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Betriebsverfahren und Einrichtung für Gasturbinen.
Den Gegenstand der Erfindung bildet ein Betriebsverfahren bzw. eine Einrichtung für Gas- turbinen, wodurch die dem gasförmigen Arbeitsmittel zugeführte Wärme bei verhältnismässig niedrigem
Herstellungspreis der Einrichtung unter Verwendung der zurzeit zur Verfügung stehenden Baustoffe mit gutem wirtschaftlichem Wirkungsgrad in Arbeit umgewandelt werden kann. Die für Gasturbinen bis heute vorgeschlagenen Einrichtungen und Betriebsverfahren waren ohne Ausnahme mit dem Nachteil behaftet, dass ein annehmbarer Wirkungsgrad nur mit einer selbst theoretisch sehr hohen Temperatur und bei den mit konstantem Druck arbeitenden Vorschlägen nur mit einem sehr grossen Höchstdruck und einer sehr hohen Temperatur erzielt werden kann.
Die hohe Temperatur stellt strenge Anforderungen an die zu verwendenden Baustoffe und der hohe Druck verlangt teuere und schwere Konstruktionen mit gesteigerter Widerstandsfähigkeit.
Bei den mit konstantem Druck arbeitenden Vorschlägen ist die hohe Temperatur deshalb notwendig, weil der Wirkungsgrad des für die Turbine das Gas verdichtenden Kompressors sowie jener der mit dem heissen Gas betriebenen Turbine nicht befriedigend war. Aus diesem Grunde war es vorteilhaft, den Arbeitsbedarf des Kompressors in bezug auf den Arbeitsbedarf der Turbine niedrig zu halten, damit der Unterschied zwischen der Arbeitsleistung der Turbine und dem Arbeitsbedarf des Kompressors welcher der Nutzarbeit verhältig ist, jeweils grösser werden kann. Da bei den mit konstantem Druck arbeitenden Turbinen die Turbinenleistung bzw. der Arbeitsbedarf des Kompressors den in denselben herrschenden absoluten Temperaturen verhältig ist, war es unerlässlich, die in der Turbine herrschende Temperatur gegenüber der im Kompressor herrschenden Temperatur möglichst hoch zu wählen.
Der hohe Druck war aus dem Grunde erforderlich, da bei den bisherigen Vorschlägen die Zurückgewinnung der Wärme der die Turbine verlassenden Gase (Regeneration, Rekuperation) zur Vorwärmung der in die Turbine eintretenden frischen Gase nicht in hinreichendem Masse verwendet wurde. Die Wärme der die Turbine durchströmenden hocherhitzte Gase konnte schliesslich nur auf die Weise befriedigend ausgenutzt werden, dass diese Gase in der Turbine in grossem Masse expandieren und sich demzufolge abkühlen konnten, damit dieselben die Turbine mit einer verhältnismässig niedrigen Temperatur verlassen können. Dieser Umstand musste aber auch auf die angewendete Höchsttemperatur zurückwirken, da in der Turbine eine hohe durchschnittliche Temperatur nebst einer niedrigen Austrittstemperatur nur bei einer sehr hohen Höchsttemperatur erreicht werden konnte.
Das den Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren und die Einrichtung beseitigt die eingangs erwähnten Nachteile und ermöglicht die Anwendung einer solchen Gasturbine, in welcher der herrschende Höchstdruck und die Höchsttemperatur niedrig, dabei der Wirkungsgrad befriedigend und die Herstellungskosten ermässigt sind. So erreicht z. B. eine mit einem Überdruck von 2 Atm. als Höchstdruck arbeitende erfindungsgemässe Gasturbine, in welcher die Höchsttemperatur nur 450 C beträgt, unter Berücksichtigung der sämtlichen Verluste einen Gesamtwirkungsgrad von 30-40 v. H. Bei Verwendung einer höheren Temperatur wird dieses Resultat noch besser.
