Dampferzeuger. Im Hauptpatent war ein Dampferzeuger beispielsweise beschrieben worden, bei wel chem die Rauchgase mit einer sehr hohen Geschwindigkeit (gleich der Schallgeschwin digkeit oder mindestens 1/2 der Schallge schwindigkeit) an den Heizflächen vorbeige führt werden. Die Erfinder hatten nämlich festgestellt, dass bei diesen hohen Strömungs geschwindigkeiten unerwartet hohe Wärme übergänge erreicht werden.
Die Erzeugung dieser hohen Strömungsgeschwindigkeiten macht es nötig, dass ein grösseres Druckge- f älle zur Verfügung steht, zu welchem Zwecke der Brennstoff und die Verbren nungsluft unter Druck verbrannt, also durch einen Verdichter in die Brennkammer ge drückt werden. Für den Antrieb dieses Ver dichters war eine Dampfturbine, eine Ver- brennungskraftmaschine oder ein Elektro motor, also eine selbständige Maschinenein heit vorgesehen.
Weitere Versuche haben nun ergeben, dass unter gewissen Voraus setzungen zum Antrieb des Verdichters auch eine Gasturbine, die von den Abgasen (Rauchgasen) des Dampferzeugers gespeist wird, verwendet werden kann. Die betreffen den Voraussetzungen bestehen darin, dass cli2 zum Antrieb der Gasturbine verfügbare Energie der Rauchgase noch grösser ist als die zum Antrieb des Verdichters erforder liche Energie.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist nun ein Dampferzeuger der oben besehrie- benen Art, bei welchem der Antrieb des Verdichters durch eine Gasturbine erfolgt, deren Düsenkörper so ausgebildet ist, rlass in ihm der gesamte oder mindestens der grösste Teil des zu erzeugenden Dampfes erzeugt wird.
Abb. 1 zeigt schematisch und beispieh- weise einen Dampferzeuger gemäss der Erfin dung; in Abb 2 ist eine Düse und ihr An- schluss an die Brennkammer und die Gastur bine in grösserem Massstab dargestellt.
In Abb. 1 ist 1 die Brennkammer. Sie besteht aus dem Blechmantel 2 und dem aus feuer- festem Baustoff aufgebauten Körper B. 4 ist der die Düsen und Heizflächen enthaltende Düsenkörper (Verdampfer). Die Düsenteile; in denen das verfügbare Wärmegefälle der Rauchgase ohne wesentlichen Wärmeentzug von aussen in Geschwindigkeit umgesetzt wird, sind mit 5 bezeichnet, hieran schliessen sich längere Rohrstücke 6, die von Wasser umströmt werden und unter Aufzehrung eines geringen Teils der Strömungsgeschwin digkeit der Rauchgase die fühlbare Wärme der Rauchgase möglichst vollständig ent ziehen.
Die abgekühlten, aber immer noch sehr rasch strömenden Rauchgase werden durch die Leitbleche der Gasturbine bei 7 auf das Rad .8 der Gasturbine 9 geleitet. Die Gasturbine ist mit dem Verdichter 1'0 ge kuppelt; auf der gleichen Welle befindet sich noch die Umwälzpumpe 11. Diese erhält ihr Wasser aus dem Dampfabscheider 12 und drückt es bei 13 in den Düsenkörper 4, wo das Umlaufwasser zum Teil verdampft wird. Das Dampfwassergemisch strömt in den Ringraum 14 und von da in den Dampf- abscheider 12' ab.
Das Anschlussrohr 15 mün det tangentia.l in den Mantel des Dampf- abscheiders. Infolge der verhältnismässig hohen Geschwindigkeit, mit der das Was ser in den Abscheider gepresst wird, be wirkt der tangentiale Eintritt eine rasche Kreisbewegung des Wassers, so dass der Dampf durch Zentrifugierung vom Wasser rasch getrennt wird. Der Nassdampf geht nun weiter in den Überhitzer 16, der zum Beispiel in der innern Schicht des Mantels eingebettet sein kann.
Bei 17 verlässt der überhitzte Dampf den Dampferzeuger, um an seinen Gebrauchsort geleitet zu werden.
Zur Verdichtung der Verbrennungsluft dient der Verdichter 10. Er saugt die Luft bei 18 an und presst sie bei 19 in die Brenn kammer. Die Luft wird zunächst zwischen dem Mantel und Einsatz geführt, um vorge wärmt zu werden und den Mantel zu kühlen, iind tritt bei 20 in den eigentlichen Brenn- raum, wo sie sich mit dem durch Brenner 21 eingeführten Brennstoff mischt. Ein Teil der Verbrennungsluft kann auch als "Förder- luft" in den Brenner geführt, ein weiterer Teil durch Bohrungen im Einsatz, zum Bei spiel bei 2'12, als sogenannte Sekundärluft in die Kammer eingeblasen werden.
Durch ist ein Wasserstandsanzeiger angedeutet, mit dem auch eine automatische Speisewasser- regelung verbunden sein kann. Das Speise wasser wird zum Beispiel bei 24 in den Sammler geliefert. Der Sammler erhält selbstverständlich die bei Kesseln üblichen Armaturen. Die Regelung des Brennstoffes kann vom Dampfdruck abhängig gemacht werden.
Abb. ? gibt die zum eigentlichen Ver- dampfer gehörenden Einzelheiten in grö sserem Massstab wieder. Es wurde hier die als Heizrohr dienende Verlängerung des Düsenteils 5 als gerades Rohr gezeichnet; die Bezeichnungen sind, soweit es sich um gleichartige Teile handelt, die gleichen wie in Abb. 1.
Die in der Brennkammer 1 mit Druck verbrannten Gase werden unter Ent spannung in der Expansionsdüse 5 auf hohe Geschwindigkeit gebracht und strömen mit Schallgeschwindigkeit oder nahezu Schall geschwindigkeit durch Rohr 6, wobei sie ihre 'Wärme an das bei 13 eintretende, ebenfalls mit verhältnismässig hoher Geschwindigkeit vorbeiströmende Umlaufwasser abgeben. Das Wasserdampfgemisch fliesst in den Ring raum 14 und wird von dort zum Dampfab- scheider geleitet. Das Rohrstück 6 endigt in Leitblechen 7, die den noch rasch strömenden gung des Gasturbinenrades 8 geben.
Man gung des Gasturbinenrades 6 geben. Man kann sich die Düsenteile 5 und Düsenrohre G auf dem Mantel eines Zylinders oder Kegel angeordnet vorstellen; dabei können die Düsenrohre 6, zum Beispiel sowohl gerad linig, als auch schraubenförmig verlaufen. Als Führung für das Wasser ergeben sich dann zwei konzentrische Zylinder- oder Kegelmäntel, zwischen denen die Heizrohre gelegen sind. Dem Wasser- (oder Dampf-) Druck braucht nur der äussere Mantel 4 zu widerstehen, während der innere 2)5 lediglieli als Leitblech dient.
Bei grösseren Verdichtungsdrücken (über 2,5 Ata), die man zum Beispiel zur Verklei nerung des Brennkammerinhaltes wählen wird, erfordert die zum Antrieb des Verdich ters erforderliche Energie noch ziemlich hohe Beträge an Strömungsgeschwindigkeit der Abgase.
Da es sich nun bei der Gasturbine meist um eine Turbine handelt, die nur Ge schwindigkeitsstufen besitzt (ein- oder mehr- kranziges Geschwindigkeitsrad), so kann der Temperaturanstieg der Abgase aus den Rad- und Austrittsverlusten einen ansehnlichen Betrag annehmen, Da ferner die hohe Ver dichtung der Luft auch eine Kühlung der Luft während der Verdichtung emp fehlenswert macht, und damit eine Vor- wärmung durch Verdichtungswärme fort fällt, so ist es vorteilhaft, in diesen Fäl len die verdichtete Luft durch die Abgase aus der Gasturbine vorzuwärmen,
bevor sie in die Brennkammer tritt. Reicht die Ener gie der Rauchgase nicht aus, um die volle Verdichterleistung zu erhalten, so kann die fehlende Energie durch eine Dampfturbine aufgebracht werden. Man kann in diesem Falle zweckmässig eine Gegendruck- oder Gegendruekentnahmeturbine verwenden. und Iden Entnahme- und Abdampf zur Vorwär- mung des Speisewassers benützen.
Auf diese @@Teise bleibt nahezu alle Wärme, die man für die Dampfturbine aufwandte, im Wärme kreislauf des Dampferzeugers erhalten, da die mechanische Arbeit der Dampfturbine in Form von Verdichtungswärme der Ver brennungsluft (sofern diese nicht gekühlt wird) und die Verlustwärme der Dampftur bine mitsamt der Verdampfwärme des ver brauchten Dampfes dem Speisewasser mit geteilt wird.
Steam generator. In the main patent, for example, a steam generator was described in which the flue gases pass the heating surfaces at a very high speed (equal to the speed of Schallgeschwin or at least 1/2 of the speed of Schallge). The inventors had found that unexpectedly high heat transitions are achieved at these high flow velocities.
The generation of these high flow velocities makes it necessary that a larger pressure drop is available, for which purpose the fuel and the combustion air are burned under pressure, that is, they are pushed into the combustion chamber by a compressor. A steam turbine, an internal combustion engine or an electric motor, ie an independent machine unit, was provided to drive this compressor.
Further experiments have now shown that, under certain conditions, a gas turbine, which is fed by the exhaust gases (flue gases) of the steam generator, can also be used to drive the compressor. The relevant prerequisites consist in the fact that the energy of the flue gases available to drive the gas turbine is even greater than the energy required to drive the compressor.
The subject of the present invention is a steam generator of the type described above, in which the compressor is driven by a gas turbine whose nozzle body is designed so that all or at least most of the steam to be generated is generated in it.
Fig. 1 shows schematically and by way of example a steam generator according to the invention; Fig. 2 shows a nozzle and its connection to the combustion chamber and the gas turbine on a larger scale.
In Fig. 1, 1 is the combustion chamber. It consists of the sheet metal jacket 2 and the body B made of refractory building material. 4 is the nozzle body (evaporator) containing the nozzles and heating surfaces. The nozzle parts; in which the available heat gradient of the flue gases is converted into speed without significant heat extraction from the outside, are denoted by 5, this is followed by longer pipe sections 6, which are flowed around by water and the sensible heat of the flue gases, while consuming a small part of the flow rate of the flue gases withdraw as completely as possible.
The cooled, but still very rapidly flowing flue gases are passed through the guide plates of the gas turbine at 7 onto the wheel 8 of the gas turbine 9. The gas turbine is coupled to the compressor 1'0; The circulating pump 11 is also located on the same shaft. This receives its water from the steam separator 12 and pushes it at 13 into the nozzle body 4, where the circulating water is partially evaporated. The steam-water mixture flows into the annular space 14 and from there into the steam separator 12 '.
The connecting pipe 15 opens tangentia.l into the jacket of the steam separator. As a result of the relatively high speed at which the water is pressed into the separator, the tangential entry causes a rapid circular movement of the water, so that the steam is quickly separated from the water by centrifugation. The wet steam now goes on into the superheater 16, which can be embedded, for example, in the inner layer of the jacket.
At 17 the superheated steam leaves the steam generator to be directed to its place of use.
The compressor 10 serves to compress the combustion air. It sucks in the air at 18 and presses it at 19 into the combustion chamber. The air is first passed between the jacket and the insert in order to be preheated and to cool the jacket. At 20 it enters the actual combustion chamber, where it mixes with the fuel introduced by burner 21. Part of the combustion air can also be fed into the burner as "conveying air", while another part can be blown into the chamber as so-called secondary air through bores in use, for example at 2'12.
A water level indicator is indicated by which can also be connected to an automatic feed water control. The feed water is delivered to the collector at 24, for example. Of course, the collector receives the usual fittings for boilers. The regulation of the fuel can be made dependent on the steam pressure.
Fig? shows the details belonging to the actual vaporizer on a larger scale. The extension of the nozzle part 5 serving as a heating pipe was drawn here as a straight pipe; Insofar as parts of the same type are involved, the designations are the same as in Fig. 1.
The gases burned under pressure in the combustion chamber 1 are brought under pressure in the expansion nozzle 5 to high speed and flow at the speed of sound or almost the speed of sound through pipe 6, giving their 'heat to the one entering at 13, which also flows past at a relatively high speed Release circulation water. The water vapor mixture flows into the annular space 14 and is passed from there to the vapor separator. The pipe section 6 ends in baffles 7, which give the still rapidly flowing movement of the gas turbine wheel 8.
Give supply of the gas turbine wheel 6. One can imagine the nozzle parts 5 and nozzle pipes G arranged on the jacket of a cylinder or cone; The nozzle tubes 6 can extend, for example, both straight and helical. As a guide for the water, there are two concentric cylinder or conical jackets, between which the heating pipes are located. Only the outer jacket 4 needs to withstand the water (or steam) pressure, while the inner 2) 5 only serves as a guide plate.
At higher compression pressures (over 2.5 Ata), which you will choose, for example, to reduce the combustion chamber contents, the energy required to drive the compressor still requires fairly high amounts of flow velocity of the exhaust gases.
Since the gas turbine is usually a turbine that only has speed levels (single or multi-ring speed wheel), the temperature rise of the exhaust gases from the wheel and outlet losses can assume a considerable amount If the air is sealed, cooling of the air during compression is also recommended, and so that preheating by compression heat is not required, it is advantageous in these cases to preheat the compressed air with the exhaust gases from the gas turbine,
before it enters the combustion chamber. If the energy in the flue gases is insufficient to obtain the full compressor output, the missing energy can be provided by a steam turbine. In this case, a counter-pressure or counter-pressure extraction turbine can be used. and I use the extraction and exhaust steam to preheat the feed water.
In this @@ Teise, almost all of the heat that was used for the steam turbine is retained in the heat circuit of the steam generator, since the mechanical work of the steam turbine in the form of the compression heat of the combustion air (if it is not cooled) and the heat loss from the steam turbine together with the evaporation heat of the consumed steam is shared with the feed water.