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Gleichdruckgasturbinenaggregat.
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dass bei solchen einfach wirkenden Turbinen infolge der festen Anordnung der Leit8chauf !'lkriinze die Spaltverluste so hoch werden müssen, dass mit einem befriedigenden thermodynamisehen Wirkungsgrad in einer solchen Turbine für den praktischen Betrieb nicht gerechnet werden kann.
Wird dagegen gemäss der Erfindung zur Ausnutzung des Wärmegefälles eine gegenläufige Radial-
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turbinen anhaftenden Mängel nicht ein. Vielmehr ergeben sich gerade für die hohen Temperaturgebiete, innerhalb welcher die Turbine zu arbeiten hat, folgende wertvolle Eigenschaften.
Der Eintritt der heissesten Treibmittel erfolgt in der Nähe der Turbinenwelle, also dort, wo die Schaufeln den geringsten Zentrifugalbeanspruehungen ausgesetzt sind. Infolge der hohen Umlaufgeschwindigkeit, die zwischen zwei benachbarten Sehaufelkränzen 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 gegen-
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meidbaren Spaltverluste ausmachen können.
Nun ist festgestellt worden, dass gegenläufige Radialüberdruckturbinen nicht nur einen sehr hohen thermodynamischen Wirkungsgrad-sogar bis 88% - gewährleisten, sondern auch, was für die Lösung des Gasturbinenproblems von Bedeutung ist, Eintrittstemperaturen vertragen, die von anderen Turbinen- gattungen, insbesondere einfach laufenden Radialturbinen, nicht aufgenommen werden können. Ohne Verwendung von besonders hitzebeständigem Material gebaute gegenläufige Radialturbinen haben einwandfrei bis zu 8000 abs. Eintrittstemperatur vertragen.
Es ist rechnerisch erwiesen, dass eine solche Turbine, der das erhitzte Arbeitsmittel mit 800-1000 abs. zugeführt wird, eine wirtschaftliche Durchführung des Gleichdruekverfahrens gewährleistet, u. zw. deshalb, weil in der Turbine ein thermodynamiseher Wirkungsgrad von wenigstens 80% siehergestellt ist.
Die Erfindung betrifft nun ein an sich bekanntes Gasturbinenaggregat mit einer Gasturbine, die mindestens einen Kompressor zum Verdichten des Treibmittels antreibt. Gemäss der Erfindung wird diese Gasturbine als mehrstufige radiale Reaktionsturbine ausgebildet, der das erhitzte Treibmittel mit 800-11000 C abs. zugeführt wird.
Vorzugsweise sind mehrere mehrstufige radiale Reaktionsturbinen vorgesehen, von welchen jede einen thermodynamischen Wirkungsgrad der inneren Leistung von wenigstens 80% besitzt.
Weitere die Erfindung kennzeichnende Merkmale werden an Hand der beigefügten Zeichnung beschrieben.
In der Zeichnung zeigt Fig. 1 ein aus zwei Teilen bestehendes Gasturbinenaggrfgat. Fig. 2 ein Gasturbinenaggregat, das mehrere Gasturbinen enthält.
In Fig. l bezeichnet 1 eine Radialturbine, welche in an sich bekannter Weise aus einer sich drehenden Turbinenseheibe mit Schaufeln für radiale Strömung des Treibmittels besteht. Das Treibmittel tritt in einen zentralen Raum 9 ein und durchströmt das Schaufelsystem in radialer Richtung zum Auslassteil innerhalb des Turbinengehäuses, um durch die Auslassleitung 5 anderen Verbrauchsstellen zugeleitet zu werden.
Die Turbine 1 ist auf derselben Welle angebracht wie ein Kompressor 2, welcher die auf hohen
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wird durch eine Leitung 6 dem Kompressor 2 entnommen und durch einen Erwärmungsapparat'1 geleitet, in welchem die Luft durch in ihr erfolgende, fortdauernde Verbrennung von durch eine Rohrleitung 8 zugeführtem Brennstoffe auf eine Temperatur erwärmt wird, für welche die Turbinen mit Rücksicht auf die Wärmebeständigkeit des Materials konstruiert sind. Die Leitung 11 verbindet den Erwärmung- apparat 7 mit dem zentralen Raum 9 in der Turbine.