Der Erfindungsgegenstand erreicht dies dadurch, dass 1. zur Abkühlung der die Turbine verlassenden Abgase und zur Vorwärmung der verdichteten Frisehgase ein solcher vollkommener Wärmeaustauscher (Regenerator) verwendet wird, welcher zufolge seiner billigen, leicht zu verwirklichenden Ausführung die Möglichkeit bietet, dass die Temperatur der in die Turbine eintretenden Gase der Temperatur der die Turbine verlassenden Gase und die Temperatur der den Regenerator verlassenden Abgase der Temperatur der in den Regenerator eintretenden Frischgase sehr nahegebracht werden
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kann.
Aus diesem Grunde ist es nicht nötig, eine grosse Druckstufe zu verwenden, sondern ist ein niedrigerer Druck auch hinreichend und sogar vorteilhaft, 2. ein solcher Kompressor verwendet wird, dessen Wirkungsgrad sehr gut ist, und welcher geeignet ist, die komprimierten Gase mit dem bei der kleinen Druckstufe erforderlichen grossen Rauminhalt, ohne Erhöhung des Herstellungspreises, zu fördern. Der Kompressor ist (zur Unterscheidung von die Liderungselemente beanspruchenden Kompressoren) vorteilhaft ein solcher umlaufender aerodynamischer Kompressor, bei welchem die Durch- strömungsgeschwindigkeit der Gase gross ist, weshalb die Abmessungen des Kompressors verhältnismässig klein sind.
Die grosse Durchströmungsgeschwindigkeit wird ohne Verschlechterung des Wirkungsgrades dadurch ermöglicht, dass der Kompressor mehrstufig ist und die Sehaufelkränze desselben in den hintereinanderfolgenden Druckstufen in bezug auf einander so ausgebildet sind, dass der Halbmesser eines (umlaufenden oder stehenden) Schaufelkranzes angenähert oder genau dem Mittelwert der Halbmesser der unmittelbar benachbarten zwei Schaufelkränze bzw. der benachbarten Druckstufen gleich ist, so dass im Kompressor wegen seiner konstruktiven Ausbildung zufolge der Energieübermittlung im wesentlichen nur die in die Umlaufsrichtung fallende Komponente der Strömungsgeschwindigkeit einer Änderung unterliegt.
Ein solcher Kompressor ist der axial oder der rein radial durchströmte Kompressor ; es ist jedoch auch die Kombination derselben möglich, bei welcher die Strömung um die Welle, z. B. an einer Kegelfläche, stattfindet. Die Erkenntnis, dass die Verwendung derartiger Kompressoren mit wesentlichen Vorteilen verbunden ist, macht es möglich, selbst bei einer niedrigen Höchsttemperatur einen guten Wirkungsgrad zu erreichen, und 3. in der Turbine die Einführung der Gesamtwärme des Brennstoffs bzw. die Verbrennung gemäss einem solchen Verfahren stattfindet, dass die in der Turbine herrschende Höchsttemperatur diejenige Temperatur, bei welcher das frische Gas den Regenerator verlässt, möglichst nur um ein kleines Mass überschreitet.
Hiedurch wird erreicht, dass die durchschnittliche Temperatur in der Turbine der zulässigen Höchsttemperatur am nächsten kommt. was mit Rücksicht auf den Wirkungsgrad günstig ist.
Wie der oben erwähnte gute Wirkungsgrad zeigt-welcher bereits bei sehr leichten Betriebsverhältnissen erhalten werden kann-, lässt das erfindungsgemässe Verfahren und die Einrichtung gegenüber den bisherigen Vorschlägen eine wesentliche neue technische Wirkung erreichen.
