen Wir kungsgradverlust ausgeglichen werden kön nen. Der eintretende Wirkungsgradverlust wird um so geringer sein, ein je kleinerer Teil der Gasmenge mit Hilfe der Um gehungsleitung abzuleiten ist, und je kleiner der Druckunterschied zwischen den beiden Enden der Umgehungsleitung ist:
Wenn die Druck-Volumencharakteristik der Turbine sehr steil ist, worunter bekanntlich zu ver stehen ist, dass das in der Turbine eintretende Druckgefälle im Falle der Zunahme des durchströmenden Gasvolumens bedeutend, zum Beispiel in einem Masse abnimmt, das prozentual zumindest grösser ist als das pro zentuale Mass der Zunahme des Gasvolumens, so wird die beschriebene Regelung nur einen verschwindend kleinen Verlust nach sich ziehen, da es genügt, nur einen sehr geringen Teil des Arbeitsmittels über die Umgehungs leitung abzuleiten, um das Druckgefälle der Turbine stark beeinflussen zu können.
Des wegen ist es zweckmässig, bei der vorliegen den Einrichtung Turbinen mit solcher steiler Charakteristik anzuwenden.
Bei der auf Fig. 2 dargestellten Einrich tung arbeiten mehrere, durch primäre Turbi nen angetriebene Verdichter untereinander parallel mit mehreren, untereinander gleich falls parallel geschalteten sekundären Tur binen. Die Verdichter 31, 31' werden durch die primären Turbinen 32, 32' angetrieben. Die Verdichter drücken das verdichtete Arbeitsmittel durch die Leitungen 33, 33' in die Sammelleitung 34, über welche es in den Hochdruckraum des Wärmeaustauschers 37 gelangt.
Beim Durchströmen desselben erwärmt sich das Arbeitsmittel, nimmt in dem Verbrennungsraum 38 weitere Wärme auf und gelangt aus dem Sammelrohr 39 über die Leitungen 40, 40' in die primären Turbinen 32, 32'.
Das aus diesem aus tretende Gas gelangt durch die Leitungen 41, 41' in das Sammelrohr 42, aus welchem es in die sekundären Turbinen 43, 43', 43" ein strömt. Das aus den sekundären Turbinen austretende Arbeitsmittel gelangt in das Sammelrohr 44, durch welches es in den Niederdruckraum des Wärmeaustauschers 37 tritt, denselben durchströmt, um dann durch die Ausströmungsleitung 45 aus der Einrich tung zu entweichen. Bei dieser Anordnung besteht die die primären Turbinen umgehende Leitung in einem Verbindungsrohr 46, wel- ches zwischen den Sammelrohren 39 und 42 Verbindung herstellt.
In diesem Verbin dungsrohr ist ein zur Regelung des Quer schnittes geeignetes Regelorgan 47 angeord net, welches die Rolle des in Fig. 1 ersicht lichen Regelorganes 24 versieht. Zwischen den Sammelrohren 42 und 44 stellt eine die sekundären Turbinen umgehende Leitung 48 eine Verbindung her, wobei in dieser Lei tung ein zur Änderung des Querschnittes ge eignetes Regelorgan 49 untergebracht ist; dieses letztere versieht den Dienst des auf Fig. 1 dargestellten Regelorganes 26.
Die bei dieser Anordnung angewendete Mehrzahl von sekundären Turbinen eignet: sich besonders zum Beispiel zum Einzelantrieb von Loko- motivenachsen. Bei dem beschriebenen Bei spiel war nur ein einziger gemeinsamer Brennraum und ein einziger Wärmeaus- tauscher dargestellt; es ist aber auch mög lich, statt deren mehrere solcher Teile in Parallelschaltung anzuwenden.
Anstatt eine die Turbine umgehende Lei tung anzuwenden, sind bei der in Fig. 3 dar gestellten Gasturbine einzelne Stufen der Turbine angezapft, so dass die einzelnen Anzapfungsleitungen nur für gewisse Teile der Turbine Umgehungsleitungen bilden. Von dem den Läufer 51 umgebenden Turbinen gehäuse 52 sind die mit dem Arbeitsraum der Turbine in Verbindung stehenden An zapfungsleitungen 53, 53', 53" abgezweigt. in welchen zur Regelung der Querschnitte derselben geeignete Regelorgane 54, 54', 54" angeordnet sind.
