DE3701519A1 - Verfahren zur herstellung einer gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gasturbinen und insbesondere von kleinen Gasturbinen zur Erzeugung von Heißgasen, Preßluft, Energie oder irgendeine Kombination für industrielle, landwirtschaftliche, bautechnische oder Noteinsätze.

Gasturbinen gibt es in vielen Formen und für viele Zwecke. Die am meisten bekannten beiden Arten sind Düsenantriebe und Turbinen zur Erzeugung von mechanischer Leistung. Diese Turbinenantriebwerke werden heutzutage hauptsächlich für die Luftfahrt und für militärische Zwecke gebaut, sind daher auf einen sehr hohen Standard gebracht und werden nur in relativ kleinen Serien hergestellt.

Infolge dieser Situation sind Turbinentriebwerke so kostspielig, daß sie sich für die meisten zivilen und industriellen Märkte verbieten. Dementsprechend werden heutzutage, abgesehen von einigen wenigen Reserve- und Notaggregaten in Kraftwerksbetrieben derartige Turbinen in zivilen Anlagen nicht in ausgedehntem Maße eingesetzt. Bei Leistungen von unter 100 PS, für welche das Militär fast keine Verwendung hat, besteht ein akuter Mangel an Gasturbinen, und in dieser Größenordnung wäre ein ziviler Einsatz durchaus erwünscht.

Unter diesen Konstruktions- und Verwendungsbedingungen von Gasturbinen war der Bau und der Einsatz von kleinen Aggregaten oder Einheiten von vornherein aus wirtschaftlichen Gründen ausgeschlossen.

Technische Probleme verursachen eine Abnahme der mechanischen Leistungsfähigkeit von Gasturbinen in Bezug auf ihre Abmessung. Ganz allgemein kann gesagt werden, daß kleine Turbinen weniger wirksam sind als große Turbinen der gleichen Type. Neben ihrer Verwendung als Antriebsmaschinen, für welche sie infolge ihrer Kleinheit ziemlich uneffizient sind, können Gasturbinen jedoch eine Reihe anderer Aufgaben erfüllen. So ist beispielsweise ihr Wirkungsgrad als Heißgasgeneratoren sehr hoch, während sie auch für andere Zwecke wie beispielsweise Gebläse, Kompressoren, kombinierte Heizer und Kompressoren sowie viele andere Einsatzzwecke durchaus geeignet sind. Auf dem Gebiet dieser Aufgaben können Gasturbinen infolge ihrer Kompaktheit, ihres hohen Leistungsgrades, ihrer Zuverlässigkeit und ihrer langen Lebensdauer kombiniert mit ihrer Fähigkeit, mit mehreren Kraftstoffen angetrieben werden zu können, eine attraktive alternative Lösung gegenüber bereits bestehenden Anlagen ergeben.

Aus all′ diesen Gründen wäre es äußerst erwünscht, kleine Gasturbineneinheiten, insbesondere für die Erzeugung von Heißgasen für industrielle Zwecke zur Verfügung zu haben, welche in zweckmäßigen großen Serien zu vertretbaren Kosten bei jederzeitiger Bereitstellung von Ersatzteilen herstellbar sein sollten.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren anzugeben, mittels welchem preiswerte Gasturbinen herstellbar sind, indem eine Konstruktion vorgesehen wird, welche zur Herstellung einer vielseitig verwendbaren Zusammensetzung von Gasturbinen aus in großen Mengen hergestellten Standardbauteilen, sogenannten Modulen, geeignet ist.

Gekennzeichnet ist das erfindungsgemäße Verfahren im wesentlichen dadurch, daß die einzelnen Bauteile einer Gasturbine als Module vorgefertigt werden und dann entsprechend dem Bedarfsfall und dem Einsatzzweck der fertigen Turbine durch Verbindungsleitungen entsprechender Länge und Art miteinander verbunden werden.

Auf diese Weise wurde eine überraschend einfache, jedoch wie eingehende Untersuchungen gezeigt haben, durchaus zufriedenstellende Lösung gefunden, um Gasturbinen kleiner oder mittlerer Leistung in einer Weise herzustellen, welche die serienmäßige Herstellung der einzelnen Bauteile der Turbinen ermöglicht und dadurch nicht nur die ursprünglichen Kosten einer Turbinenanlage beträchtlich herabsetzt, sondern auch die Möglichkeit ergibt, innerhalb kurzer Zeit nach Eingang eines Lieferauftrages ab Lager eine Gasturbine in der jeweils gewünschten Ausführung liefern zu können.