Die zur Ausführung des Verfahrens erforderliche Einrichtung besteht also gemäss der obigen aus drei Hauptteilen, u. zw. aus einem Kompressor, welcher das Arbeitsmittel von der unteren Druckgrenze des Arbeitsprozesses auf die obere Druckgrenze desselben verdichtet, aus einem Regenerator, welcher das verdichtete Arbeitsmittel unter Abkühlung des aus der Turbine austretenden Arbeitsmittels vorwärmt, und schliesslich aus der eigentlichen Turbine, in welcher das verdichtete und vorgewärmte Arbeitsmittel unter Arbeitsleistung expandiert, währenddessen demselben frische Wärme zugeführt wird.
In den Zeichnungen stellen die Fig. 1 a-b schematische Schnitte eines Ausführungsbeispieles der Erfindung dar ; Fig. 2 zeigt das Druck-Volum-Diagramm des Arbeitsprozesses der Erfindung und Fig. 3 das Wärmesteuerungsdiagramm des Regenerators. Die Fig. 4 und 5 zeigen eine Ansicht bzw. einen Schnitt der wärmespeichernden Einheit des Regenerators und Fig. 6 stellt ein weiteres sehematisches Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dar.
Gemäss Fig. 1 a-b wird der in den Lagern 3-3'gelagerte und mit Hilfe der Stopfbuchsen 4-4' abgedichtete Läufer 5 der Turbine, welcher die in mehreren Stufen angeordneten Turbinenschaufeln 6 trägt, im Turbinengehäuse 1 untergebracht. Im Gehäuse 1 sind stehende Schaufelkränze 7 zur Führung der Gase vorgesehen. Die Gase treten in das Gehäuse 1 durch den Kanal 8 ein und verlassen dasselbe durch den Kanal9. Brenner 10 dienen zur Einführung des Brennstoffes bzw. der in Arbeit umzuwandelnden Wärme und führen den Brennstoff bzw. die Wärme an mehreren Stellen unmittelbar zu den strömenden Gasen zwischen den einzelnen Turbinenstufen in die Turbine ein.
In der Figur ist der erste Brenner vor dem Eintritt in die erste Turbinenstufe angeordnet ; dies ist jedoch nicht in jedem Falle nötig, und es genügt, wenn die Wärmezufuhr nur hinter der ersten Stufe oder hinter den ersten Stufen beginnt.
Leitung 11 dient zur Führung des Brennstoffes. Leitung 12 dagegen zur Führung des zur Verbrennung eventuell benötigten Hilfsstoffes, z. B. komprimierter Luft. Mit der Welle 1. 3 des Turbinenläufers 5 ist die Welle 15 des Kompressorläufers. M gekuppelt, welch letztere in den Lagern 16, 16'gelagert und in dem Kompressorgehäuse 17 mittels der Stopfbüchsen 18, 18'abgedichtet ist. Das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel ist ein axial durchströmter Kompressor. Sein Läufer 14 besitzt die in mehreren Stufen angeordneten umlaufenden Schaufeln 19 und im Gehäuse 17 befinden sich die Leitschaufeln 20, deren mittlere Durchmesser in bezug aufeinander in dem im vorstehenden unter Punkt 2 angegebenen vorteilhaften Zusammenhang gewählt sind.
Das zu komprimierende Gas (Luft) tritt beim Anschluss 21 in den Kompressor ein und verlässt denselben in komprimiertem Zustand beim Anschluss 22. Das komprimierte Gas gelangt nach Durchströmen der Leitung 23 und irgendeines der
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eines dieser Ventile geöffnet ist, kann das Gas in die entsprechende Speiehereinheit einströmen. An dieser Seite des Regenerators sind auch die Ventile 28', 28"und 28... vorgesehen, welche die Ventilräume 29', 29"bzw. 29'"von den einzelnen Speicherteilen abschliessen ; diese Räume stehen mit dem
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Kanal 30 in Verbindung, durch welchen sich die Abgase entfernen.