Die Welle 55 der Turbine treibt, sofern diese Turbine als eine primäre Turbine angewendet wird, einen Verdichter bezw. Hilfsmaschinen an; wenn es sich aber um eine sekundäre Turbine handelt, so gibt diese Welle die Nutzleistung ab. Die dar gestellte Turbine kann in der in Fig. 1 dar gestellten schematischen Anlage an die Stelle der primären Turbine 2 bezw. der sekundären Turbine 16 gesetzt werden.
Wird die pri märe Turbine angezapft, so schliessen sich die Anzapfungsleitungen an den Einströ- mungsraum der sekundären Turbine an, wäh rend, wenn die sekundäre Turbine angezapft wird, die Anzapfungsleitungen mit der Aus strömungsleitung der sekundären Turbine verbunden sind.
Ist das in der primären Tur bine entstehende Druckgefälle zu gross, so wird nach Offnen der Regelorgane der An- za,pfungsleitungen ein Teil des Arbeitsmittels durch die Umgehungsleitung der sekundären Turbine zugeführt, wodurch in den durch einen 'feil des Gasstromes umgangenen Stu fen der Turbine das Druckgefälle abnimmt und somit auch das von der Turbine ver arbeitete Druckgefälle geringer sein wird. Wenn hingegen das Druckgefälle der sekun dären Turbine überaus gross ist, so müssen die Anzapfungsleitungen der sekundären Turbine allmählich geöffnet werden, damit das in der sekundären Turbine verarbeitete Druckgefälle vermindert wird.
Die in den Anzapfungsleitungen angeordneten Regel organe brauchen nicht auf einmal geöffnet zu werden, es ist sogar zweckmässig, diesel ben einzeln und stufenweise zu betätigen. Bei dem dieser Anordnung entsprechenden Ver fahren sind die bei Regelung auftretenden Verluste geringer, so dass hiermit einerseits bei einem gegebenen Wirkungsgrad grössere Differenzen ausgeglichen werden können, als mittels der im Zusammenhang mit Fig. 1 be schriebenen Anordnung; anderseits aber kann bei einer gegebenen Abweichung auch der Wirkungsgrad besser sein.
Es ist auch möglich, die Anzapfungs- leitungen im Falle einer primären Turbine an den Einströmungsraum derselben, im Falle einer sekundären Turbine dagegen an den Einströmungsraum dieser letzteren anzu schliessen: in diesem Falle wird ein Teil des Gasstromes die Einströmungsstufen der Tur binen umgehen. Eine solche Anordnung ist schematisch in Fig. 4 dargestellt.
An die pri märe Turbine 56 schliessen sich die mit den zur Änderung der Querschnitte bis zum voll ständigen Schliessen geeigneten Regelorganen 57, 57' ausgerüsteten Umgehungsleitungen 58, 58' an, deren Sammelrohr 59 an das Einströmungsrohr 60 der primären Turbine angeschlossen ist. Das Sammelrohr 63 der Umgehungsleitungen 65, 65' der sekundären Turbine 61 schliesst sich an die Einströ- mungsleitung 64 dieser Turbine an. In den Umgehungsleitungen 65, 65' sind die Regel organe 62, 62' angeordnet, die zur Regelung der Querschnitte bis zum vollständigen Schliessen geeignet sind.
Wenn bei dieser Anordnung das Druckgefälle in irgend einer Turbine grösser als erwünscht ist, so ist es zweckmässig, die Regelorgane der Um gehungsleitungen dieser Turbine stufenweise und einzeln, bei Stufen höheren Druckes an gefangen, zu öffnen, wodurch die die ein zelnen Stufen der Turbine durchströmende Gasmenge abnimmt und auch das darin ein tretende Druckgefälle geringer wird.
Das vorliegende Verfahren und die vor liegende Einrichtung können nicht nur im Falle der beschriebenen sonderartigen Lö sungen angewendet werden, sondern auch im Falle von Verdichtern bezw. Turbinen jedes beliebigen Systems, sowie im Falle eines Wärmeaustauschers beliebiger Type, sogar auch dann, wenn überhaupt kein Wärmeaus tauscher verwendet wird.