Die Erfindung schlägt also vor, mehrere Module, deren jedes in einigen Standardabmessungen hergestellt werden kann, herzustellen und diese Module anschließend bei Bedarf zusammenzubauen, um eine Gasturbinenanlage zu bilden, welche den Anforderungen eines individuellen Einsatzfalles entspricht.

Die Hauptmodule, welche zusammengebaut das gewünschte Gasturbinenaggregat bilden würden, sind:

• a) das Verbrennungsmodul,
• b) das Turbomodul,
• c) das Versorgungsmodul, und
• d) das Steuermodul.

Diese vier Module werden durch geeignete Verbindungsleitungen einschließlich der Brennstoffleitungen miteinander verbunden ebenso wie durch elektrische Leitungen und die erforderlichen mechanischen Verbindungen und Befestigungsorgane.

Das Verbrennungsmodul soll mit Brennstoff und Luft gespeist werden und besitzt eine Lufteinlaßöffnung und eine Luftauslaßöffnung für die Verbrennungsgase, wobei dieses Modul so weit fertiggestellt wird, daß die für den jeweiligen Zweck erforderlichen Verbindungsleitungen angeschlossen werden können.

Das Turbomodul soll die erzeugte Energie an den durch den Kompressor strömenden Luft- oder Gasstrom übertragen.

Die Grundidee der Erfindung beruht daher darin, die Turbine nicht länger als eine kompakte, sozusagen in sich geschlossene Einheit zu bauen, sondern sie aus einzelnen Bauteilen zusammenzusetzen, welche je nach Bedarf durch geeignete Verbindungsleitungen verbunden werden.

Auf diese Weise können die Bauteile einer Gasturbine in einigen Standardabmessungen hergestellt und auf Lager gehalten werden, um bei Anforderung zusammengebaut und miteinander verbunden zu werden. Selbstredend würde ein derartiger Zusammenbau nur einen geringen Bruchteil der Zeit benötigen, im Vergleich mit dem herkömmlichen Verfahren, die Bauteile zu bauen und gleichzeitig zusammenzusetzen.

Die Erfindung liefert daher einen Komplex aus Grundmodulen, welche durch Verbindung mittels standardisierter Leitungen wie noch zu beschreiben sein wird, in verschiedene Gasturbinen- Anlagen eingegliedert werden können.

Jedes Modul steht frei und ist in sich abgeschlossen, was bedeutet, daß es ungeachtet seiner geometrischen oder physikalischen Stellung gegenüber anderen Teilen der Maschine seine ihm übertragenen Funktionen durchführen kann, so lange es durch Verbindungsleitungen mit den anderen Modulen der Maschine richtig verbunden ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert, welche die verschiedenen Module in rein schematischer Weise darstellen; es zeigt

Fig. 1 das Verbrennungsmodul;

Fig. 2 das Versorgungsmodul;

Fig. 3 das Turbomodul;

Fig. 4 das Steuermodul;

Fig. 5 das turbomechanische Modul;

Fig. 6 das Wärmetauschermodul;

Fig. 7 das zusätzliche Mischmodul;

Fig. 8 das Anlaßmodul;

Fig. 9 eine Aufstellung der grundlegenden Leitungen;

Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel eines Heißgasgenerators;

Fig. 11 ein Ausführungsbeispiel eines Turboluftkompressors; und

Fig. 12 eine Gasturbine zur Erzeugung mechanischer Energie.

Das Verbrennungsmodul 12 soll Luft und Brennstoff aufnehmen und entsprechend den empfangenen Signalen die Verbrennungsgase erzeugen.

Das Verbrennungsmodul besteht aus einer Brennkammer 1 in einem Druckbehälter 1′, mit einem Anschluß 2 für die einströmende Luft und einem Anschluß 3 für die ausströmenden Verbrennungsgase. Das Verbrennungsmodul ist mit einer Zündeinrichtung 4, mit Einrichtungen 5 zum Einblasen oder Einbringen von Brennstoff und mit Brennstoffsteuerventilen 6 ausgestattet. Das Brennstoffsteuerventil 6 ist mit geeigneten Brennstoff- Zuleitungen 7 und mit Brennstoffsignalanschlüssen 8 ausgerüstet. Die Zündeinrichtung besitzt Anschlüsse 9 für die Versorgung mit Zündstrom. Das Modul kann mit Aufspann- Vorrichtungen oder Ständern 13 versehen werden, falls dies erwünscht ist. Anschlüsse 14 zum Messen des Druckes und der Temperatur sind wahlweise vorgesehen.