Die an der andern Seite des Regenerators vorgesehenen Ventile 31', 31" und 31''' schliessen die mit der Leitung 25 verbundenen Ventilräume 32', 32"bzw. 32'"ferner die Ventile 33', 33"und 33... die mit der Leitung 34 verbundenen Ventilräume 35', 35" bzw. 35'" von den einzelnen Speicherteilen ab. Die Räume der wärmespeichernden Körper 24', 24" und 24''' sind voneinander vollkommen abgesondert, so dass das Arbeitsmittel in jedem derselben nur durch die mit der gleichen Strichzahl bezeichneten Ventile gelangen kann.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind sämtliche Ventile gesteuert und dienen zur Steuerung derselben die an den Wellen 36 und 36'angeordneten Daumen. Diese Wellen sind in irgendeiner Weise, z. B. mit Hilfe des Elektromotors 37, angetrieben ; ihr Antrieb ist voneinander nicht unabhängig und sichert die Kette 38 die entsprechende gegenseitige Einstellung der steuernden Daumen bzw. die entsprechende richtige Steuerung der Ventile mit Hilfe von Kettenrädern.
Die wärmespeichernden Körper 24', 24" und 24''' sind so beschaffen, dass dieselben die Gase in beiden Richtungen (in den Richtungen der eingezeichneten Pfeile) durchlassen.
Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist die folgende : Das Arbeitsmittel, z. B. Luft, tritt bei absoluter Temperatur To und Druck Po (Fig. 2) durch den Kanal 21 in das Kompressorgehäuse 17 ein und wird durch den Läufer 14 verdichtet, wobei sein Druck bis pi und seine Temperatur bis Tl ansteigt.
Das komprimierte Gas gelangt nachher durch die Kanäle 22, 23 in die Ventilräume 26', 26"und 26'" und strömt durch diejenigen der Ventile 27', 27" und 27"', welche gerade geöffnet sind, in die entsprechenden Speichereinheiten des Regenerators. Die Ventile des Regenerators werden so gesteuert, dass an beiden Seiten desselben gleichzeitig in der Weise gewisse Ventile geöffnet sind, dass die Gase entweder nach Durchströmung des Wärmespeicherkörpers aus der Leitung 23 in den Einströmungskanal 25 der Turbine strömen oder nach Durchströmung des Wärmespeieherkörpers in der der vorigen Strömungsrichtung entgegengesetzten Richtung aus dem Austrittskanal34 der Turbine in den Kanal 30 gelangen.
Es sei vorausgesetzt, dass die Ventile 26'und 31' geöffnet, die Ventile 28'und 33'dagegen
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37"'sowie 26", 26'" dagegen geschlossen. In diesem Falle strömt das komprimierte Gas den Speicherkörper in der Richtung des Pfeiles 1 durch und tritt durch die Kanäle 25 und 8 in das Turbinengehäuse 1 ein. Während des Durchströmens des Wärmespeicherkörpers ändert sich der Gasdruck, von dem infolge der Reibung im Wärmespeicher entstehenden kleinen Spannungsabfall abgesehen, nicht, hingegen steigt die Temperatur des Gases von T, absolut bis T2 absolut, da das Gas von dem Wärmespeicher- körper Wärme übernimmt.
Während dieses Vorganges kühlt sich der Wärmespeicherkörper in gewissem Masse ab.
Durch die Zufuhr der Wärme mit Hilfe der Brennei"70 ist es möglich, die Temperatur des Gases, welche vor dem Eintritt in die Turbine mit der Temperatur T2 des aus dem Wärmespeicher austretenden Gases gleich ist, in der Turbine über diesen Wert auf Tg zu erhöhen (Fig. 2). Es ist jedoch möglich, und sogar mit Rücksicht auf den guten Wirkungsgrad auch zweckmässig, die vor dem ersten Schaufelkranz stattfindende Wärmezufuhr vollkommen wegzulassen, für welchen Fall T2 = d. h. die Temperatur des Austrittes aus dem Wärmespeicher, in einem die höchste Temperatur des Arbeitsmittels ist. Die Einführung der Wärme in das Gas kann in beliebiger Weise z. B. dadurch stattfinden, dass der Brennstoff in der Turbine unmittelbar verbrannt wird oder z.