Schliesslich können das beschriebene Verfahren und die dies bezügliche Einrichtung auch unabhängig davon verwendet werden, ob die primäre Tur bine vor die sekundäre Turbine oder hinter diese geschaltet ist, wenn unter "primärer Turbine" immer eine einen Verdichter an treibende Turbine, unter "sekundärer Tur bine" dagegen eine nützliche Leistung ab gebende Turbine verstanden wird, da die Regelung der in den einzelnen Turbinen ein tretenden Druckgefälle auch hiervon unab hängig bewerkstelligt werden kann.
Auch der verbrannte Brennstoff kann je nach Umständen gasförmig, flüssig oder fest sein, und der Verbrennungsraum kann auf eine an sich bekannte Weise nicht nur vor den Turbinen, sondern im Falle einer mit Wärmeaustauscher ausgerüsteten Anlage auch hinter den Turbinen oder auch zwischen den Turbinen angeordnet werden.
Method and device for the regulation of biasingine groups, which contain in series connected and mechanically independent turbines. There are proposals for gas turbine systems known in which the actual turbine part of the system from at least two mechanically independent turbines BEZW. There is turbine groups, one of which drives the compressors used to compress the working fluid, while the other group of turbines, which is connected in series with the former, is mainly used only to carry the useful load.
In such turbine systems, the fact that, for example, in the case of a so-called primary turbine driving the compressor and a so-called secondary turbine carrying the useful load, the operating conditions of these two machines cannot be made independent of one another; on the contrary, every change that has occurred in the activity of one machine unit generally affects the activity of the other machine unit as well.
When examining the nature of this mutual reaction, it is first and foremost clear that the primary turbine has to deliver exactly as much power as is necessary to drive the compressor and any auxiliary machines, etc., while the rest of the work contained in the working medium is done by the secondary turbine must be done. Both the primary. as well as the secondary turbine, depending on the different regulations, have different so-called pressure gradient speed characteristics.
This means that if there is a constant inflow of gas, in the event of a change in the speed, the pressure gradient processed in the turbine will generally also change, and indeed it will depend on the structural solution, above all on the setting angle of the blades itself if the speed changes in the given sense (e.g. decreases), increase or decrease.
In the case of a single, independent turbine, i.e. not connected in series with another turbine, at a given pressure gradient the effect of this characteristic will be revealed in the fact that in the event of a change in the speed, according to the characteristic, also changes the amount of gas processed by the turbine.
If, in contrast to this case, in the sense of the conception according to the fiction, two turbines, otherwise mechanically independent from one another, are connected in series with one another in the Ar beitsmittelstrom, the total pressure gradient processed in the same can be regarded as given for such a system; however, the amount of gas flowing through the turbines represents the same value in each of the turbines.
At a prescribed useful power and at a speed prescribed for the primary turbine, the working fluid exiting the compressor (primary) turbine in the device according to the invention has a given temperature and a given pressure, and the amount flowing out in the unit of time it is also given; This means that the pressure gradient applicable to the primary turbine under such circumstances is also given, so that the working fluid exiting the primary turbine in unchanged quantities would also have to be processed by the secondary turbine with a prescribed pressure gradient, namely with the pressure gradient that which remains after subtracting the pressure drop occurring in the primary turbine from the total pressure drop.
In view of this latter circumstance, however, the pressure gradient of the secondary turbine resulting in the manner just discussed will theoretically only correspond to a certain speed on the characteristic of this turbine, of which, at most, in the case of a favorable form of the characteristic, the desirable course of the work process is not essential influencing deviations are possible.
In general, however, given the prescribed distribution of the pressure gradient, no other speed can be considered for the secondary turbine apart from the speed determined by its characteristics. come, and should the secondary turbine still have to run at any other speed, the distribution of the pressure gradient between the turbines would have to be different from that which, under the given conditions, results from the load conditions on the above-described ice would turn out to be desirable.
As a result, the adjustment to the new equilibrium state would only be under conditions deviating from the favorable operating state chosen for the starting point, eg. B. with an undesired change in the speed of the primary turbine and the amount of gas flowing through the turbines, with a change in performance and with a sensitive deterioration in efficiency possible, please include. In general, it can be established that the secondary turbine - apart from a few exceptional cases - with the amount of work fluid flowing through the primary turbine at the given pressure and temperature values, as well as at the prescribed speed. good efficiency cannot work up.
It is particularly difficult to harmonize the pressure gradients of the primary and secondary turbines when the secondary turbine has to deliver constant or almost constant useful power at a constant or almost constant speed of the primary turbine at different speeds.