Die Aufgabe des Versorgungsmoduls 40 besteht darin, Öl, Brennstoff und Elektrizität über entsprechende Anschlüsse aufzunehmen und den anderen Modulen entsprechend den Betriebsbedingungen zuzuführen.

Das Versorgungsmodul besteht aus folgenden zusammengebauten Systemen wie der Brennstoffversorgung, der Ölversorgung, der Zündung und dem Modulantrieb.

Zusätzliche Versorgungssysteme 17 und Verbindungen 18 können wahlweise vorgesehen werden. Das Brennstoffversorgungssystem besteht aus einem Brennstoffeinlaß 20, einem Brennstoff- Filter 21, einer Brennstoffpumpe 22, einem Druckregler 23 für den Brennstoff, der Rücklaufleitung 24, einem Druckmesser oder Druckwandler 25 und Brennstoffdruckauslässen 26.

Das Ölversorgungssystem besteht aus einem Öleinlaß 27, einer Ölpumpe 28, einem Filter 29, einem Öldruckregler 30, einem Ölrücklauf 31, einem Druckmesser oder Druckwandler 32, einem Ölhochdruckanschluß 33 und einem Ölniederdruckanschluß 34.

Das Zündsystem besteht aus einem Stromanschluß 35, einem Zündgenerator 36 und einem Zündkabel 37.

Der Modulantrieb 38 liefert mechanische Energie für die Pumpen 22 und 28 und für den Zündgenerator 35. Wahlweise kann das Versorgungsmodul auch einen Öltank 39 einschließen, was jedoch nicht unbedingt erforderlich ist. Der Antrieb 38 ist mit einer Energieverbindung 15 und einer Steuerverbindung 16 ausgestattet. Das in Fig. 3 dargestellte Turbomodul 55 hat die Aufgabe, entsprechend dem Bedarf der Maschine einen Teil oder die Gesamtheit der Turbinengasenergie an die oder das durch den Kompressor strömende Luft oder Gas zu übertragen. Das Turbomodul besteht aus dem Kompressorrad 54 und dem Turbinenrad 41, welche durch eine in Lagern 43 laufende gemeinsame Welle 42 verbunden sind. Das Gehäuse 51 und das Turbinengehäuse 52 sind durch ein Lagergehäuse 44 miteinander verbunden.

Das Turbomodul ist mit einem Kompressoreinlaß 45, einem Kompressorauslaß 46, einem Einlaß für die Turbinengase 47, einem Auslaß 48 für die Turbinengase, einem Öleinlaß 49 und einem Ölauslauf 50 ausgestattet. Das Lagergehäuse 44 kann wahlweise mit Ständern 46 versehen sein.

Teilweise können Anschlüsse 53 für einen Drehzahlmeßwertgeber und Anschlüsse 54 für Meßwertgeber für den Einlaß und Auslaß der Turbine vorgesehen werden.

Das Steuermodul 57 enthält alle Steuersysteme, welche für den Betrieb der Maschine erforderlich sind, und ist mit geeigneten Signal(eingangs)- und Steuer(ausgangs)anschlüssen versehen. Zusätzlich besitzt das Steuermodul Steuerverbindungen, von Hand betätigbare Schalter, Potentiometer und Ventile oder fernbetätigbare geeignete Ein- und Ausgabeinterfaces sowie die erforderlichen Meß- und Anzeigegeräte. Zusätzlich besitzt das Steuermodul automatische Sicherheitsschaltungen für die Übersteuerung, für die Überdrehzahl, Übertemperatur, für niedrigen Öldruck usw. Die grundlegenden Funktionen des Steuermoduls sind Start-Stop, Brennstoff- und Energiesteuerung, Steuerung des Ölsystems, Steuerung des Zündsystems.

Das turbomechanische Modul 72 hat die Funktion, entsprechend den Anforderungen der Maschine einen Teil oder die Gesamtheit der Energie der durch die Turbine strömenden Gase an die mechanische Verbindung 61 zu übertragen. Das turbomechanische Modul besteht aus der Gasturbine 60 und der mechanischen Verbindung 61.

Die Gasturbine besteht aus einem Turbinenrad 61, dem Turbinengehäuse 62, dem Anschluß 63 für den Einlaß der Turbinengase, dem Anschluß 64 für die ausströmenden Turbinengase, die Turbinenwelle 65, die Turbinenlager 66 und dem Lagergehäuse 67. Wahlweise können eine mechanische Übertragung 68 und Aufbauständer 69 vorgesehen werden. Das Lagergehäuse 67 und die mechanische Übertragung 68 sind mit Ölzuläufen 71 ausgestattet.