B. dadurch, dass erst die heissen Brennprodukte des bereits verbrannten Brennstoffes in die Turbine eingeführt werden.
Mit Hilfe des Turbinenläufers wird dem Gas Arbeit entzogen, wodurch das Gas während des Durchströmens der Turbine von dem Druck pi wieder auf den Druck Po expandiert und die Temperaratur T4 annimmt. Im Interesse des guten Wirkungsgrades ist es zweckmässig, die Zufuhr der frischen Wärme allmählich in der Weise zu bewerkstelligen, dass die Expansion der Gase in der Turbine nahezu isothermisch verläuft, in welchem Falle Tg = T4 ist. Dies kann durch die entsprechende Anordnung der Brenner 10 und durch die entsprechende Regulierung der durch die Brenner eingeführten Wärme erreicht werden.
Falls also vor dem ersten Schaufelkranz der Turbine keine Wärmeeinführung stattfindet, kann auf diese Weise erreicht werden, dass die Temperatur T2 des Austrittes aus dem Wärmespeicher angenähert mit der Temperatur T4 des Austrittes aus der Turbine gleich ist.
Nach Austreten aus der Turbine durch die Kanäle 9 und 34 strömen die Abgase die Wärme- speicherkörper 24", 24'"durch die geöffneten Ventile 33", 33'"in der Pfeilrichtung 11 durch, währenddessen ihr Druck, von dem zufolge der Reibung in den Wärmespeicherkörpern verursachten kleinen Druckabfall abgesehen, sich nicht ändert, ihre Temperatur jedoch von T4 auf Tg fällt, da sie dem Wärmespeicher Wärme übergeben, wodurch der Wärmespeicher allmählich erwärmt wird. Durch die Ventile 28", 28''' gelangen die Gase in den Kanal 30 und treten schliesslich aus der Einrichtung aus.
Falls der Wirkungsgrad des Kompressors und der der Turbine nicht berücksichtigt wird, ist die durch die Gasturbine geleistete Arbeit der Fläche To, Tl, Ta, T4 äquivalent. Der Arbeitsbedarf des Kompressors wird durch die Fläche po, To, Tl, P1'die Arbeitsleistung der Turbine dagegen durch die Fläche pi, Tg, T, p. dargestellt. Die nützliehe Arbeit wird durch die Differenz der beiden Flächen bestimmt. Damit diese Differenz genug gross sein kann, ist es sehr wichtig, dass sowohl die Turbine als auch der Kompressor einen möglichst guten Wirkungsgrad besitzen.
Aus letzterer Hinsicht, aber auch mit Rücksicht auf die Beschaffungskosten der Einrichtung ist der erfindungsgemässen Erkenntnis
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eine entscheidende Wichtigkeit beizumessen, dass diesem Zwecke am besten ein solcher umlaufender, mehrstufiger aerodynamischer Kompressor entspricht, in welchem die Strömungsrichtung der Gase, von den zur Energieübermittlung erforderlichen tangentialen Richtungsänderungen abgesehen, geradlinig oder wenigstens angenähert geradlinig ist, da bei solchen Richtungsänderungen überflüssige Ablenkungsverluste nicht auftreten und selbst bei hohen Durehströmungsgeschwindigkeiten günstiger Wirkungsgrad erreicht werden kann.
Bei solchen Kompressoren geht die Strömung um die Achse angenähert und durchschnittlich auf einer Kegelfläche vor sich ; es entsteht jedoch kein wesentlicher Unterschied in der Wirkungsweise oder im Wirkungsgrad, wenn die Kegelfläche durch eine von derselben nur wenig abweichende, allgemeinere Rotationsfläche ersetzt wird.
