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Gasturbinenanlage Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage,
in welcher mindestens eine Turbine zum Antrieb des Verdichters und mindestens eine
zweite Turbine zur Erzeugung der Nutzleistung angeordnet ist. Von den Turbinen arbeitet
bei verschiedenen Belastungen die Verdichterturbine im wesentlichen mit gleicher
Drehzahl, die Nutzleistungsturbine aber mit verschiedenen Drehzahlen. Die Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der größere Teil der Schaufeln der Nutzleistungsturbine
stärker gekrümmt ist als der Großteil der Schaufeln der Verdichterturbine.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. In Fig. i ist eine Gasturbinenanlage dargestellt, an welcher die
Erfindung Anwendung finden kann; Fig.2 zeigt einen Teil eines abgewickelten Zylinderschnittes
durch einen Leitschaufelkranz und den darauffolgenden Laufschaufelkranz der Nutzleistungsturbine
; Fig.3 gibt einen entsprechenden Schnitt durch einen Leitschaufelkranz und einen
Laufschaufelkranz der Verdichterturbine wieder; Fig.4 stellt in einem Schaubild
den verschiedenen Verlauf des Wirkungsgrades E für Turbinen einerseits mit Schaufelformen
nach der Fig. 2 und andererseits mit Schaufelformen nach Fig.3 in Funktion des Drehzahlverhältnisses
nlno einander gegenüber, wobei n die verschiedenen Drehzahlen der Turbine und n.
die Drehzahl bei normaler Last bedeuten.
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Das vom Verdichter i (Fig. i) verdichtete Arbeitsmittel gelangt über
den Zwischenkühler 3
in den Verdichter 2 und wird dann, nachdem
es auf den höchsten Betriebsdruck verdichtet ist, in den Rohren eines Wärmeaustauschers
4 vorgewärmt. Am Austritt 12 des Wärmeaustauschers wird der Arbeitsmittelstrom aufgeteilt.
Ein Teil gelangt in den Erhitzer 5 und wird bei der Umströmung der Wärmeaustauschrohre
auf die höchste Betriebstemperatur gebracht.
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Das verdichtete und erhitzte Arbeitsmittel wird in der Turbine 6 entspannt
und gelangt dann in den die Wärmeaustauschrohre des Wärmeaustauschers 4 umgebenden
Raum, wo es einen Teil seiner Restwärme an das aus dem Verdichter 2 kommende Arbeitsmittel
abgibt. Ein weiterer Teil der Restwärme wird im Kühler 8 an ein Kühlmittel abgeführt,
worauf das Arbeitsmittel von neuem dem Niederdruckverdichter i zuströmt.
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Eine andere Teilmenge des am Austritt 12 des Wärmeaustauschers 4 aufgeteilten
Arbeitsmittelstroms wird dem Kreislauf entnommen und als Verbrennungsluft dem Brenner
des Gaserhitzers 5 zugeführt. Die Verbrennungsgase strömen durch die Wärmeaustauschrohre
und gelangen dann, in die Turbine 7, aus der sie nach Entspannung an weitere nicht
gezeichnete Verbrauchsstellen, z. B. in Wärmeaustauscher oder ins Freie, abgeführt
werden können.
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Dem in der Anlage sich abspielenden offenen Kreislauf wird durch den
Verdichter 9 ständig eine solche Ersatzmenge von Luft aus der Atmosphäre zugeführt,
daß nicht nur die ständig entnommene Teilmenge ersetzt, sondern auch alle Verluste
gedeckt werden. Diese Ersatzmenge wird in den Wärmeaustauscher 4 an einer Stelle
eingeführt, an der das aus der Turbine 6 rückströmende Arbeitsmittel ungefähr die
gleiche Temperatur aufweist wie die verdichtete Ersatzmenge.
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Die vom Arbeitsmittelstrom der Anlage beaufschlagte Turbine 6 treibt
die Verdichter 1, 2 und 9, während die durch die entnommene Teilmenge beaufschlagte
Turbine 7 die nach außen abgegebene Nutzleistung erzeugt. Diese Nutzleistungsturbine
treibt über ein Getriebe io den Schiffspropeller i i.
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Die Turbine 6 und die mit ihr gekuppelten Verdichter 1, 2 und 9 werden.
bei allen Belastungen mit der gleichen Drehzahl betrieben. Diese Maßnahme gestattet
bei entsprechender Anpassung des Druckniveaus bzw. der Dichte im Kreislauf an die
Belastung sowohl in der Turbine als auch in den Verdichtern die günstigsten Ausströmungsverhältnisse
der Schaufel bei jeder Belastung unverändert einzuhalten. Zu diesem Zweck kann der
die Ersatzmenge fördernde Verdichter 9 mit Vorrichtungen zur Einstellung des Förderdruckes
bzw. der Fördermenge bei ungefähr gleichbleibender Drehzahl ausgerüstet sein. Je
nach der Förderleistung bzw. dem Förderdruck des Verdichters 9 wird dann das Druckniveau
des Kreislaufs höher oder niedriger eingestellt.
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Die Drehzahl der Nutzleistungsturbine 7 verändert sich dagegen je
nach der verlangten Antriebsleistung gemäß dem Propellergesetz. Bei kleiner Antriebsleistung
ist die Dre'hzah'l niedriger als bei größerer Antriebsleistung.
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In der Gasturbinenanlage nach Fig. i ist die Schaufelung der Nutzleitsungsturbine
7 nach dem Schaufelplan der Fig. 2 ausgebildet, in welcher der Leitschaufelkranz
mit DN und der Laufschaufelkranz mit RN bezeichnet sind.
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Die Schaufelung der Verdichterturbine 6 in der Anlage nach Fig. i
besitzt die im Schaufelplan der Fig. 3 gezeigte Form. Hierbei ist mit Dv der Leitkranz
und mit Rv der Laufkranz bezeichnet.
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Ein Vergleich der Schaufelformen nach Fig.2 und 3 zeigt, daß die Schaufeln
der Nutzleistungsr turbine (Fig. 2) stärker gekrümmt sind als die Schaufeln der
Verdichterturbine (Fig. 3).
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Die nach der Erfindung vorgeschlagene Formgebung für die Turbinenschaufelung
geht von der Erkenntnis der neuesten Strömungsforschung aus, nach welcher Turbinen
mit stärker gekrümmten Schaufeln, insbesondere solchen mit dicken Profilen, einen
flachen Verlauf des Wirkungsgrades wie die Kurve N (Fig. 4) besitzen. Umgekehrt
besitzen Turbinen mit wenig gekrümmten Schaufeln und vorzugsweise dünnerem Profil
einen steilen Wirkungsgradverlauf, wie Kurve h der Fig. 4 zeigt. Der Wirkungsgrad
steigt nicht gerade auf den besten Höchstwert an, fällt dafür aber nach beiden Seiten
nur langsam ab. Der Wirkungsgradverlauf der weniger gekrümmten Schaufeln 1l steigt
auf besonders hochliegende Bestwerte, fällt jedoch nach beiden Seiten rasch ab.
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Da für den Antrieb der Verdichter eine Leistung notwendig ist, die
wesentlich größer ist als die Nutzleistung, meistens sogar ein Mehrfaches davon
beträgt, und gleichzeitig die Verdichter min, destens in einem weiten Belastungsbereich
mit der gleichen Drehzahl betrieben werden, fällt der erhöhte Wirkungsgrad der wenig
gekrümmten Schaufeln nach der Kurve V (Fig. 4) für den endgültigen Gesamtwirkungsgrad
besonders stark ins Gewicht. Umgekehrt muß die Schaufelung der Nutzleistungsturbine,
deren Drehzahl sich ja in weitem Bereich gemäß dem Propellergesetz verändert, einen
flachen Verlauf aufweisen, um den Gesamtwirkungsgrad innerhalb eines großen Belastungsbereichs
auf möglichst hohem Wert halten zu können.
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Die Erfindung läßt sich auch in Fällen anwenden, in, denen die Nutzleistungsturbine
in den Kreislauf eingeschaltet ist und die Verdichtelturbine durch die aus dem Kreislauf
entnommenen Abgase angetrieben wird oder in denen beide Turbinen in einen geschlossenenKreislauf
eingeschaltet sind oder schließlich indem beide Turbinen von einem Gasstrom einmalig
beaufschlagt sind. Außer für Schiffsanlagen kann die Erfindung auch für Landanlagen
verwendet werden, bei denen die Drehzahl der Nutzleistungsturbine sich mit der Leistung
verändert.