Gasturbinenanlage. Die Erfindung bezieht sich auf eine Gas- tuurbinenanlage mit einer oder mehreren Gas turbinen, so-,vie einem oder mehreren davon angetriebenen Luftkompressoren. Zweck der Erfindung ist, eine einfache und mit hohem Wirkungsgrade arbeitende Gasturbinenan- lage besonders für mittelgrosse Leistungen zu schaffen.
Erreicht wird dies dadurch, dass die Luft in komprimiertem Zustand vor und nach Beendigung ihrer Kompression oder nur nach Beendigung ihrer Kompression durch Wasser gekühlt wird, wobei oder worauf das Kühlwasser oder .der daraus gebildete Dampf in die Luft eingeführt wird, und dass das da bei gebildete Gemisch in einem Regenerator durch ,die Abgase der Turbine bezw. Tur binen wieder erwärmt wird, worauf das Ge misch in eine Verbrennungshammer geleitet wird, von der aus das Treibmittel in die Tur bine bezw. Turbinen geführt wird.
Besonders günstig gestaltet sich die k- schriebeneAnlage. wenn die Luft adiabatisch verdichtet wird. Eine derartige Anlage kann auch bei einfacher und gedrängter Bauart mit hohem thermischem Wirkungsgrad ar beiten.
In der Zeichnung zeigen die Fig. 1 und<B>2</B> Beispiele von Gas-Entropie-Diagrammen; die Fig. 3 und 4 zeigen ein Beispiel ein-'.r fahrbaren Gasturbinenanlage gemäss der Er findung; Fig. 5 veranschaulicht ein weiteres Aus führungsbeispiel einer Anlage gemäss der Er- - findung, und zwar besonders für Schiffsan trieb, während die Fig: 6 bis 8 schematisch drei weitere Aus führungsbeispiele der vorliegenden Anlage darstellen.
Das in Fig. 1 gezeigte Gas-Entropie- diagramm veranschaulicht die Arbeitsweise einer einfachen Gasturbinenanlage mit nur einem Kompressor. A stellt,den Zustand der eingesaugten Luft, das heisst den Druck und die Temperatur derselben vor dem Kompres sor dar. Nach erfolgter Kompression hat die Luft den Druck und die Temperatur bei .B..
Nach der annähernd adiabatischen Kompres sion wird in die verdichtete und dadurch er hitzte Luft Wasser eingespritzt, so dass die Temperatur bis auf den Punkt C sinkt. Da,3 eingespritzte Wasser wird dabei infolge der hohen Temperatur der verdichteten Luft so gleich verdampft. Das entstandene Gemisch wird durch eine mit den Abgasen der Turbine betriebene Regeneriervorrichtung geleitet, wobei die Temperatur den Wert D erreicht. Alsdann wird die so erwärmte Mischung, di, als ein ideales Gas betrachtet werden kann, durch darin erfolgende Verbrennung noch weiter erhitzt, so dass sie die Temperatur E erreicht.
Nach annähernd adiabatischer Ex pansion in der Gasturbine sind Druck und Temperatur auf den Wert I' gefallen. Der Punkt G gibt den Zustand der Abgase nach Durchströmung der Regeneriervorriehtung an. Das in Fig. 2 gezeigte Diagramm. ver anschaulicht ein Arbeitsverfahren mit Ver wendung zweier Kompressoren und zweier Gasturbinen. Die Anlage ist also etw as kom plizierter, aber dafür lässt sich ein höherer thermischer Wirkungsgrad als bei dem in Fig. 1 gezeigten Diagramm erreichen.
Der Punkt A zeigt wieder den Druck und die Temperatur der Luft vor dem ersten Kom pressor und .C1 dieselben Grössen nach der adiabatischen Verdichtung in dem ersten Kompressor. Nach Abkühlung durch Wasser einspritzung wird der Zustand C1 und nach nochmaliger adiabatischer Verdichtung des durch das Einspritzen von Wasser entstan denen Gemisches der Punkt D erreicht. Dir Vorgang ist dann derselbe wie in bezug auf Fig. 1 beschrieben, und zwar bis zum Punkt E.
Von dort aus erfolgt eine erste Expansion nach I'" darauf eine Wiedererwärmui:g durch innere Verbrennung nach E, alsdann die zweite Expansion nach F und schliesslich -die letzte Wärmeabgabe im Regenerator bis zum Punkt G.
Es ist einleuchtend, dass man .die Abgas wärme der Gasturbine zur Erhitzung der von dem Kompressor gelieferten Luft direkt ver wenden und also die Kühlung durch Wasser vermeiden könnte. Dabei müsste man aber den Regenerator für noch grössere Volumina bauen; aber .der grösste Nachteil eines solchen Verfahrens liegt darin, dass man .die Abgas wärme nur in geringem Grade würde aus nutzen können.