Von der Turbine 1 wird ein gewisser Teil des Energiegehaltes der in der Leitung 11 befindlichen
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verbraucht. Die Auslassleitung 5 der Turbine 1 ist an die Anlassleitung der Turbine 12 angeschlossen.
Auch diese Turbine 12 ist eine Radialturbine nach dem Reaktionsprinzip. Diese Radialturbine enthält nach bekannten Grundsätzen für doppeltrotierende Radialturbinen zwei sieh in entgegengesetzten Richtungen drehende und auf je einer Welle angebrachte Turbinenrotoren. Auf der Welle des einen Turbinenrotors ist ein Kompressor 3 angebracht, während sich auf der Welle des andern Turbinenrotors ein zweiter Kompressor 4 befindet.
Der Kompressor 3 ist nach bekannten Grundsätzen ausgeführt, wobei die zu verdichtende Luft durch die Anlassleitung 1, 5 zugeführt und durch radial gestellte Schaufeln gezwungen wird, unter Verdichtung den Kompressor in Richtung der in der Zeichnung angegebenen Pfeile zu durchströmen. Der Kompressor 3 ist ein Niederdruckkompressor und steht durch eine Leitung 16 mit dem als Mitteldruckkompressor ausgebildeten Kompressor 4 in Verbindung. Der Kompressor 4 kann in ähnlicher Weise wie der Kompressor 3 ausgeführt sein, wird jedoch für höheren Druck und geringere Luftmenge gebaut. Der Auslass des Kompressors 4 steht durch eine Leitung 11 mit dem obenerwähnten Hochdruck-
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pressoren, jedoch mit abgeänderten Abmessungen ausgeführt werden.
Alle Kompressoren können mit einer Kühlvorrichtung für verdichtete Luft versehen werden, wie es beim Kompressor 3 angedeutet ist, bei dem durch Einspritzen von Wasser durch eine Leitung 20 Kühlwirkung erzielt wird.
Nachdem das Treibmittel die Gasturbine 1 : 3 durchströmt und deren Schaufelsystem einen Teil des restlichen Energiegehaltes abgegeben hat, wird es durch die Leitung 10 einer Turbine j ! 4 zugeführt, welche in diesem Falle dieselbe oder annähernd dieselbe Ausführung hat wie die Gasturbine 12.
Die Gasturbine. M arbeitet als Niederdruckturbine. Die Niederdruckturbine erhält daher andere Abmessungen auf Grund des grösseren Gasvolumens, das eine Folge der vor der Turbine 14 in den Turbinen 1 und 12 stattgefundenen Expansion ist. Die Turbine 14 arbeitet ebenfalls als Reaktionsturbine
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Das gesamte Gasturbinenaggregat besteht somit hauptsächlich aus zwei Teilen, von denen die
Turbinen 1 und 12 mit den von diesen Turbinen getriebenen Kompressoren 2, 3 und 4 das Kompressor- aggregat bilden, während die Turbine 14 mit den zugehörigen elektrischen Generatoren 18 und 19 den effektive Leistung abgebenden Aggregatteil des Gasturbinenaggregates bilden.
Dadurch, dass man diese verschiedenen Aggregatteile voneinander trennt, kann man auch bei andern von Normallast abweichenden Belastungen die den verschiedenen Teilen zugehörigen Gasturbinen für verschiedene Leistungen regeln. Das KompressoraggKgat soll nämlich annähernd eine solche Menge
Gas von bestimmtem Druck erzeugen, die benötigt wird, damit die Menge des gesamten Energiegehaltes in den Gasen, nachdem diese auf die höchste für den Bestand des Aggregates zulässige Temperatur ererwärmt sind, der Belastung des effektive Leistung abgebenden Teiles entspricht.
Das in Fig. 2 dargestellte Turbinenaggregat enthält ebenfalls drei in Reihe geschaltete Kompressoren 3, 4 und 2. Die zu verdichtende Luft tritt in diesem Fall durch eine Anlassleitung 15 ein und wird durch die Leitung 16 vom Niederdruckkompressor . 3 zum Mitteldruckkompressor 4 geleitet. Der Mitteldruekkompressor 4 steht mit dem Hoehdruckkompressor 2 durch eine Leitung 17 in Verbindung. Die endgültig verdichtete Luftmenge wird durch die Leitung 6 dem Kompressor 2 entnommen und einem Rekuperator oder Regenerator : M zugeführt, in welchem die verdichtete Luft in später noch zu beschrei- bender Weise erwärmt wird.