Der axial und der radial durchströmte Kompressor stellen Sonderfälle des Kompressors mit Durchströmung auf einer Kegelfläche dar, da die Kegelfläche sich beim ersteren zu einer Zylinderfläehe und beim zweiten zu einer zur Achse senkrecht stehenden Ebene abartet ; derartige Kompressoren werden im allgemeinen dadurch gekennzeichnet, dass der Meridianschnitt einer zwischen den die Strömung des Arbeitsmittels begrenzenden Wänden vorgestellten mittleren Fläche geradlinig oder angenähert geradlinig ist. Sehr vorteilhaft ist diejenige Anordnung, bei welcher der Kompressor zwei in entgegengesetzten Richtungen umlaufende Läufer besitzt. In diesem Falle drehen sieh die Leitsehaufeln 20 entgegengesetzt wie der Läufer 14.
Alle diese Kompressoren besitzen den grossen Vorteil, dass die Abmessungen derselben zufolge der zulässigen grossen Durchströmunggeschwindigkeit klein sind. Der mit diesen Kompressoren erreichbare mechanische Wirkungsgrad kommt dem Wert von 90 v. H. sehr nahe, weshalb ihre Anwendung in den erfindungsgemässen Einrichtungen entscheidend wichtig ist.
Im Zusammenhang mit dem Gesamtwirkungsgrad ist es hinsichtlich des Kompressors noch wichtig, die Arbeit desselben klein zu halten. Aus diesem Grunde, da die Kompression im Kompressor immer mit gewisser Temperatursteigerung verbunden ist, ist es nicht vorteilhaft, das Verhältnis P1 : Po (die Druckstufe) höher als 8 zu wählen. In dem Falle, dass während der Kompression keine Kühlung angewendet wird, ist es zweckmässig, bei noch kleinerem Druckverhältnis zu bleiben ; so wird z. B. der Wert von P1 : po - < 4 gut entsprechen. Falls Zwischenkühlung oder nach oder während der Kompression Wasserverdampfung angewendet wird, kann das Druckverhältnis grösser als 4 sein.
Die wärmespeiehernden Körper kühlen sieh ab, falls das Gas sie in der Richtung des Pfeiles 1 durchströmt, da sie das Gas erwärmen ; dagegen werden sie erhitzt, falls die Gasströmung in der Richtung 11 stattfindet, indem sie die abzuführenden Gase abkühlen. Aus diesem Grunde sind die wärmespeichernden Einheiten des Regenerators bis zu einer gewissen Zeit zur Erwärmung des komprimierten Gases vor die Einströmung in die Turbine, dann eine gewisse Zeit lang zur Abkühlung der Abgase hinter die Austrittsöffnung der Turbine geschaltet. In diesen zwei Phasen findet die Durchströmung der wärmespeiehernden Einheiten ineinander entgegengesetzten Richtungen (Gegenstromregenerator) statt.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 besteht der Regenerator aus drei wärmespeichernden Einheiten und wird die Steuerung der Ventile derselben einzeln im Diagramm der Fig. 3 gezeigt, in dem die Abszisse die Zeit und die Ordinaten (die von der Abszissenachse aufgetragenen Masse A) in einem gewissen Massstab die Öffnungen der einzelnen Ventile darstellen. Die gestrichelten Kurven bezeichnen die Fälle, in welchen die wärmespeichernden Einheiten von den Abgasen durchströmt werden (Pfeilrichtung 11), und beziehen sich die vollen Kurven auf die Strömungsrichtung 1 (Durchströmung der frisch komprimierten Gase).
Wegen der Stetigkeit der Durehströmung werden mindestens zwei wärmespeichernde Einheiten benötigt, und sind im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 zwei von den dargestellten drei Einheiten ständig hinter die Turbine und die jeweilige dritte Einheit vor die Turbine geschaltet. Es ist im allgemeinen wichtig, immer eine grössere Anzahl von Einheiten hinter als vor die Turbine zu schalten, da in diesem Falle-der aus dem Reibungswiderstand des Regenerators entstehende Spannungsabfall kleiner ist. Der Regenerator kann im allgemeinen aus einer beliebigen Anzahl von Einheiten bestehen, deren Steuerung nicht nur mit Hilfe der dargestellten Ventile, sondern auch auf andere Weise, z. B. mittels Schieber, oder teils mit Hilfe von automatischen Ventilen bewerkstelligt werden kann.
