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Wärmekraftanlage, in welcher ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt.
Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftanlage, in welcher ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugs- weise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter tberdruck beschreibt, wobei das durch äussere Wärmezufuhr erhitzte Arbeitsmittel unter äusserer Leistungsabgabe in mindestens einer Turbine expandiert und hierauf in mindestens einem Turboverdichter wieder auf höheren Druck gebracht wird.
Zweck der Erfindung ist, für die Turbine bzw. Turbinen und den Turboverdichter bzw. die Turboverdichter Betriebsverhältnisse zu schaffen, bei denen jeder dieser Maschinengattungen unter den Betriebsverhältnissen arbeiten kann, die es erfordert, um hohe Wirkungsgrade erreichen zu können. Zu diesem Behufe arbeitet bei einer Wärmekraftanlage der erwähnten Art gemäss vorliegender Erfindung der Verdichter mit höherer Drehzahl als die Maschine, welche Leistung nach aussen abzugeben hat.
Dabei kann die Turbine zweckmässig zwei Läufer aufweisen, deren Drehzahl verschieden ist und von denen der eine den Turboverdichter für die gesamte, in der Anlage benötigte Verdiehterleistung antreibt, während der andere seine Leitung nach aussen abgibt. Die mit hohem Druck und hoher Temperatur arbeitenden Turbinenläufer können höhere Drehzahlen aufweisen als die übrigen Turbinenläufer und sie können die Verdichter antreiben.
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes in zum Teil vereinfachter Darstellungsweise veranschaulicht, wobei in allen Fällen angenommen ist, dass als Arbeitsmittel Luft verwendet wird. Dabei zeigt Fig. 1 eine Anlage, bei welcher eine Luftturbine und ein Axialverdichter verschiedenaehsig angeordnet und der Verdichter mit höherer Drehzahl als die Turbine läuft, wobei letztere einen Generator antreibt. Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei welcher zwei hintereinander geschaltete Turbinengehäuse vorgesehen sind, wobei der mit hohem Druck und hoher Temperatur arbeitende Turbinenläufer mit höherer Drehzahl läuft als der zweite Turbinenläufer sowie den Verdichter antreibt.
Fig. 3 zeigt eine Anlage mit einer Turbine radialer Bauart, von welcher die Schaufelungen der beiden Läufer in bezug aufeinander so ausgebildet sind, dass diese Läufer dauernd mit gegenseitig wesentlich verschiedenen Drehzahlen laufen ; dabei ist mit dem einen der Läufer ein Motorgenerator gekuppelt, der an dasselbe Netz wie ein von der Turbine angetriebener Generator geschaltet ist.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Anlage beschreibt das Arbeitsmittel, als welches Luft verwendet wird, einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck. Diese Luft wird in einer als Erhitzer 1 ausgebildeten Zufuhrstelle äusserer Wärme erhitzt. Die eigentliche Erhitzung erfolgt in einem Oberfläehenwärmeaustauscher 2, welcher von den Feuergasen umspült wird : die Erhitzung wird vorteilhaft auf mindestens 500 C getrieben. Die so erhitzte Luft gelangt in eine mehrstufige Luftturbinr. 3 axialer Bauart, wo sie unter Leistungsabgabe expandiert.
Die Turbine. 3 treibt unmittelbar einen Generator 4 an und über ein Übersetzungsgetriebe 51 einen als mehrstufiges Axialgebläse 5 ausgebildeten Kreiselverdichter, der somit mit höherer Drehzahl arbeitet als die Turbine 3, welche Über den Generator -1 Leistung nach aussen abgibt. Die erhitzte Luft expandiert in der Turbine. 3 auf mindestens die Hälfte des Druckes, den sie am Eintritt in dieselbe hat.
Die aus der Turbine J strömende Luft gelangt durch eine Leitung 6 in einen als Gegenstromapparat ausgebildeten Wärmeaustauscher 7, wo sie Wärme an Luft höheren Druckes abgibt, die vom Axialgebläse 5 durch eine Leitung 9 in den Wärmeaustauscher 7 gefördert wird und die durch eine Leitung 8 dem Oberflächenwärmeaustauscher 2 zuströmt.
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Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass 19 eine Leitung bezeichnet, durch die von einem Gebläse in einen Wärmeaustauscher 18 geförderte Luft in den Erhitzer 1 gelangt. Dem Wärmeaustauscher 18 strömen durch eine Leitung 17 Heizgase aus dem Erhitzer 1 zn. 25 bezeiehnet einen Kühler, in welchem die aus dem Wärmeaustauscher 7 in den Verdichter 5 überströmende Luft vor-
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lich bezeichnet 45 einen Hilfsmotor, welcher zum Anlassen der Anlage dient.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist die Turbine zweigehäusig ausgebildet. Die zwei Turbinenteile 3a, 3b sind hintereinander geschaltet. Der mit höherem Druck und höherer Temperatur arbeitende Läufer des Turbinenteiles ; a weist höhere Drehzahlen auf als der Läufer des Niederdruck- teiles 3 b, welch letzterer den ihm zugeordneten Generator 4 unmittelbar antreibt. Die Läufer der zwei Turbinenteil a, J b sind über ein Getriebe -52 miteinander gekoppelt. Dieses Getriebe dient nicht zur eigentlichen Leistungsübertragung, sondern es fällt ihm vor allem die Aufgabe zu, ständig einen
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zu bewirken, dass jeder dieser Läufer praktisch immer gerade die Leistung abgibt, für die er vorgesehen worden ist.
Die vom Getriebe 52 zu übertragende Ausgleichsleistung beträgt immer nur einen Bruchteil der verschiedenen Masehinenleistungen, so dass die Verluste in diesem Getriebe im Vergleiche zur Gesamtleistung der Anlage einen äusserst geringen Prozentsatz ausmachen. Mit 4-5 ist wieder ein Hilfsmotor zum Anlassen der Anlage bezeichnet.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Anlage ist eine gegenläufig arbeitende Turbine radialer Bauart vorgesehen. Die Sehaufelungen der Läufer 3 a,-' ! 5 dieser Turbine sind in bezug aufeinander so ausgebildet, dass diese Läufer dauernd mit gegenseitig wesentlich verschiedenen Drehzahlen laufen, u. zw. der Läufer. 3 a, welcher den Verdichter 5 antreibt, mit höherer Drehzahl als der Läufer- ? b, welcher
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gezeigter Weise an dasselbe Netz wie der Generator 4 geschaltet ist und der bewirkt (indem er je nach Erfordernis als Generator oder als Motor läuft), dass jeder der Turbinenläufer 3a, 3b praktisch immer die Leistung abgibt, für die er vorgesehen worden ist.
Der Turbinenteil, welcher Leistung nach aussen abzugeben hat, kann diese, anstatt über einen Generator, auch unmittelbar abgeben, indem er eine Transmission, eine Arbeitsmaschine od. dgl. antreibt. An Stelle von Axialverdiehtern können selbstverständlich auch Zentrifugalverdichter vorgesehen werden.
In all den Fällen, wo die Turbine mehrgängig ausgebildet ist, empfiehlt es sich, die rascher laufende Maschine oder Maschinen, d. h. also den oder die Verdichter, von den Teilen der Turbine antreiben zu lassen, welche die hohen Temperaturen und hohen Drücke verarbeiten. In einem solchen Falle können dann die Läufer der betreffenden Turbinenteile infolge ihrer hohen Drehzahl verhältnismässig klein bemessen werden. Kleine Raddurchmesser der Turbine führen ihrerseits zu niedrigen Beanspruchungen der Läufer, was mit Rücksicht auf die hohen Temperaturen, denen die betreffenden Läufer
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auch wichtig, dass infolge des kleinen spezifischen Volumens der verdichteten Luft in allen Fällen vor allem die Abmessungen der Turbine, aber auch die des Kreiselverdichters, selbst für grosse Leistungen sehr klein werden.
Dies ist besonders erwünscht, weil man zwecks möglichst hoher Wärmeausnutzung in Zukunft mit möglichst hohen Eintrittstemperaturen an der Turbine arbeiten wird.
Bei mehrgehäusiger Ausbildung der Turbine kann der thermische Wirkungsgrad noch dadurch verbessert werden, dass die in einer Stufe durch Arbeitsabgabe abgekühlte Luft nach der Expansion jeweils wieder bis in die Gegend der Anfangstemperatur zwischenüberhitzt wird.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Wärmekraftanlage, in welcher ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt, wobei das durch äussere Wärmezufuhr erhitzte Arbeitsmittel unter äusserer Leistungsabgabe in mindestens einer Turbine expandiert und hierauf in mindestens einem Turboverdichter wieder auf höheren Druck gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter mit höherer Drehzahl arbeitet als die Maschine, welche Leistung nach aussen abzugeben hat (Fig. 1).