DE1946677A1

DE1946677A1 - Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE1946677A1
Application number: DE19691946677
Authority: DE
Inventors: Albert Jubb
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1968-09-14
Filing date: 1969-09-15
Publication date: 1970-08-20
Also published as: CH502517A; US3630022A; FR2019440A1; GB1275753A

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL.-ING. GÜNTHER KOCH DR. TINO HAIBACH

8 München 2,13. September I969

UNSER ZE.CHEN:

Rolls-Royce Limited, Derby, Derbyshire, England

Gasturbinenanlage

Die Erfindungtetrifft eine Gasturbinenanlage, bei welcher das Arbeitsmittel direkt oder indirekt durch einen Kernreaktor aufgeheizt wird.

Die Erfindung geht aus von einer Gasturbinenanlage mit einem Kompressor und einem Kernreaktor, dem das vom Kompressor komprimierte Arbeitsmittel zugeführt wird, um es zu erhitzen, und mit einer Turbine, die das erhitzte Arbeitsmittel empfängt und hiervon angetrieben wird und ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerventileinrichtung vorgesehen ist, die die Möglichkeit schafft, einen Teil des vom Kompressor verdichteten Arbeitsmittels im Nebenschluß an dem Kernreaktor vorbeiauführen und dem Einlaß der Turbine in Abhängigkeit von wenigstens einem Arbeitsparameter der Turbine zuzuführen.

Die Turbine kann in Strömungsrichtung hintereinander eine mit dem Kompressor antriebsmäßig verbundene Hochdruckturbine und eine Nutzleistungsturbine aufweisen, wobei die Steuerventilanordnung auf die Drehzahl der Hochdruckturbine anspricht.

Zusätzlich können weitere Kompressoren parallel zu dem ersterwähnten Kompressor geschaltet sein, um komprimiertes Arbeitsmittel zuzuführen, das durch den Kernreaktor erhitzt werden soll, wobei eine weitere Hochdruckturbine antriebsmäßig mit einem solchen weiteren Korn-

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pressor verbunden sein kann und Arbeitsmittel, das vom Kernreaktor erhitzt wurde, empfängt, wobei diese weitere Turbine der Nutzleistungsturbine ebenfalls vorgeschaltet ist und wobei weitere Steuerventi!anordnungen vorgesehen sein können, die einen Teil des vom weiteren Kompressor komprimierten Arbeitsmittels im Nebenschluß zu dem Kernreaktor zu führen gestatten, um es dem Einlaß der weiteren Hochdruckturbine in Abhängigkeit von der Drehzahl der weiteren Hochdruckturbine zuzuführen.

Wenn zwei Kompressoren, zwei Steuerventilanordnungen und zwei Hochdruckturbinen vorgesehen sind, dann kann außerdem eine Steuervorrichtung angeordnet werden, die ein von der Differenz zwischen den Drehzahlen der Hochdruckturbinen abhängiges Signal erzeugt, welches dann das eine oder andere Steuerventil im Sinne einer Verminderung dieser Differenz einstellt.

Die Steuerventileinrichtungen können so geschaltet sein, daß sie die Drehzahl der jeweiligen/aruckturbinen unter einem vorbestimmten Wert halten.

Die oder jede Steuereinrichtung kann durch wenigstens zwei Drehzahlregler betätigt werden, die durch die jeweilige Hochdruckturbine angetrieben werden und diese bestehen vorzugsweise aus mehreren gleichzeitig betätigbaren Steuerventilen, die parallel zueinander, geschaltet sind.