The subject of the invention is. a control method and a control device by means of which it is possible, with an insignificant loss of efficiency, to change the operating conditions and speeds of the primary and secondary turbines freely and independently of one another. As can be seen from the above, the main difficulty in the necessary equalization of the pressure gradients of the primary and secondary turbines due to the difference in the characteristics of the turbines arises from the fact that the amount of working medium flowing through in both turbines was assumed to be one and the same value.
But after influencing the pressure gradient occurring in the turbines is also possible by changing the amount of gas flowing through it. this difficulty can be relatively easily eliminated BEZW. Achievement of the advantages mentioned is made possible by the fact that to set the pressure drop of the turbines connected in series to the values desired by the respective speeds and load conditions, at least the amount of working medium flowing through a turbine, compared to the total amount of the take part in the work process under work performance the work equipment is reduced in such a way,
that a corresponding controllable part of the working medium is discharged by means of a line that completely or partially bypasses the turbine in question.
This is permissible because - especially if any turbine, due to its structure or its characteristics, is already working almost with the prescribed pressure gradient under the given conditions, even without the use of bypassing lines - the removal of a relatively small part of the work by means of detours no substantial loss of efficiency caused respectively. the resulting reduction in efficiency is in any case significantly lower than the reduction in efficiency in the event that the gas turbines had to process the unchanged amount of working fluid, i.e. if the pressure gradient occurring in the turbines had to be adjusted accordingly.
In order to make the invention easier to understand, in Fig. 1 of the drawing, for example, a device suitable for executing the process is shown.
Fig. 2 shows the schematic arrangement of a system consisting, for example, of several primary and secondary turbines.
Fig. 3 is a schematic longitudinal section of a bleed turbine provided with bleed lines, used as a primary or secondary turbine.
Finally, FIG. 4 shows an example device in which the bypass lines of the turbines bypass the higher pressure stages.
According to FIG. 1, the inflow line 4 connects to the inlet connection 3 of a compressor 1 driven by the primary turbine 2, while the pressure connection 5 continues in the pressure line 6.
The pressure line 6 is connected to the high pressure - inflow opening 8 of a heat exchanger 7, while the high pressure outflow opening 9 of the same ari a provided with a burner or atomizer 10 combustion. room 11 connects.
The combustion chamber 11 is connected to the inflow connector 13 of the primary turbine 2 by means of the connecting line 12, while the outflow connector 14 of this turbine is connected to the inflow connector 17 of the secondary turbine 16 via the flow line 15.
The secondary turbine, the shaft 18 of which emits the useful power, connects via its outflow connection 19 and the outflow line 20 to the low-pressure inflow connection 21 of the heat exchanger 7, while the low-pressure outflow connection 22 of the heat exchanger 7 with the outflow line 23 is connected.
With the primary turbine 2, between the inflow connection 13 and the outflow connection 14 of the same, a bypass line 23 is connected in parallel, in which line a control element 24 suitable for changing the cross section is arranged.
Likewise, a bypass line 25 is connected in parallel with the secondary turbine 16 between the inflow connection 17 and the outflow connection 19 of the same, in which a device 6 suitable for regulating the cross section is arranged.
In front of the inlet connection 17 of the secondary turbine is the throttle element \? 7 switched on while, following the outflow nozzle 19 of the secondary turbine. however, before the connection of the bypass line?: 5, a regulating element 28 suitable for regulating the cross section is built into the outflow line.
A line 29, together with the built-in control element 311, serves to regulate the machine group consisting of the primary turbine 3 and the compressor 1. and provides a connection between the high-pressure inflow connection 8 of the heat exchanger 7 and the outflow line? 3 ago.
This device works as follows: The one through the turbine? driven compressor 1 sucks in the working medium through the inflow line 4 and the nozzle 3 and compresses the same to a higher pressure. The working medium flows from the compressor 1 through the pipe 6 to the inflow connection 8 of the heat exchanger 7, and after flowing through the heat exchanger it leaves the same at the outflow opening 9.
In the heat exchanger, the working fluid absorbs the heat from the relaxed working fluid emerging from the secondary turbine. The heated working fluid enters the combustion chamber 11, which it partially flows through while simultaneously receiving the heat from the burned fuel.
The working fluid then arrives via the connecting pipe 12 and the inlet nozzle 13 in the primary turbine 2 and performs as much work in this, partly relaxed, as to drive the compressor coupled to the primary turbine 2 and the Auxiliary machinery, etc. is required.
