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Gasturbinenanlage mit einem halboffenen Umlauf
Die bisher bekannten Gasturbinenanlagen für grössere Leistungen arbeiten durchwegs mit einem geschlossenen oder halbgeschlossenen Umlauf. In einem offenen Umlauf ist es unmöglich, hohe Leistungen wegen der grossen Luft- und Arbeitsgasvolumen zu erzielen.
Anlagen mit einem halbgeschlossenen Umlauf verknüpfen die Vorzüge der Anlagen mit einem geschlossenen Umlauf (grössere spezifische Leistung und flache Nutzeffektkurve) mit den Vorzügen von Anlagen mit einem offenen Umlauf (Lufterhitzer wird nicht mechanisch beansprucht).
Die Nutzleistung der angeführten Gasturbinenanlagen wird insbesondere durch den verhältnismässig niedrigen isothermischen Wirkungsgrad der Kompressoren begrenzt. Es wurden daher bei Anlagen mit einem halbgeschlossenen Umlauf zur Erzielung höherer thermischer Nutzeffekte folgende Mittel entwickelt und in Betrieb gesetzt : Zwischenkühlung der Kompression, Überhitzung des Arbeitsmedium zwischen den Gasturbinenstufen und Rekuperation der Wärme. Die beiden erstangeführten Mittel stellen eine Annäherung an die isothermische Kompression und Expansion dar. Die Wärmerekuperation istzwischen den Temperaturen des Austrittes aus der Turbine und des Austrittes aus dem Kompressor anwendbar.
Durch die Zwischenstufenkühlung der verdichteten Luft wird zwar der Verbrauch an Kompressionsarbeit herabgesetzt, jedoch besteht der Nachteil derselben darin, dass beinahe die gesamte Kompressionswärme in das Kühlwasser abgeführt wird, ehe sich dieselbe am Warmeumlauf beteiligen und eine positive Arbeit leisten kann. Anlagen mit einem halbgeschlossenen Umlauf erreichen bei Anwendung der vorstehend angeführten Mittel einen thermischen Wirkungsgrad von 0,32 bis 0,35 und eine auf Ikgdurchden Niederdruckkompressor angesaugter Luft bezogene spezifische Leistung von 0, 20 bis 0, 25 kWh/kg.
Die Anlagen mit einem halbgeschlossenen Umlauf ermöglichen die Konstruktion von Einheiten bis zu Leistungen der Grössenordnung 50 MW, wobei jedoch die erzielbaren Höhen des angeführten thermischen Nutzeffektes bereits verhältnismässig niedrig sind im Vergleich mit Dampfkraftwerken grosser Lei- stungen.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades ohne weitere Ansprüche an die Vergrösserung der Anlage, insbesondere der Wärmeaustauscher, mit Hilfe einer passenden Ausnützung der Kompressionswärme. Durch Anwendung des Umlaufes gemäss der Erfindung lässt sich ausserdem eine Erhöhung der Grenze der Maximalleistung der Einheiten erzielen.
Erreicht wird dies erfindungsgemäss durch einen von mindestens einer Verdichterstufe eines offenen Umsetzungsprozesses abgeleiteten geschlossenen Umsetzungsprozess mit einem gasförmigen Treibmittel, wobei die gesamte im Kompressorbereich durch Zwischenkühler entzogene Wärme zur Vermehrung der Enthalpie eines flüssigen Mediums herangezogen und dieses Medium in Form von Dampf dem Arbeitsmittel des offenen Umlaufteiles hinter dessen letzter Verdichtungsstufe zugeführt wird, und die Wärmezuführung für das gasförmige Medium des geschlossenen Umlaufteiles in vorteilhafter Weise von der Brennkammer des offenen Umlaufteiles her erfolgt.
Nach den Merkmalen der Erfindung ist einer gemeinsamen Verdichtungsstufe des offenen und des geschlossenen Umsetzungsprpzesses mindestens eine Verdichterstufe des offenen Prozesses vorgeschaltet bzw. ist demselben mindestens eine solche Verdichterstufe nachgeschaltet.
Gemäss andern Merkmalen der Erfindung wird die Restwärme der Verbrennungsgase des offenen Um-
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setzungsprozessesnach dem Verlassen der letzten Turbine in einem Gleichdruckwärmetauscher an dus dort vom Sättiger kommende Treibmittel übertragen und das die Verdichtungswärme in den Zwischenstufenkühlern aufnehmende flüssige'Medium verdampft erst nach dem Einspritzen in den vor der Verbrennungkammer befindlichen Sättiger des offenen Umlaufes. Schliesslich wird erfindungsgemäss zur Erwärmung des flüssigen Mediums vor dessen Einspritzen in den offenen Überlauf hinter der letzten Kompressorstufe die Abwärme auch anderer Anlageteile z.B. der Brennkammern, Wärmetauscher od.dgl.ausgenützt.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von zwei Ausführungsbeispielen, die in den Fig. 1 und 2 der Zeichnung schematisch dargestellt sind, naher erläutert.
Die Anlage nach Fig. 1 arbeitet wie folgt : Der Turbokompressor K1 saugt atmosphärische Luft an und fördert dieselbe in den Kühler CH1.In dense lben Kühler CH1 gelangt Luft aus dem geschlossenen Teil des Umlaufes mit der gleichen Temperatur und dem gleichen Druck. Aus dem Kühler CH strömt sämtliche Luft gemeinsam in den Turbokompressor K, wo dieselbe nach Zwischenstufenkühlung im Kühler CH auf den höchsten Arbeitsdruck verdichtet wird. Aus dem Kompressor K strömt ein entsprechender Teil der Luft des offenen Umlaufteiles in den Sättiger S, in welchem innen auf gross oberflächigen Teilen das in den Oberflächenkühlern chu, CH erwärmte Wasser verdampft.
Die feuchte Luft gelangt sodann in den Gleichdruckwärmetauscher R1 und strömt sodann nach Vorwärmung in die Brennkammer S1. In die Kammer wird soviel Brennstoff zugeführt, als notwendig ist, um die feuchte Arbeitsluft (Brennprodukte) und die Luft des geschlossenen Umlaufes auf höchste Arbeitstemperatur zu bringen.Die Brennprodukte des offenen Umlaufes strömen aus der Kammer Sl in die Turbine T, wo die Expansion auf einen mittleren Druck erfolgt. In der Kammer S 2wird soviel Brennstoff verbrannt, dass die Mitteldruckbrennprodukte sich wieder auf die höchste Temperaturerhitzenundsodann in die Turbine T gelangen, wo dieselben auf etwa atmosphärischen Druck expandieren.
Im Wärmetauscher R geben dieselben noch einen Teil ihrer Wärmeenergie ab und treten in die Atmosphäre aus.
Die Luft des geschlossenen Umlaufes strömt aus dem Kompressor K in den Wärmetauscher rund sodann nach Vorwärmung in den Wärmetauscher der Brennkammer . Da ausserhalb und innerhalb des Wärmetauschers der gleiche Druck herrscht, wird dieser mechanisch nicht beansprucht und es kann in diesem mit hohen Temperaturen gearbeitet werden. Die auf höchste Betriebstemperatur erhitzte Luft ex-
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in den Kühler CH1. Damit ist der Umlauf geschlossen.
Die Zwischenkühler CH1, CH2 funktionierenhier als Wärmetauscher der Verdichtungswärme, welche zur Erwärmung einer entsprechenden Druckwassermenge ausgenützt wird. Das erwähnte Druckwasser verdampft nach Einspritzung in den Sättiger Sin der komprimierten Luft des offenen Umlaufteiles.
Die nach Fig. 2 ausgeführte Anlage arbeitet wie folgt :
Der atmosphärische Druck wird im Turbokompressor Kl auf den niedrigsten Druck des geschlossenen Umlaufteiles komprimiert und in den Turbokompressor K2 geleitet. In den Kompressor K2 gelangt auch die Luft aus dem geschlossenen Umlaufteil und es erfolgt eine gemeinsame Verdichtung sämtlicher Luft mit
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Herwärmten Wassers erfolgt. Die feuchte Luft strömt sodann in den Wärmetauscher R1 und gelangt vorgewärmt in die Brennkammer 51'in der soviel Brennstoff verbrannt wird, als zur Erhitzung der Brennprodukte des offenen Umlaufes und der Hochdruclduft des geschlossenen Umlaufes auf eine gemeinsame höchste Betriebstemperatur hinreicht.
Die Hochdruckbrennprodukte des offenen Umlaufes expandieren so- dann in der Turbine tel auf mittleren Druck. In der Mitteldruckverbrennungskammer S2 wird wieder soviel Brennstoff verbrannt, um sowohl die Mitteldruckbrennprodukte des offenen Umlaufes als auch die Mitteldruckluft des geschlossenen Umlaufes auf höchste Betriebstemperatur zu bringen. Die Mitteldruckbrennprodukte expandieren sodann in der Turbine T2 auf den niedrigsten Druck des geschlossenen Umlaufteiles, kühlen sich im Wärmetauscher R1 ab und expandieren schliesslich in der Turbine T3 auf atmosphärischen Druck. Dadurch ist der offene Umlaufteil beendet.
Die Luft des geschlossenen Umlaufteiles strömt in den'Turbokompressor K, wo dieselbe gleichfalls auf den höchsten Arbeitsdruck komprimiert wird. Im Wärmetauscher R2wird dieselbe vorgewämt und im Wärmetauscher innerhalb der Verbrennungskammer S, auf höchste Betriebstemperatur erhitzt. Nach Expansion auf mittleren Druck in der Turbine R wird die Luft im Wärmetauscher der Verbrennungskammer S2 neuerlich auf höchste Arbeitstemperatur erhitzt und expandiert sodann in der Turbine T5 auf den niedrigsten Druck des geschlossenen Umlaufteiles.
Daraufhin kühlt sich die Luft im Wärmetauscher R2
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ab und wird im Kühler CH auf die Austrittstemperatur des Kompressors K nachgekühlt und strömt in den Kompressor Ky Damit ist der offene Umlaufteil beendet. Das Wasser wird zum Einspritzen in den Kühlern
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PATENTANSPRÜCHE :
1. Gasturbinenanlage mit einem halboffenen Umlauf, gekennzeichnet durch einen von mindestens einer Verdichterstufe (K1) eines offenen Umsetzungsprozesses abgeleiteten geschlossenen Umsetzungsprozess mit einem gasförmigen Treibmittel, wobei die gesamte im Kompressorbereich durch Zwischenkühler (CH, CH) entzogene Wärme zur Vermehrung der Enthalpie eines flüssigen Mediums herangezogen und dieses Medium in Form von Dampf dem Arbeitsmittel des offenen Umlaufteiles hinter dessen letzter Verdichtungsstufe (Stelle S) zugefUhrtwird, und die Wärmezufuhrung für das gasförmige Medium des geschlos-
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