Die oder jede Steuereinrichtung kann außerdem auf die Drehzahl der Nutzleistungsturbine und/oder die Last der Nutzleistungsturbine ansprechen.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen: Flg. 1 ein schematlsches Blockschaltbild einer Gasturbinenanlage

gemäß der Erfindung,
Fig. 2 ein yereinfachtes Blockschaltbild einer weiteren AusfUhrungsform einer Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung,

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Fig. 1 zeigt eine Gasturbinenanlage 10 mit geschlossenem Kreislauf* die als Arbeitsmittel Helium benutzt und in Strömungsrichtung hintereinander einen Vorkühler 12, in dem das Helium in Wärmeaustauschbeziehung mit Wasser steht, einen Axialströmungsniederdruckkompressor 14, einen Zwischenkühler 16, in dem das Helium wiederum in Wärmeaustauschbeziehung mit Wasser steht, und einen Axialströmungshochdruckkompressor 18 aifweist.

Das in den Kompressor 14 und 18 komprimierte Helium strömt über einen Rekuperator 20, in welchem es, wie nachstehend beschrieben, vorerhitzt wird, nach einem Kernreaktor 22, wo es auf die Endtemperatur gebracht wird. Das Helium bildet das Kühlmittel für den Reaktor 22 und wird demgemäß darin direkt erhitzt. Es ist jedoch klar, daß der Reaktor 22 auch ein getrenntes Kühlsystem aufweisen kann, in&em das Kühlmittel zur Erwärmung des Heliums benutzt wird. Das erhitzte Helium aus dem Reaktor 22 strömt dann nach dner Hochdruckaxialströmungsturbine 24 und treibt diese an, und diese Turbine 24 ist über eine nicht dargestellte Welle mit den Kompressoren l4,l8 verbunden.

Eine Steuerventilanordnung 26 in Gestalt einer Mehrzahl gleichzeitig betätigbarer parallel geschalteter Steuerventile 28 ist in eine Leitung 30 zwischen den Auslaß des Kompressors 18 und den Einlaß der Turbine 24 geschaltet, wodurch ein veränderbarer Anteil des im Kompressor 14,18 komprimierten Heliums im Nebenschluß zu dem Rekuperator 20 und dem Reaktor 22 geführt werden kann.

Das in der Turbine 24 expandierte Helium strömt über ein Drosselventil 34 nach einer Nutzleistungsaxialturbine 32 und treibt diese an. Die Nutzleistungsturbine 32 ist antriebsmäßig mit einer Last, z.B.ei-/nicht dargestellten Wechselstromgenerator,gekuppelt. Ein Steuerventil 36, eine Drossel oder eine Einschnürung 37 und eine Wärmesenke 37a sind in Strömungsrichtung hintereinander in einem Kanal 38 zwischen dem Auslaß der Turbine 24 und dem Auslaß der Turbine 32 angeordnet, so daß ein veränderbarer Anteil des in der Turbine 24 expandierten Heliums im Nebenschluß an dem Drosselventil 34 und der Turbine 32 vorbeigeführt werden kann.

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Die Wärmesenke 37a kann aus einer großen Masse bestehen, z.B. aus 40 Tonnen Graphitblöcken (nicht dargestellt). Ein weiteres drehzahlabhängiges Steuerventil 36a ist parallel zu dem Steuerventil 36, dem Drosselventil 37 und der Wärmesenke 37a geschaltet. Die Strömungsfläche des Steuerventils 36a ist grob angenähert äquivalent der Strömungsfläche der Turbine 32.

Der Auslaß der Turbine 32 steht mit dem Rekuperator 20 in Verbindung, wo das Helium, das aus der Turbine 32 ausgetreten ist, in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Helium tritt, das durch die Kompressoren 14,18 komprimiert wurde und dieses vorwärmt und dabei selbst abge-

k kühlt wird, wobei das gekühlte Helium dann dem Einlaß des Vorkühlers 12 zugeführt wird. Das Steuerventil 26 spricht auf die Drehzahl der Turbine 24 über zwei variable Drehzahlregler 39 an. Zwei Regler sind aus Sicherheitsgründen vorgesehen. Das Steuerventil spricht außerdem auf die Drehzahl der Turbine 32 und die Belastung der Turbine 32 über nicht dargestellte Mittel an. Jedoch wird durch die Regler 39 eine Überholsteuerung ausgeübt. Die thermischen Charakteristiken des Reaktors 22 sind derart, daß seine Auslaßtemperatur, wenn sie einmal auf ihren normalen Betriebswert eingestellt ist, nicht leicht und schnell geändert werden kann. Während des Anlaufs der Anlage 10 und bei allen Geschwindigkeiten, die unter der normalen Betriebsgeschwindigkeit liegen, besteht daher die Neigung, daß das Helium, das die Turbine 24 erreicht, zu heiß ist und dies