Then the working fluid leaves the primary turbine \? through the nozzle 14 and via the line 15 and the inflow nozzle 17 into the secondary turbine 16, in which it is further expanded while it does the work required to deliver the useful power. The working medium emerging from the secondary turbine through the connection 19 and the line 20 finally reaches the heat exchanger 7, flows through its low-pressure chamber and gives off its heat to the fresh work motel,
to leave the heat exchanger through the outflow opening 22.
In view of the fact that the primary turbine 2 has to do just as much hard work as is necessary to drive the compressor coupled to it and the auxiliary machines, a certain part must be in the primary turbine 2 of the total available pressure drop.
Should the pressure gradient in the primary turbine 2 be greater than desired as a result of the characteristics of the turbine under the given circumstances (speed, secondary gas volume flowing through, etc.), then part of the gas volume is allowed to be disposed by opening the tap line 23 Neten throttle element 24 bypassing the primary turbine? flow to the secondary turbine 16, whereby the volume of the gas flowing through the primary turbine 2 decreases.
Since the pressure gradient occurring in any turbine generally decreases with the decrease in the volume of gas flowing through in the unit of time, it is possible in this way to reduce the pressure gradient established in the primary turbine 2 to the desired value. If, on the other hand, the case should arise that under the given circumstances the secondary turbine 16, depending on its characteristics, would work up too large a part of the entire pressure gradient (and would reduce it here by the speed of the primary turbine),
so can be reduced by opening the in the bypass line 25 angeord designated control member 26, the volume of the gas flowing through the secondary turbine 16 and thereby the pressure gradient occurring in this can be set to the desired value. If the turbine system is kept in operation at a partial load, the system's performance can be reduced in very different ways known per se.
An expedient type of reduction is that, at the same time as the reduction in the amount of fuel burned, by opening the throttle element 30 in the bypass line 29, part of the work compressed by the compressor 1 is allowed to flow into the outflow line 23 without this this part also has to flow through the turbines.
If, for example, the speed of the primary turbine 2 should not be greatly reduced, whereas it is desirable to turn off the secondary turbine 16 completely before temporarily, it is useful, in addition to the complete opening of the throttle element 26, at the same time one of the throttle elements 27 and 28 or also to close both completely in order to prevent the flow of working medium in the secondary turbine 16.
The present device is particularly suitable for driving vehicles, where it is required that the secondary turbine output a torque that changes with the speed in an almost inverse ratio, that is to say constant power, at widely different speeds. In this case, the primary turbine will work at full load at an almost constant speed, whereas the speed of the secondary turbine will vary greatly. As will be evident from the following, turbines with peculiar characteristics are expediently required for this mode of operation, which, however, generally cannot be brought into full harmony with one another, since the pressure gradient worked in the secondary turbine will not always match the desired pressure.
Such cases are best matched by the present method and the present device, since the differences in the characteristics can be compensated for with a very low loss of efficiency. The loss of efficiency that occurs will be less, the smaller the amount of gas that has to be diverted using the bypass line and the smaller the pressure difference between the two ends of the bypass line:
If the pressure-volume characteristic of the turbine is very steep, which is known to mean that the pressure gradient occurring in the turbine decreases significantly in the case of an increase in the volume of gas flowing through, for example to an extent that is at least a percentage greater than the percentage Measure of the increase in the gas volume, the regulation described will result in only a negligible loss, since it is sufficient to divert only a very small part of the working medium via the bypass line in order to be able to strongly influence the pressure gradient of the turbine.
Because of this, it is advisable to use turbines with such steep characteristics in the present device.
In the device shown in Fig. 2 Einrich several, driven by primary Turbi NEN compressors work in parallel with one another with several, with one another equally if parallel-connected secondary turbines. The compressors 31, 31 'are driven by the primary turbines 32, 32'. The compressors push the compressed working medium through the lines 33, 33 'into the collecting line 34, via which it reaches the high-pressure chamber of the heat exchanger 37.
As it flows through it, the working medium heats up, absorbs further heat in the combustion chamber 38 and passes from the collecting pipe 39 via the lines 40, 40 'into the primary turbines 32, 32'.
The gas emerging from this passes through the lines 41, 41 'into the collecting pipe 42, from which it flows into the secondary turbines 43, 43', 43 ". The working medium emerging from the secondary turbines passes through the collecting pipe 44 which it enters the low-pressure space of the heat exchanger 37, flows through it, in order to then escape from the device through the outflow line 45. In this arrangement, the line bypassing the primary turbines consists of a connecting pipe 46 which is between the manifolds 39 and 42 Establishes connection.