Das veränderbare Wärmetauschermodul 90 hat die Funktion, entsprechend der Anforderung der Steuermodule, veränderbar von den Heizmedien Wärme an die erhitzten Medien zu übertragen. Das Wärmetauschermodul besteht aus einem geeigneten Wärmetauscher mit einem Ventil 81 und einem Steuerbypaß 82.

Das Modul ist mit geeigneten Anschlüssen 83, 84 für die erhitzten Medien bzw. für die Heizmedien, mit Auslaßanschlüssen 85, 86 für erhitzte Medien bzw. Heizmedien, mit geeigneten Anschlüssen für Temperaturmeßwertgeber 87, einem Anschluß 88 für ein Ventilsignal und einem Anschluß 89 für die Ventilbetätigung ausgestattet.

Das zusätzliche Mischmodul 97 hat die Funktion, den durch das Modul strömenden Gasen Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe, welche vom Versorgungsmodul zugeführt werden, in den vom Steuermodul vorgesehenen Mengen und Zuständen zuzusetzen und beizumischen.

Das zusätzliche Mischmodul besteht aus der Mischkammer 91 mit einem Gaseinlaß 92, einem Gasauslaß 93 und Einspritz- Einrichtungen 94. Die Einspritzeinrichtungen besitzen jeweils eine Zuleitung 95 und eine Steuerleitung 96.

Das in Fig. 8 dargestellte Anlaßmodul 108 soll beim Anlauf Luft durch die Maschine hindurchpumpen, um entsprechend den Befehlen des Steuermoduls 57 die Maschine auf die Betriebs- und sich selbst erhaltenden Parameter zu bringen.

Das Anlaßmodul ist eine kleine Gasstrahlpumpe mit einem Lufteinlaß 100, einem Luftauslaß 101, einem Gaseinlaß 102, einer Gasdüse 103, einer Mischkammer 104, einem Diffusor 105 und einem Gasventil 106 mit einer Steuerleitung 107.

Die grundlegenden Leitungen sind unter Angabe ihrer schematischen Bezeichnung in Fig. 9 aufgelistet.

Wie bereits erwähnt, werden erfindungsgemäß Gasturbinenanlagen durch Verbindung von Grundmodulen mit Grundleitungen hergestellt. Die Abmessung, Länge und Form der Leitungen sind erfindungsgemäß nicht begrenzt, sobald sich in diesen Leitungen zwischen ihrem Auslaß und ihrem Einlaß keine wahrnehmbare Veränderung in den physikalischen Parametern des Mediums ergibt.

Grundmodule und Grundleitungen werden in wenigen Abmessungen mit unterschiedlichen Standardleistungen gebaut. Module mit gleicher Funktion und gleicher oder unterschiedlicher Abmessung können durch Grundleitungen parallel zueinander verbunden werden und arbeiten dann als ein größeres Modul der gleichen Funktion. Auf diese Weise können Gasturbinen- Anlagen praktisch jeglicher Abmessung und Ausbildung aus einigen wenigen unterschiedlich bemessenen Grundmodulen und Leitungen aufgebaut werden. Wie bereits erwähnt, ist die geometrische Beziehung und die Position zwischen den einzelnen Modulen für die Funktionsweise der Module nicht wichtig, so lange die Module durch die richtigen Verbindungen richtig miteinander verbunden sind.

Diese einzigartige Eigenheit der Erfindung ist von äußerster Wichtigkeit insbesondere in wirtschaftlicher Hinsicht und in Bezug auf die Produktion. Es wird auf diese Weise möglich, Grundmodule in einer begrenzten Anzahl von Abmessungen in großer Menge, schnell und bei geringsten Kosten herzustellen. Gleichzeitig ermöglicht es die Erfindung, aus diesen Bauteilen Gasturbinenanlagen in praktisch unbegrenzter Anzahl von Typen und Abmessungen auszuwählen.

Die besonderen Vorteile der Erfindung sollen nachstehend anhand einiger weniger möglicher Ausführungsbeispiele erläutert werden.

Ein erstes Ausführungsbeispiel ist schematisch in Fig. 10 dargestellt.

Fig. 10a zeigt dabei die Module mit den in der vorstehenden Erläuterung angegebenen Symbolen und ihre Verbindung durch grundlegende Leitungen.

Die Abmessung, die Länge und Form der Leitungen sind erfindungsgemäß nicht begrenzt, so lange sich keine wahrnehmbare Veränderung in den physikalischen Parametern des durch die Leitung zwischen seinem Eingangs- und Ausgangsende übertragenen Medium ergibt.