' birgt wiederum die Gefahr in sich, daß die Turbine auf überdrehzahl gebracht wird. So wird in der Praxis die Einstellung des Reglers 39 progressiv während des Anlaufs der Anlage durch nicht dargestellte Mittel vergrößert. Jeweils dann, wenn die eingestellte Drehzahl erreicht ist, beginnt das Steuerventil 26 mit der öffnung, so daß eine variable Menge relativ kühlen Heliums direkt vom Auslaß des Kompressors l8 nach dem Einlaß der Turbine 24 gelangen kann. Die Temperatur am Einlaß der Turbine 24 wird demgemäß auf einen Wert eingestellt, der vereinbar ist mit der relevanten eingestellten Drehzahl und die Drehzahl stabilisiert sich bei jeder eingestellten Drehzahl der Reihe nach, bis die normale Betriebsdrehzahl erreicht ist. Nach-

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dem einmal die normale Betriebsdrehzahl erreicht ist, werden die Regler 39 so eingestellt, daß sie über die Steuerventile 26 als Spitzendrehzahlbegrenzer wirken.

Der Gesamtleistungsausgang der Turbinenanlage 10 wird demgemäß durch die Wirkung des Reglers 39 auf die Steuerventileinrichtung 26 eingestellt.

Das Drosselventil 34 und das Steuerventil 36 besitzen' eine gemeinsame Steuereinrichtung 40, die auf die Drehzahl der Turbine 32 über einen Drehzahlfühler 42 anspricht. Während des Anlaufs der Gasturbinenanlage 10 wird das Steuerventil 36a voll geöffnet, während xtsus. das Drosselventil 34 ebenfalls voll geöffnet wird und das Steuerventil 36 wird durch die Steuereinrichtung 40 geschlossen. Der Strömungspfad durch das Steuerventil 36avermindert in diesem Betriebszustand beträchtlich den RUckdruck der Turbine 24, so daß der Anlauf der Turbine erleichtert wird, wobei trotzdem ein langsamer Anlauf der Turbine 32 möglich ist. Wenn die Drehzahl der Turbine 32 einen ersten vorbestimmten Wert erreicht, beginnt sich das Steuerventil 36a zu schließen und so wird der Anlauf der Turbine 32 bis auf ihre normale Arbeitsgeschwindigkeit beschleunigt. Bei dieser Drehzahl ist das Ventil 36a voll geschlossen» Danach wird, wenn die Drehzahl der Turbine 32, beispielsweise die maximale Drehzahl, um mehr als 10# überschreitet, wenn z.B. die Belastung der Turbine plötzlich vermindert wird, das Drosselventil 34 augenblicklich geschlossen und das Steuerventil 36 gleichzeitig augenblicklich durch die Steuervorrichtung 40 geöffnet, (in einem Zeitabschnitt von etwa 100 Millisekunden). So vlrd eine Beschädigung der Turbine 32 verhindert, indem das Helium von der Turbine 24 im Nebenschluß zu der Turbine 32 und durch das Drosselventil 37 nach der Wärmesenke 37a strömen kann.