Durch die Leitung 22 wird Gas zum Erwärmungsapparat 7 geleitet, in dem es wie oben bereits angeführt, durch innere Verbrennung auf die Temperatur erwärmt wird, für welche die Turbinen ausgeführt sind. Durch die Leitung. H wird das Treibmittel einer Turbine 1 des oben beschriebenen Reaktionstyps zugeführt, in welcher das Gas sowohl Wärmcgefälle als auch Expansion erfährt. Die Turbine 1 ist auf derselben Welle angebracht wie der von ihr getriebene Hochdruckkompressor 2. Durch eine Leitung 6 wird das Treibmittel von der Turbine 1 zn einer Turbine 2. 3 geleitet. Vorher ist das Gas im Apparat 24 wieder erwärmt worden. Dieser Wiedererwärmungsapparat hat dieselbe Ausführung wie der Apparat 7.
Das durch die Leitung zugeführte Gas verbrennt unter Aufnahme von Sauerstoff in
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dass der gesamte Sauerstoffgehalt genügend ist, um die Verbrennung sowohl im Apparat 7 als auch im Apparat 24 zu unterhalten. Der Luftüberschuss ist bei dieser Ausführungsform so gross, dass der Sauerstoff in der Luft auch für mehrere Wiedererwärmungen des Gases ausreichend ist, wie es nachstehend
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In der Leitung 25, welche den Auslass der Turbine 23 mit dem Anlass der Turbine 23 (t verbindet, befindet sich ein Wiedererwärmungsapparat 26. Sowohl die Turbine 23 (t als auch die Turbine 23 sind auf derselben Welle angebracht wie ein von ihnen getriebener Generator 21.
Eine Leitung 28 verbindet den Auslass der Turbine 23 (t mit dem Anlass einer Turbine 29. Auch in dieser Verbindungsleitung 28 ist ein Wiedererwrmungsapparat 30 vorgesehen. Die Turbine 29 treibt den Mitteldruckkompressor 4 und diese beiden Apparate 29 und 4 sind auf derselben Welle angebracht.
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Apparat 21 kann beliebiger Ausführungsform sein und einen Luftvorwärmer vom rekuperativen Typ bilden,
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Auch in dieser Asuführungsform besteht das gesamte Gasturbinenaggregat aus zwei voneinander getrennten Aggregatteilen, von denen der eine Aggregatteil das Kompressoraggregat bildet und der andere Aggregatteil zum Erzeugen von effektiver Leistung dient.
In diesem Falle enthält das Aggregat mehrere kleinere Turbinen, damit das Gas mehrere aufeinander folgende Erwärmungen erfahre, wodurch eine bessere Energieausnutzung erzielt werden kann. Auch bei dieser Ausführungsform können somit die verschiedenen Aggregatteile für einander verschiedene Leistungen und verschiedene Drehzahlen getrieben werden, so dass jeder Aggregatteil nur die Leistung abgibt, welehe im Verhältnis zum andern Teil erforderlich ist.
Gemäss den oben beschriebenen Ausführungsformen sind sämtliche Turbinen als Reaktionsturbinen ausgeführt gedacht. Bei Verwendung von Turbinen dieses Typs sind nicht so hohe Temperaturen notwendig, wie sie für frühere Ausfhrungsformen vorgeschlagen sind, sondern es können bedeutend niedrigere Temperaturen verwendet werden. Insbesondere, wenn die Sehaufelsysteme für radiale Strömung des Treibmittels ausgebaut werden, kann der gewünschte hohe. Wirkungsgrad der Turbinen erreicht werden.
Früher sind keine Turbinen vom Eeaktionstyp verwendet worden, sondern man hat versucht, den Effektgehalt in einer gewissen Gasmischung durch Turbinen mit nur einem Schaufelkranz auszunutzen, wobei vorgeschlagen wurde, diese Turbinen mit besonders hohen Temperaturen arbeiten zu lassen.
