DE631995C - Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

Das Problem der nach dem Gleichdruckverfahren mit ein- oder mehrstufiger Vorverdichtung des Treibmittels arbeitenden Gasturbinen ist alt. Die allgemeine wissenschaftliehe und durch theoretische Berechnungen gestützte Auffassung ging bisher dahin (vgl. Stodola, Baumann, Adloff), daß zur Erzielung eines ausreichenden thermischen Wirkungsgrades mit möglichst hohen Austrittstemperaturen gearbeitet werden müsse. So untersucht z. B. Stodola eine Gasturbine mit einem effektiven Turbinenwirkungsgrad von 6o°/o> einer isothermischen Verdichterwirkung von 70% und einer Laufradaus trittstemperatur von 1 ooo° C. Für eine solche Turbine errechnet er einen thermischen ^Wirkungsgrad von 24°/,, und fügt hinzu, daß, wenn man gezwungen ist, mit der Austrittstemperatur auf 6oo° C herabzugehen, der

ao Wärmenutzungsgrad unter sonst gleichen Verhältnissen auf I4°/_O absinkt. Das bedeutet, daß eine solche Turbine mit anderen Kraftmaschinen wirtschaftlich nicht mehr wettbewerbsfähig wäre.

Andere Sachverständige, z.B. Baumann, behandeln Turbinen mit einer Auslaßtemperatur von 500⁰ C, kommen jedoch bei dieser Untersuchung zu thermischen Wirkungsgraden, die unterhalb der Wirtschaftlichkeitsgrenze liegen. Die Meinung, daß hohe Auslaßtemperaturen, d. h. noch höhere Eintrittstemperaturen, für die Wirtschaftlichkeit der Gleichdruckgasturbine unabweisbare Notwendigkeit seien, führt alle, die an dieser Auffassung festhalten, nun zu der weiteren FoI-gerung, daß eben wegen der hohen Einlaßtemperaturen die Expansion nach Möglichkeit in einer Druckstufe durchgeführt werden muß, um innerhalb des Laufrades einen möglichst großen Temperaturabfall zu erzielen. So wird z.B. von Eyerman und Schulz die Meinung vertreten, daß eine Unterteilung des Gesamtgefälles in Druckstufen wohl bei Dampfturbinen, nicht aber bei Gasturbinen angängig sei und daß für letztere überhaupt nur einstufige Expansion in Betracht komme.

Die einstufige Turbine ist aber, soweit die technischen Kenntnisse heute reichen, niemals mit einem für die Durchführung des Gleichdruckverfahrens ausreichenden thermodynamischen Wirkungsgrade zu konstruieren, weshalb auch S t ο d ο la im Rahmen seiner obenerwähnten Untersuchung nur einen Turbinenwirkungsgrad von 6o°/₀ annimmt.

Die Erfindung macht sich von der Anschauung der Notwendigkeit hoher Auslaßtemperaturen frei und geht von der durch rechnerische Nachprüfung als richtig be-

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

AIf Lysholm in Stockholm.

stätigten Auffassung aus, daß das Gleichdruckverfahren .bei mit heutet bekannten Baustoffen beherrschbaren-Temperaturen durch.-' führbar ist, sofern es gelingt, das Drticfe:" gefälle in einer Turbine auszunutzen, die einen.-^; thermodynamischen Wirkungsgrad von Wftv, nigstens So % gewährleistet und infolge ihrer ■ Bauart den notwendigerweise in ihr auftretenden hohen Temperaturbeanspruchungen gewachsen ist. Eine solche Turbine ist die gegenläufige Radialturbine, wie sie beispielsweise durch das System Ljungström entwickelt worden ist.

Es sind Vorschläge bekannt, die Radialturbinen zur Ausnutzung des Wärmegefälles in einer Gleichdruckgasturbinenanlage vorgesehen haben. Jedoch handelte es sich bei die- sen Vorschlägen um einfach rotierende mehrstufige Radialturbinen mit zwischen den einzelnen Laufschaufelkränzen festen Leitschaufelkränzen. Derartige Vorschläge können das Problem wenigstens bei dem heutigen Stande der Werkstoffkunde nicht lösen. Der Grund liegt darin, daß bei einfach rotierenden Turas binen das Wärmegefälle in der einzelnen Stufe nur verhältnismäßig gering sein kann, so daß man· zur Ausnutzung eines großen Wärmegefälles zu einer großen Anzahl von Stufen und daher zu Durchmessern gelangen würde, die bei den hohen Temperaturen nicht mehr beherrschbare Konstruktionen ergeben würden. Dazu kommt, daß bei solchen einfach wirkenden Turbinen infolge der festen Anordnung der Leitschaufelkränze die Spalt-Verluste so hoch werden müssen, daß mit einem befriedigenden thermodynamischen Wirkungsgrad in einer solchen Turbine für den praktischen Betrieb nicht gerechnet werden kann.