Die Drosselstelle 37 und die Wärmesenke 37a erzeugen im wesentlichen den gleichen Druck- und Temperaturabfall in dem hindurohströmenden Medium wie sie durch die Turbine 32 erzeugt würden und so wird gewährleistet, daß die Wirkung des Nebenschlusses der Turbine 32 auf

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die übrigen Stufen des Kreises vermindert wird. Das Steuerventil, : 56a der Steuereinrichtung 40 kann außerdem kontinuierlich kleine _; ~ Einstellungen gem-äß kleinen Änderungen in der Drehzahl der Turbine J52 bewirken. Durch geeignete Abwandlung der Steuervorrichtung; Λ0
und des Steuerventils 56 kann bewirkt werden, daß das Steuerventil
36 die Punktionen des Steuerventils 36a zusätzlich zu den eigenen . Punktionen durchführt und so kann das Steuerventil 36a wegfallen..
Relativ reines Wasser wird in den Vorkühler 12 und den Zwischenkühler 16 vom Auslaß einer mit variabler Drehzahl laufenden Pumpe 50
geliefert. Das den Vorkühler 12 und den Zwischenkühler 1β verlassende Wasser kehrt nach dem Einlaß der Pumpe 50 über entsprechende
äußere Kühler 52 und 54 zurück, in denen es in Wärmeaustauschbeziehung z.B. mit Seewasser oder mit Flußwasser steht. Das See- oder
Plußwasser strömt durch die äußeren Kühler 52,54- und diese Strömung wird durch eine weitere nicht dargestellte Pumpe mit variabler
Drehzahl bewirkt.

Der Leistungsausgang der Kraftanlage 10 kann durch Änderung der
Temperatur des den Vorkühler 12 und den Zwischenkühler l6 verlassenden Heliums fein eingestellt werden. In der Praxis wird die Drehzahl der Pumpe 50 und demgemäß die Strömungsgeschwindigkeit des
relativ reinen Wassers im wesentlichen konstant gehalten und die
Drehzahl der weiteren Pumpe wird so geändert, daß die Strömung^sgeschwindigkeit des Seewassers oder des Flußwassers geändert wird,
wodurch auch die Temperatur des relativ reinen Wassers geändert
wird. Wenn es jedoch erwünscht ist, kann auch die Strömungsgeschwindigkeit des relativ reinen Wassers geändert werden, anstatt
die Temperatur zu ändern. Jedoch können auch beide Maßnahmen gleichzeitig durchgeführt werden.

Die Erfindung ist auch anwendbar für Gasturbinenanlagen, die keinen geschlossenen Turbinenkreislauf haben und die nicht in Verbindung
mit einem Kernreaktor zur Wärmeerzeugung stehen.

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Pig. 2 zeigt in vereinfachter Form eine Gasturbinenanlage 10 mit geschlossenem Kreislauf, die Helium als Arbeitsmittel benutzt und zwei Axialströmungskompressoren 102 und 104 parallel geschaltet aufweist. Das von den Kompressoren 102,104 verdichtete Helium gelangt, wie bei dem Ausftihrungsbeispiel nach Pig.l nach einem Kernreaktor 106, um dort erhitzt zu werden. Das von den Kompressoren 102,104 gelieferte Helium kann einem geraeinsamen Strömungspfad folgen oder innerhalb des Reaktors 106 getrennte Pfade durchlaufen.

Das vom Reaktor 106 erhitzte Helium strömt nach zwei Axialströmungsturbinen 108,110 und treibt diese an. Diese Turbinen sind parallel geschaltet und antriebsmäßig jeweils mit den Kompressoren 102 bzw. 104 über nicht-dargestellte Wellen verbunden. Dann strömt das Arbeitsmittel zu einer einzigen Axialströmungs-Nutzleistungsturbine 112. Das von der Nutzleistungsturbine 112 abgegebene Helium wird nach den Einlassen der Kompressoren 102,104 zurückgeführt.

Zwischen dem Auslaß eines jeden Kompressors 102,104 und dem Einlaß der jeweils zugeordneten Turbine 108,110 befinden sich entsprechende Steuerventileinrichtungen 114,116, die denen nach Fig.l gleichen. Zusätzlich ist jedoch eine Steuereinrichtung 118 vorgesehen, die über Drehzahlfühler 120 bzw. 122 auf die Drehzahl der Turbinen 108, 110 anspricht und ein Steuersignal erzeugt, das von der Differenz zwischen den D: anzahlen abhängig ist. Dieses Steuersignal öffnet jeweils dasjenige Steuerventil 114 bzw.116 oder vergrößert dessen öffnungsquerschnitt", das der Turbine 108 bzw. 110 mit der jeweils höheren Drehzahl zugeordnet ist. So wird die Turbine heruntergefahren, bis die Drehzahlen im wesentlichen gleich sind.

Die Steuereinrichtung 118 könnte stattdessen auch so ausgebildet sein, daß sie auf die Steuerventileinrichtung 114,116 so einwirkt, daß die Drehzahl der mit niedrigerer Drehzahl laufenden Turbine 108 bzw.110 ansteigt.

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Claims

Patentansprüche :

1J Gasturbinentriebwerksanlage mit einem Kompressor und einem Kern- ^~^^ reaktor, dem das vom Kompressor verdichtete Arbeitsmittel zwecks Erwärmung zugeführt wird, und mit einer Turbine, der das vom Kernreaktor erhitzte Arbeitsmittel zum Antrieb zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerventileinrichtung (26,114) in der Weise wirksam ist, daß ein Teil des vom Kompressor (l4,18,102) komprimierten Arbeitsmittels im Nebenschluß zum Kernreaktor (22,106) nach dem Einlaß der Turbine (24) und zwar in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Turbine (24,32,108,112) geführt wird.

2. Anlage nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet ,

daß die Turbine in Strömungsrichtung hintereinander eine Hochdruckturbine (24,105), die antriebsmäßig mit dem Kompressor (14, 18,102) verbunden, und eine Nutzleistungsturbine (32,112) aufweist, und daß die Steuerventilanordnung (26 und 114) auf die Drehzahl der Hochdruckturbine (24,108) anspricht·.

>. Anlage nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß ein weiterer Kompressor (104) parallel zu dem ersterwähnten Kompressor (102) vorgesehen ist, der Arbeitsmittel nach dem Kernreaktor (106) zwecks Erhitzung liefert, daß eine weitere Hochdruckturbine (110) antriebsmäßig mit dem weiteren Kompressor (104) verbunden ist und durch Arbeitsmittel angetrieben wird, das durch den Kernreaktor (106) erhitzt wird, wobei diese zusätzliche Turbine in Strömungsrichtung vor der Nutzleistungsturbine (112) liegt, und daß eine weitere Steuerventilanordnung (116) die Möglichkeit schafft, einen Teil des von dem weiteren Kompressor (104) komprimierten Arbeitsmittels im Nebenschluß am Kernreaktor (106) vorbei und nach dem Einlaß der weiteren Hochdruckturbine (110) zu überführen und zwar in Abhängigkeit von der Drehzahl der weiteren Hochdruckturbine (110).

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4. Anlage nach Anspruch J5,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (118,120,122) vorgesehen ist, die ein von der Differenz zwischen den Drehzahlen der Hochdruckturbinen (108,110) abhängiges Signal erzeugt, und daß dieses Signal die eine oder andere Steuereinrichtung (114 bzw.lli?) so einstellt, daß diese Differenz vermindert wird.

5. Anlage nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Steuerventil (26,114,116) verhindert, daß die Drehzahl der zugeordneten Hochdruckturbine (24,108,110) eine vorbestimrate Drehzahl überschreitet.

6.. Tyt-^igyy^Ani agf> nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Steuerventil (26) durch wenigstens zwei Drehzahlregler (j59) betätigt wird, die durch die jeweilige Hochdruckturbine (24) angetrieben werden.

7. Anlage nach den Ansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzei chnet , daß das oder jedes Steuerventil (26) auch auf die Drehzahl der Nutzleistungeturbine (32) und/oder die Belastung der Nutzleistungsturbine (22) anspricht.

8. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das oder Jedes Steuerventil (26) aus mehreren gleichzeitig betätigbaren Binzelventilen (28) beattit, die parallel zueinander geschaltet sind.

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