In der nachstehenden Beschreibung sind das Versorgungsmodul und das Steuermodul fortgelassen, da sie gemäß einer einzigartigen Möglichkeit der Erfindung an verschiedenen Stellen eingebaut werden können.

In Fig. 10 tritt die Umgebungsluft in das Turbomodul über den Moduleinlaß 110 ein und verläßt den Auslaß des Modulkompressors in 112. Zwischen dem Auslaß 112 und dem Einlaß 113 durchströmt die Luft das Anlaßmodul 111. Die Luft wird im Verbrennungsmodul erhitzt, in welchem Brennstoff verbrannt wird, der über den vom Ventil 114 gesteuerten Injektor zugeführt und durch die Zündeinrichtung 116 gezündet wird. Heißluft und Verbrennungs- Produkte verlassen das Verbrennungsmodul über die Auslaßleitung 118 und strömen zum Einlaß des Turbomoduls.

Heißluft und Verbrennungsprodukte treiben das Turbinenrad des Turbomoduls an, welches seinerseits das Kompressorrad des Turbomoduls antreibt. Auf diese Weise entsteht durch Verbindung von fünf Grundmodulen eine als Heißgasgenerator arbeitende Gasturbinenanlage. Die heiße Luft und die Verbrennungsprodukte strömen vom Gasgenerator zum zusätzlichen Mischmodul 124 und werden dort entsprechend den Befehlen des Steuermoduls konditioniert. Auf diese Weise entsteht ein Generator für heiße konditionierte Gase.

Wenn das Mischmodul durch ein Turbomodul und seine Ölleitungen und eine Luftleitung ersetzt wird, wird diese Anlage in ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in einen Turboluftkompressor umgewandelt.

Diese Maschine ist in Fig. 11 schematisch dargestellt und arbeitet genau wie die vorbeschriebene mit Ausnahme dessen, daß die Verbrennungsgase geteilt werden und an zwei Turbomodule statt an ein einziges weitergeleitet werden. Das eine der Turbokompressormodule arbeitet wie vorher, wobei der Unterschied darin besteht, daß ein Teil der komprimierten Luft in den Lufteinlaß des zweiten Turbokompressormoduls über geeignete Luftleitungen eingeleitet wird. Der von seiner Turbine angetriebene Kompressor des zweiten Turbomoduls komprimiert die vom ersten Turbokompressor herkommende Luft nochmals. Auf diese Weise entsteht durch Zusatz eines Grundmoduls und einiger weniger Grundleitungen eine andere Maschine, und zwar ein Turboluftkompressor mit Selbstantrieb. Durch Zusatz eines turbomechanischen Moduls zu dem in Fig. 10 dargestellten und beschriebenen System, entsteht eine weitere Maschine, und zwar ein Gasturbinenmotor, welcher mechanische Leistung abgibt. Dies ist ein drittes mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 12 zeigt diese Maschine in schematischer Darstellung, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel ein Teil der Verbrennungsgase, die in der gleichen Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel erzeugt werden, durch entsprechende Verbindungsleitungen einem Gasturbineneinlaß des turbomechanischen Moduls zugeleitet werden. Die Energie dieser übertragenen Gase wird ihnen vom Turbinenrad 61 des turbomechanischen Moduls entzogen, in mechanische Energie umgewandelt und durch die Turbinenwelle 60 an den mechanischen Anschluß 61 übertragen.

In Fig. 12 ist die mechanische Verbindung außerdem an ein Untersetzungsgetriebe und einen mechanischen Energiekonverter als weitere Möglichkeit angeschlossen.

Aus vorstehenden Darlegungen zeigt sich, daß durch Einbringen von Modulen und Verbindungsleitungen sich die Möglichkeit ergibt, die einzelnen Teile in großen Serien herzustellen und auf Lager zu legen und dann bei Bedarf entsprechend den jeweils geforderten Betriebsbedingungen zusammenzubauen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung einer Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Bauteile einer Gasturbine als Module vorgefertigt werden und dann entsprechend dem Bedarfsfall und dem Einsatzzweck der fertigen Turbine durch Verbindungsleitungen entsprechender Länge und Art miteinander verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Module entsprechend dem weiteren Gebrauch der Turbine zueinander und voneinander entfernt angeordnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbrennungsmodul, ein Turbomodul und ein Versorgungsmodul miteinander verbunden werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß den drei Modulen noch ein Steuermodul hinzugefügt wird.