Es ist auch ein Vorschlag bekanntgeworden, der darauf hinausläuft, eine Mischung von brennbarem Gas und Luft in ein mit gegenläufigen Rädern ausgerüstetes Gebläse einzusaugen und darin zu verdichten und um den 45. äußeren Umfang dieses mit gegenläufigen Rädern arbeitenden Gebläses einen mit gegenläufigen Schaufelkränzen arbeitenden Radialturbinenteil anzuordnen.

Dieser Vorschlag ist als brauchbarer Beitrag für die Lösung des Problems der Gasturbine mit Gleichdruckverbrennung nicht zu werten und dementsprechend auch nicht verwirklicht worden. Seine grundsätzlichen Mängel bestehen darin, daß infolge der Ansaugung von Luft mit brennbaren Gasen von vornherein eine Explosionsgefahr in die Verdichterstufe hineingetragen wird. Darüber hinaus muß der äußere Kranz'der Verdichterräder, sofern eine ausreichende Menge brennbaren Gemisches zur Turbine geliefert werden soll, einen verhältnismäßig großen Durchmesser annehmen, und das bedingt, daß der um die Verdichterräder angeordnete gegen- «cjiiufige Turbinenkranz sehr großen äußeren iiDjüLrchmesser erhalten und demgemäß sehr 6g ii.#Be Fliehkraftbeanspruchungen erhalten 'fxmt&. Diese sind in der vorgeschlagenen Maschine besonders verhängnisvoll, weil nach dem genannten Vorschlag das verdichtete Gemisch in der Turbine erst gezündet werden soll, wodurch also in der Turbine Temperaturen von einer Höhe entstehen müssen, denen kein heute bekanntes Konstruktionsmaterial standhalten kann, besonders wenn es, wie vorstehend erläutert, noch zusätzlichen hohen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Gegenüber allen bekannten Vorschlägen besteht die Erfindung darin, daß in einer Gasturbinenanlage mit Gleichdruckverbrennung des Treibmittels mit einer oder mehreren vielstufigen Radialturbinen und einem oder mehreren von den Turbinen getrennten Verdichtern diese in von der Turbine getrennten Gehäusen angeordnet sind und die verdichtete Luft in von den Verdichtern und Turbinen getrennten Gehäusen liegende Verbrennungskammern fördern, in denen durch Brennstoffeinführung die Temperatur des hier entstehenden Gas-Brennstoff-Gemisches auf 527 bis höchstens 727⁰ C erhitzt wird, und von denen das 'Gemisch mit dieser Temperatur unmittelbar zu dem in der Nähe der Turbinenwelle liegenden Einlaß einer oder mehrerer vollbeaufschlagter, vielkränziger, gegenläufiger Radialüberdruckturbinen zügeführt wird, in denen ausschließlich die Expansion erfolgt.

Der Eintritt der heißesten Treibmittel erfolgt in der Nähe der Turbinenwelle, also dort, wo die Schaufeln den geringsten Zentrifugalbeanspruchungen ausgesetzt sind. Infolge der hohen Umlaufgeschwindigkeit, die zwischen zwei benachbarten Schaufelkränzen infolge der Gegenläufigkeit herrscht, ist in den einzelnen Turbinenstufen ein Wärmegefälle ausnutzbar, das ein Vielfaches dessen beträgt, was bei der einfach rotierenden Radialturbine zulässig ist.

Ferner sind aber alle gegenläufigen Turbinen in ihrem Verhalten gegenüber hohen Temperaturen den einfach laufenden Turbinen deshalb überlegen, weil alle Ringe dem Kriechen ausgesetzt sind und nur das relative Kriechen zwischen zwei Nachbarringen eine schädliche Einwirkung auf das Betriebsverhalten der Turbine hervorrufen kann. Das bedeutet, daß die Spaltverluste innerhalb einer gegenläufigen Radialüberdruckturbine nur einen Bruchteil der in einer einfach laufenden Radialturbine unvermeidbaren Spaltverluste ausmachen können.

Nun ist festgestellt worden, daß gegenläu-

fige Radialüberdruckturbinen nicht nur einen sehr hohen thermodynamischen Wirkungsgrad — sogar bis 88 % — gewährleisten, sondern auch, was für die Lösung des Gasturbinenproblems von entscheidender Bedeutung ist, Eintrittstemperatureri vertragen, die von anderen Turbinengattungen, insbesondere einfach laufenden Radialturbinen, nicht aufgenommen werden können. Ohne Verwendung

ίο von besonders hitzebeständigem Material gebaute gegenläufige Radialturbinen haben einwandfrei bis zu 8oo° abs. Eintrittstemperatur vertragen. Es ist rechnerisch erwiesen, daß eine solche Turbine, der das erhitzte Arbeitsmittel mit 800 bis 1000⁰ abs. zugeführt wird, eine wirtschaftliche Durchführung des Gleichdruckverfahrens gewährleistet, und zwar deshalb, weil in der Turbine ein thermodynamischer Wirkungsgrad von wenigstens 8o°/o sichergestellt ist.