Wenn eine wärmespeichernde Einheit bereits längere Zeit ununterbrochen in derselben Richtung durchgeströmt war, so tritt infolge der merklichen Abkühlung bzw. Erwärmung der Einheit eine Ver- schlechterung des Gesamtwirkungsgrades auf, so dass es zweckmässig ist, die Strömungsrichtung der Einheit zu wechseln. So bedeutet z. B. in Fig. 3 T die Zeitdauer einer vollen Betriebsperiode, nach deren Ablauf die Einheiten des Regenerators wieder in derselben Phase sind. Das Mass der Temperatur- änderung ist bei einem gegebenen Regenerator von der Zeitdauer T abhängig und ist bei einem grösseren Wert derselben grösser.
Falls eine wärmespeichernde Einheit von der Durchströmung in einer gewissen Richtung auf die Durchströmung in der entgegengesetzten Richtung umgeschaltet wird, tritt in derselben auch eine Druckänderung auf, da die Einheit bei der Durchströmung in der einen Richtung vor die Turbine, bei der Durchströmung in der andern Richtung dagegen hinter die Turbine geschaltet ist. Die mit dieser Druckänderung verbundene Auffüllung bzw. Entleerung der Einheiten verursacht einen Arbeitsverlust, welcher bei einem gegebenen Regenerator um so grösser ist, je öfters die Umschaltung der Einheiten stattfindet.
Der wegen der Temperaturänderung der Elemente entstehende Verlust
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ändert sich hingegen mit der Zeitdauer der Umschaltung in entgegengesetztem Sinne, ist also mit öfters stattfindenden Umschaltungen kleiner. Um einen guten Wirkungsgrad zu erreichen, ist es zweckmässig, die Zeitdauer einer Umschaltung so zu wählen, dass die erwähnten zwei Verluste angenähert die gleiche Grösse haben.
Damit der wegen der Temperaturänderung entstehende Verlust des Regenerators nicht zu gross wird, ist es zweckmässig, die Einheiten mit kleiner Temperaturschwankung, d. h. mit genügender Wärmekapazität, auszuführen und die Zeitdauer der Umschaltungen dementsprechend zu wählen, So kann z. B. erreicht werden, dass die Temperaturänderung zwischen zwei Umschaltungen kleiner als 50 C ist, was zwecks Sicherung eines guten Wirkungsgrades gleichfalls wesentlich ist.
Zur Erniedrigung der mit der Auffüllung verbundenen Verluste und auch im Interesse der Billigkeit können die Wärmespeichereinheiten zweckmässig so hergestellt werden, dass sie nur einen kleinen Luftrauminhalt besitzen. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, dieselben in bekannter Weise, z. B. lamelliert, herzustellen, wobei die Kanäle zwischen den Lamellen in der zur Strömungsrichtung der Gase senkrechten Richtung kleiner sind als 2 mm ; ein Ausführungsbeispiel hiefiir ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Bei diesem Beispiel besteht die Wärmespeichereinheit aus den Metall (z. B. Stahloder Eisen-usw.) bändern 40, welche voneinander mit den stellenweise angebrachten Einlagen 41 in bestimmten Abständen gehalten sind.
Die Bänder sind, damit sie ihre Abstände zwischen den Einlagen nicht vergrössern bzw. verringern können, mit wellenförmigen Einpressungen 42 versehen, welche sich an die an beiden Seiten des gewellten Bandes angeordneten flachen Bänder 4. 3 anlegen. Zwischen den Bändern strömen die Gase in der Pfeilrichtung durch.
In der Strömungsrichtung haben die Bänder geringe Abmessungen (Abmessungen kleiner als
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Die in der Turbine auftretende Höchsttemperatur kann durch die Regelung der Einführung der frischen Wärme beherrscht werden. So ist z. B. bei der im vorigen vorteilhaft bezeichneten isothermischen Expansion T,, ; = T.
Während der Durchströmung des Wärmespeichers nimmt der Gasdruck, der Grösse der Reibung entsprechend, ab. Bei sehr grossen Strömungsgeschwindigkeiten können aus der Reibung bedeutende Verluste entstehen, aus welchem Grunde es nicht ratsam ist, die Geschwindigkeit übermässig zu steigern, sondern es ist zweckmässig, dieselbe unter dem Wert 20 mlsee. zu halten.
Ein sehr grosser Vorteil der beschriebenen Betriebseinrichtung ist, dass dieselbe im Sinne der früheren Ausführungen und besonders infolge des guten Wirkungsgrades des Kompressors bereits bei verhältnismässig niedriger Höchsttemperatur einen sehr guten Wirkungsgrad gibt. Dies ist besonders hinsichtlich der Betriebssicherheit, des Preises und der Dauerhaftigkeit der Turbine wichtig. So kann z. B. bereits ein sehr guter thermischer Wirkungsgrad erreicht werden, wenn die grösste durchschnittliche Temperatur des Arbeitsmittels den Wert von 4500 C nicht überschreitet. Bei höherer Temperatur verbessert sieh der Wirkungsgrad noch mehr, es ist jedoch nicht zweckmässig, mit der Temperatur höher zu gehen, als es für die Baustoffe der Turbine noch erträglich ist.
Aus diesem Grunde ist es nicht ratsam, aber auch nicht notwendig, höher als 600 C zu gehen.
Sehr einfach ist die Einrichtung, wenn die untere Druekgrenze Po der Atmosphärendruck ist.
In diesem Falle kann das Ausströmen der Abgase durch den Kanal. 30 in die Umgebung stattfinden, so dass die Verlustwärme mit den Gasen entweicht und kein Kühlwasser benötigt wird ; ferner ist wegen der niedrigen Druekstufe auch der grösste Überdruck sehr niedrig, wodurch eine sehr billige Konstruktion erhalten wird.
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mässig, die den hohen Temperaturen ausgesetzten Teile der Einrichtung gegen Wärmeverluste mit
Wärmeisolation zu versehen. Bei denjenigen Teilen, in denen (z. B. bei den Wärmespeichern) der Druck nicht konstant ist, ist es vorteilhaft, kleinen Luftrauminhalt besitzendes, nicht poröses Isoliermittel zu verwenden.
Bei der den Gegenstand der Erfindung bildenden Einrichtung kann-vom Kompressor abge- sehen-sowohl die Turbine als auch der Wärmespeicher gemäss jedem beliebigen System ausgeführt werden und auch eine von den beschriebenen abweichende Bauart erhalten, falls die für sie aufgestellten
Bedingungen im sonstigen erfüllt sind. Die Verwendbarkeit der einzelnen Teile hängt in erster Linie von dem erreichbaren Wirkungsgrad ab und können nur Konstruktionen mit gutem Wirkungsgrad mit Vorteil verwendet werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Betriebsverfahren für Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Turbine zwecks Arbeitsverrichtung einzuführende Gas mit Hilfe eines mehrstufigen umlaufenden Kompressors höchstens auf das Achtfach seines Anfangsdruckes verdichtet, danach in einem durch die aus der Turbine austretenden Abgase beheizten, periodisch arbeitenden Wärmespeicher auf mindestens 70 v. H. der grössten durchschnittlichen Absoluttemperatur des Arbeitsprozesses erhitzt und schliesslich dem Arbeitsraum der Turbine zugeführt und dort bei gleichzeitiger bzw. auch nach vorheriger Wärmezufuhr der arbeitsleitenden Expansion unterworfen wird.