Auch bei so hohen Temperaturen wie 12000 abs. nach der Verbrennung und 800 abs. End-
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Wirkungsgrad.
Tabelle I.
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Turbinenwirkunsgrad <SEP> ..... <SEP> % <SEP> 40 <SEP> 50 <SEP> 60 <SEP> 70 <SEP> 80 <SEP> 90
<tb> Effektive <SEP> Leistung <SEP> ....... <SEP> kW <SEP> -3300 <SEP> -200 <SEP> -700 <SEP> +600 <SEP> +2000 <SEP> +3300
<tb> Thermischer <SEP> Wirkungsgrad <SEP> % <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> . <SEP> 4 <SEP> 12 <SEP> 20
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Aus dieser Tabelle ist ersichtlich, dass für Turbinenwirkungsgrade unter 80% eine derartige Anlage vollkommen unwirtschaftlich ist und dass erst bei 90% Turbinenwirkungsgrad die Anlage wirtschaftlich verwendbar ist. Die entsprechende Gasturbine mit nur einem Schaufelkranz und 1000@ abs. Tem- peratur ergibt nur 6% thermischen Wirkungsgrad sowie 1300 kW.
Wahrscheinlich kann man in allernächster Zeit eine Temperatur von 1000 abs. verwenden, welche in der chemischen Industrie bereits zur Verwendung gekommen ist. Bei dieser Temperatur wird mit 80 bzw. 90% Turbinenwirkungsgrad die Leistung 4700 bzw. 6400 kW und der thermische Wirkungsgrad 21#5 bzw. 29%. Wird ein Regenerator verwendet, so wird der Wirkungsgrad natürlich noch höher.
Für eine Gasturbinenanlage mit Wassereinspritzung gehen die entsprechenden Zahlen aus Tabelle II hervor.
Tabelle II.
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Turbinenwirkunsgrad <SEP> ..... <SEP> % <SEP> 40 <SEP> 50 <SEP> 60 <SEP> 70 <SEP> 80 <SEP> 90
<tb> Effektive <SEP> Leistung <SEP> ....... <SEP> kW <SEP> -40 <SEP> 2400 <SEP> 5000 <SEP> 7500 <SEP> 10200 <SEP> 12800
<tb> Thermischer <SEP> Wirkungsgrad <SEP> % <SEP> - <SEP> 4 <SEP> 9 <SEP> 13 <SEP> 18 <SEP> 22
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Aus dieser Tabelle ist ersichtlich, dass Turbinenwirkungsgrade unter 80% wenig wirtschaftlich sind. Erst wenn der Wirkungsgrad der Turbine 80% übersteigt, wird ein thermischer Wirkungsgrad sowie eine effektive Leistung erreicht, die genügend gross sind, um eine derartige Anlage für bestimmte Zwecke, z. B. für Spitzenbelastungsaggregate, konkurrenzfähig zu machen.
Untersucht man nämlich die Herstellungskosten für eine derartige Anlage, so findet man, dass diese bedeutend niedriger sind als für eine entsprechende Dampfkraftanlage. Hieraus folgt, dass eine Gasturbinenanlage bei Anlagen mit kurzer Ausnutzungszeit vorteilhafter ist.
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getrennten Aggrfgatteilen, wobei der eine Aggregatteil ausschliesslich zur Abgabe von effektiver Leistung und der andere ausschliesslich zur Verwendung bei Betrieb von Kompressoren bestimmt ist.
Natürlich kann auch derjenige AggKgatteil. der hauptsächlich effektive Leistung abgeben soll, Kompressoren und der Aggregatteil, der hauptsächlich Kompressoren treiben soll, auch Generatoren zur Abgabe von effektiver Leistung enthalten, doch können die oben beschriebenen Ausführungsformen
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aggregat zugehörigen Gasturbinen verändert werden.
Im vorstehenden ist ausgeführt, weshalb Gasturbinen von bisher üblichem System nicht wirt-
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verfügbar sein wird.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Gleiehdruckgasturbinenaggregat mit einer Gasturbine, die mindestens einen Kompressor zum Verdichten des Treibmittels antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine als mehrstufige radiale Reaktionsturbine ausgebildet ist und das erhitzte Treibmittel der Turbine mit 800 bis 1100 C abs. zugeführt wird.