In this connec tion pipe a suitable control element 47 for controlling the cross-section is angeord net, which provides the role of the control element 24 ersicht in FIG. Between the headers 42 and 44, a line 48 bypassing the secondary turbines establishes a connection, with a control element 49 suitable for changing the cross section of this line being accommodated; the latter provides the service of the control element 26 shown in FIG. 1.
The plurality of secondary turbines used in this arrangement is particularly suitable, for example, for the individual drive of locomotive axles. In the example described, only a single common combustion chamber and a single heat exchanger were shown; But it is also possible, please include, instead of using several such parts in parallel.
Instead of using a line bypassing the turbine, individual stages of the turbine are tapped in the gas turbine shown in FIG. 3, so that the individual tapping lines only form bypass lines for certain parts of the turbine. From the turbine housing 52 surrounding the rotor 51, the tap lines 53, 53 ', 53 "connected to the working space of the turbine are branched off. In which suitable regulating elements 54, 54', 54" are arranged for regulating the cross sections of the same.
The shaft 55 of the turbine drives, if this turbine is used as a primary turbine, a compressor respectively. Auxiliary machines on; but if it is a secondary turbine, then this wave delivers the useful power. The turbine can be presented in the schematic system shown in Fig. 1 in the place of the primary turbine 2 BEZW. the secondary turbine 16 can be set.
If the primary turbine is tapped, the tap lines connect to the inflow space of the secondary turbine, while, if the secondary turbine is tapped, the tap lines are connected to the outflow line of the secondary turbine.
If the pressure gradient occurring in the primary turbine is too great, after opening the regulating elements of the supply lines, part of the working medium is fed through the bypass line of the secondary turbine, which results in the turbine stages bypassed by a gas flow the pressure gradient decreases and thus the pressure gradient processed by the turbine will also be lower. If, on the other hand, the pressure gradient of the secondary turbine is extremely large, the tap lines of the secondary turbine must be opened gradually so that the pressure gradient processed in the secondary turbine is reduced.
The arranged in the tap lines regulating organs do not need to be opened at once, it is even useful to operate the same ben individually and in stages. In the process corresponding to this arrangement, the losses occurring during regulation are lower, so that on the one hand greater differences can be compensated for at a given efficiency than by means of the arrangement described in connection with FIG. 1; on the other hand, however, the efficiency can also be better for a given deviation.
It is also possible to connect the tapping lines in the case of a primary turbine to the inflow space of the same, in the case of a secondary turbine on the other hand to the inflow space of the latter: in this case part of the gas flow will bypass the inflow stages of the turbines. Such an arrangement is shown schematically in FIG.
The primary turbine 56 is followed by the bypass lines 58, 58 'equipped with the regulating elements 57, 57' which are suitable for changing the cross-sections until they are completely closed, and the collecting pipe 59 of which is connected to the inflow pipe 60 of the primary turbine. The collecting pipe 63 of the bypass lines 65, 65 'of the secondary turbine 61 connects to the inflow line 64 of this turbine. In the bypass lines 65, 65 ', the regulating organs 62, 62' are arranged, which are suitable for controlling the cross-sections until they are completely closed.
If, in this arrangement, the pressure drop in any turbine is greater than desired, it is useful to open the control organs of the order bypass lines of this turbine gradually and individually, caught at higher pressure levels, whereby the individual stages of the turbine flowing through The amount of gas decreases and the pressure gradient that occurs in it also decreases.
The present method and the present device can be used not only in the case of the unusual solutions described, but also in the case of compressors BEZW. Turbines of any system, and in the case of a heat exchanger of any type, even if no heat exchanger is used at all.
Finally, the described method and the related device can also be used regardless of whether the primary turbine is connected in front of the secondary turbine or behind it, if under "primary turbine" always a turbine driving a compressor, under "secondary turbine "On the other hand, a useful power output turbine is understood, since the regulation of the pressure gradient occurring in the individual turbines can also be achieved independently of this.
The burned fuel can also be gaseous, liquid or solid, depending on the circumstances, and the combustion chamber can be arranged in a manner known per se not only in front of the turbines but, in the case of a system equipped with a heat exchanger, also behind the turbines or between the turbines .