Wenn gemäß der Erfindung der gegenläufigen Radialüberdruckturbine das erhitzte Treibmittel bei der heutigen Werkstoffkunde mit 800 bis 1000⁰ abs. zugeführt wird, so sagt dies aus, daß dies die oberen Temperaturbereiche sind, die mit den heute bekannten Werkstoffen bewältigt werden können. Die Bedeutung der Erfindung braucht aber deswegen nicht von den Fortschritten der Metallurgie ausgeschlossen zu werden, da sich für sie auch die Möglichkeit bietet, sofern die Werkstoffkunde einen geeigneten Baustoff liefert, durch eine Höherlegung der angegebenen Temperatur- und Druckgrenzen die sich daraus als selbstverständlich ergebenden größeren thermischen Gesamtwirkungsgrade zu erzielen. Etwaige Fortschritte im Verdichterbau, welche zu höheren isothermischen Verdichterwirkungsgraden führen sollten, kommen ebenfalls der Erfindung zugute.

Der Aufbau einer nach der Erfindung arbeitenden Turbinenanlage ist in der Zeichnung dargestellt.
Es bezeichnen 1 eine Radialturbine, der das Treibmittel zentral in dem Mittelraum 9 zugeführt wird. Es durchströmt das Schaufelsystem in radialer Richtung und geht durch den Auslaß in die Leitung 5. Hier wird es durch die punktiert eingezeichnete Brenn-Stoffeinführung erwärmt und strömt nun der gegenläufigen Radialüberdruckturbine 12 zu. Aus dieser austretend gelangt das Treibmittel in die Verbindungsleitung 10, wo es durch eine weitere strichpunktiert eingezeichnete Wiedererwärmungsvorrichtung nochmals erwärmt wird, um dann der gegenläufigen Radialüberdruckturbine 14 zugeführt zu werden. Auf den Läuferwellen der letzteren sitzen die kraftverbrauchenden Maschinen, z. B. zwei Generatoren 18 und 19, auf den Wellen der Turbine 12 zwei Verdichter 3 und 4; der erstere ist ein aus der Leitung 15 Luft ansaugender Niederdruckverdichter, der letztere ein Mitteldruckverdichter, der die vorverdichtete Luft aus dem Niederdruckverdichter durch die Leitung 16 erhält. Der Mitteldruckverdichter liefert durch die Leitung 17 die weiterverdichtete Luft zum Hochdruckverdichter 2, der auf der Welle der Turbine 1 sitzt. Die hochverdichtete Luft kommt aus dem Hochdruckverdichter durch die Leitung 6 zu einer Verbrennungskammer 7, der durch die Leitung 8· Brennstoff zugeführt wird. Das Brenngemisch wird durch die Leitung 11 der Turbine 1 zugeführt.

Die Verdichter können mit Kühlvorrich- · tung für die verdichtete Luft versehen werden, wie dies beim Verdichter 3 durch die Wassereinspritzung 20 angedeutet ist. Die beiden Turbinen, 12 und 14 sind radiale gegenläufige Überdruckturbinen an sich bekannter, z. B. Ljungströmscher Bauart, die einen thermodynamischen Wirkungsgrad von 8o°/₀ für die Anlage gewährleisten.

Die Vorschaltung der einfachläufigen Radialturbine gemäß Fig. 1 der Zeichnung hat den Zweck, einen kleinen Teil des Wärmegefälles zu übernehmen und dadurch die Qualitätszahl der Hauptturbine zu erhöhen. Die Anwendung der einfachläufigen Radialturbine in dieser Vorstufe ist, ohne den Gesamtwirkungsgrad nennenswert zu beeinflussen, deshalb zulässig, weil diese Vorturbine nur einen ganz kleinen Teil der Totallast übernimmt. Infolgedessen braucht auch diese Turbine reicht mit einem so hohen Wirkungsgrad wie der übrige, die Hauptleistung übernehmende Turbinenteil ausgestattet zu sein, und daraus ergibt sich die Möglichkeit, diese einfachläufige Radialturbine mit ziemlich großen Spalten auszuführen, wodurch sie gegen die hohe Temperatur der eintretenden Gasmischung unempfindlicher wird. Die Hauptleistung der Anlage wird jedoch, wie in der Zeichnung dargestellt ist, von den gegenläufigen Radialturbinen übernommen, für welche ein wesentlich höherer Wirkungsgrad verlangt werden muß.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Gasturbinenanlage mit Gleichdruckverbrennung des Treibmittels mit einer oder mehreren vielstufigen Radialturbinen und einem oder mehreren von den Turbinen getrennten Verdichtern, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichter, die in von der Turbine getrennten Gehäusen angeordnet sind, die verdichtete Luft in von den Verdichtern und Turbinen getrennten Gehäusen liegende Verbrennungskammern fördern, in denen durch Brennstoffeinfüh-

   rung die Temperatur des hier entstehenden Gas-Brennstoff-Gemisches auf 527 bis höchstens 727⁰ C (T == 800 bis 1000⁰ C) erhitzt wird, .und von denen das Gemisch mit dieser Temperatur unmittelbar zu dem Einlaß einer oder mehrerer vollbeaufschlagter, vielkränziger, gegenläufiger Radialüberdruckturbinen zugeführt wird, in denen ausschließlich die Expansion erfolgt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen