DE854725C

DE854725C - Gas turbine plant

Info

Publication number: DE854725C
Application number: DES2203D
Authority: DE
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1943-05-19
Filing date: 1943-05-19
Publication date: 1952-11-06

Description

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.Gas turbine plant The invention relates to a gas turbine plant, in which at least one turbine to drive the compressor and at least one second turbine is arranged to generate the useful power. Works by the turbines at different loads the compressor turbine is essentially the same Speed, but the power turbine with different speeds. The invention is characterized in that at least the greater part of the blades of the power turbine is more curved than the majority of the blades of the compressor turbine.

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.The invention is illustrated below with reference to the drawing using an exemplary embodiment explained in more detail. In Fig. I, a gas turbine system is shown on which the Invention can find application; 2 shows part of a developed cylinder section by a guide vane ring and the following rotor blade ring of the power turbine ; 3 shows a corresponding section through a guide vane ring and a Rotor blade ring of the compressor turbine again; Fig.4 represents in a diagram the different course of the efficiency E for turbines on the one hand with blade shapes according to FIG. 2 and on the other hand with blade shapes according to FIG. 3 as a function of the speed ratio nlno opposite each other, where n are the different speeds of the turbine and n. mean the speed at normal load.

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.The working medium compressed by the compressor i (Fig. I) passes over the intercooler 3 into compressor 2 and then after it is compressed to the highest operating pressure in the tubes of a heat exchanger 4 preheated. The working medium flow is divided at the outlet 12 of the heat exchanger. Part of it gets into the heater 5 and is in the flow around the heat exchange pipes brought to the highest operating temperature.

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.The compressed and heated working medium is expanded in the turbine 6 and then gets into the heat exchanger tubes surrounding the heat exchanger 4 Room where some of its residual heat is transferred to the working fluid coming from the compressor 2 gives away. Another part of the residual heat is dissipated in the cooler 8 to a coolant, whereupon the working fluid flows again to the low-pressure compressor i.

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.Another subset of the split at the outlet 12 of the heat exchanger 4 The flow of working medium is taken from the circuit and sent to the burner as combustion air of the gas heater 5 supplied. The combustion gases flow through the heat exchange tubes and then get into the turbine 7, from which, after relaxation, they do not continue to drawn consumption points, e.g. B. in heat exchangers or into the open air can be.

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.The open circuit taking place in the system is controlled by the Compressor 9 is constantly supplied with such a replacement amount of air from the atmosphere, that not only replaces the constantly withdrawn subset, but also all losses are covered. This replacement amount is in the heat exchanger 4 at one point introduced, at which the working fluid flowing back from the turbine 6 is approximately the has the same temperature as the compacted replacement quantity.

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.The turbine 6, which is acted upon by the working medium flow of the system, drives the compressors 1, 2 and 9, while the acted upon by the withdrawn portion Turbine 7 generates the useful power output to the outside. This power turbine drives the ship's propeller i i via a gearbox io.

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.The turbine 6 and the compressors 1, 2 and 9 coupled to it are. operated at the same speed under all loads. This measure permitted with appropriate adjustment of the pressure level or the density in the circuit to the Load both in the turbine and in the compressors, the most favorable outflow conditions the shovel must be kept unchanged with every load. For this purpose, the Compressor 9 promoting the replacement quantity with devices for setting the delivery pressure or the delivery rate at approximately the same speed. Ever the pressure level is then based on the delivery rate or the delivery pressure of the compressor 9 of the circuit set higher or lower.

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.The speed of the power turbine 7 changes on the other hand according to the required drive power according to the propeller law. With low drive power the speed is lower than with greater drive power.

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.In the gas turbine system according to FIG. I, the blades are in the utility line turbine 7 formed according to the vane plan of FIG. 2, in which the guide vane ring with DN and the rotor blade ring with RN.

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.The blades of the compressor turbine 6 in the system according to FIG has the shape shown in the blade plan of FIG. 3. Here, Dv is the guide ring and with Rv denotes the tread.

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).A comparison of the blade shapes according to FIGS. 2 and 3 shows that the blades of the Nutzleistungsr turbine (Fig. 2) are more curved than the blades of the Compressor turbine (Fig. 3).

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.The shape proposed according to the invention for the turbine blades is based on the knowledge of the latest flow research, according to which turbines with more curved blades, especially those with thick profiles, one flat course of the efficiency like the curve N (Fig. 4) have. Vice versa have turbines with less curved blades and preferably a thinner profile a steep efficiency curve, as curve h of FIG. 4 shows. The efficiency does not exactly rise to the best maximum value, but falls on both sides only slowly. The efficiency curve of the less curved blades 1l increases to particularly high best values, but drops rapidly on both sides.

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.Since a power is necessary to drive the compressor, the is significantly greater than the useful output, usually even a multiple of it is, and at the same time the compressor min, at least in a wide load range operated at the same speed, the increased efficiency drops the little curved blades according to curve V (Fig. 4) for the final overall efficiency particularly heavy. Conversely, the blades of the power turbine, the speed of which changes in a wide range according to the propeller law, one have a flat profile in order to achieve the overall efficiency within a large load range to be able to keep it at the highest possible value.

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.The invention can also be applied in cases in which the power turbine is switched on in the circuit and the compressor turbine by the out of the circuit extracted exhaust gases is driven or in which both turbines are in a closed circuit are switched on or finally by both turbines from a gas flow once are acted upon. In addition to ship systems, the invention can also be used for land systems can be used in which the speed of the power turbine varies with the power changes.

Claims

PATENT CLAIM: Gas turbine system in which at least one turbine for .driving the compressor and at least one second turbine for generating the useful power is arranged, of which the compressor turbine works essentially at the same speed, but the utility turbine at different speeds under different loads, characterized that at least the greater part of the blades of the power turbine is more curved than the majority of the blades of the compressor turbine.