Wenn man aber in die ver dichtete Luft -Wasser einspritzt und dadurch .die Temperatur der Luft bedeutend herab setzt, so wird der Unterschied zwischen. der Temperatur der Abgase und derjenigen der Luft Wesentlich grösser, so. dass sich von der Abgaswärme bei weitem mehr zurückgewin nen lässt. Das in die Luft eingespritzte Was ser wird, wie bereits eingangs erwähnt, ver dampft, und leistet auch in der Turbine Ar beit.
Eine Herabsetzung der Temperatur der verdichteten Luft kann auch in anderer Weise heibeigeführt werden, zum Beispiel durch Einspritzen von Wasser in -den Kom pressor oder zwischen die Kompressorstufen oder durch Oberflächenkühlung, wobei das dabei erhitzte Wasser oder der dabei gebil dete Dampf in die verdichtete Luft einge führt wird. Diese Art Kühlung ist zwar etwas komplizierter, ergibt aber einen höhe ren Wirkungsgrad des Kompressors.
Bei dem in r'ig. 3 und 4 gezeigten Aggre gat bezeichnet 1 eine Doppelumlaufturbine. deren eine Welle den Niederdruckkompres- sor 2 und deren andere Welle den Hochdruck kompressor 3. antreibt. Mit 4 ist eine zweite Doppelumlaufturbine bezeichnet, die die bei den Generatoren 5 und 6 treibt: Die Luft wird bei 7 eingesaugt und verlässt den Hoch druckkompressor bei 8, um in einen Kühler 9 einzutreten.
Beidem Eintritt in den Küh ler wird gleichzeitig durch eine Düse bei 1(1 in die Luft Kühlwasser eingespritzt, das du,reh die Leitung 11 von der auf der Welle des Niederdruckkompressors 2 angebrachten Pumpe 12 gefördert wird und in der kompri mierten Luft vollständig verdampft. Die Pumpe kann das Wasser einem nicht gezeig ten Behälter entnehmen.
Durch den Luftkühler 9, der mit einem Hahn 13 zum Abzapfen ,des etwa vorhande nen .Überschusswassers versehen ist, gelangt die Luft, gemischt mit dem verdampften Kühlwasser in der Richtung der Pfeile 14 zu dem mit den Abgasen der Turbinen be heizten Regenerator 15, durchströmt densel ben und tritt, wie von dem Pfeil 16 angege ben, in die Verbrennungskammer 17.
In diese Kammer 17 wird Brennöl eingespritzt, und zwar mit Hilfe einer Pumpe 18, die von der Welle des Niederdruckkompressors \? ange trieben wird, ihren Brennstoff von einem nicht gezeigten Behälter ansaugt, und densel ben durch die Leitungen 19 und 20 vermit telst einer Anzahl Düsen in die Verbren nungskammer einspritzt.
Das durch die Verbrennung erhitzte Treibmittel gelangt durch die Leitungen 21 und 22 zu den beiden Turbinen, in die es, wie von den Pfeilen 23 und 2-1 angedeutet, eingeführt wird. Nach der Expansion in den Turbinen gelangen die Abgase durch die Rohrleitungen 25 und 26 in den Regenerator 15 und treten nach Durchströmen desselben in der Richtung der Pfeile 27 (Fig. 4) durch den Ablass <B>28</B> aus. Mit 29 ist ein Behälter für Druckluft bezeichnet, die zum Anlassen der Anlage dient.
Um einen Begriff über die Grösse der ge zeigten fahrbaren Kraftanlage zu erhalten, sei erwähnt, dass die gezeigte Anlage bei einer Gesamtlänge von 20 Meter für 10000 <B>k \V,</B> berechnet wurde.
Fig. 5 zeigt eine Gasturbinenanlage nach der Erfindung für Schiffsantrieb mit el.ek- trischerKraftübertragung. Hier sind wieder zwei Doppelumlaufturbinen 30 und 31 vor handen. wobei die beiden Wellen 32 und 33 der ersteren die Generatoren '34 und 35 an treiben. Die Welle 33 treibt ausserdem den Niederdruekkompressor 36. Die Wellen 37 und 38 der Turbine 31 treiben .den Hoch- < Iriickkompressor 39 und den Mitteldruck- kompres.4or 1:0.
Bei normalem Betriebe saugt der Niederdi-tickkompressor 36 die Luft durch die Leitung 41 an, wobei die Rege lungsklappen 42 und 43 sich in der gezeigten offenen Lage befinden. Die verdichtete Luft tritt durch die Leitung 44 aus und gelangt in einen Kühler 45, in den durch die Düse 46 Wasser eingespritzt wird.
Die dadurcb gekühlte Luft mit darin befindlichem, fein verteiltem Wasser oder Dampf gelangt in den Mitteldruekkompressor 40, um nach Verdichtung darin durch die Leitung 47 in den Hoohdruckkompressar 39 hinüberzuströ- rnen. Die hochverdichtete Luft gelangt durch die, Leitung 48 in den Kühler 49, in den durch die Düse 50 Wasser eingespritzt wird.
Die dadurch entstandene Luft- und Dampf mischung gelangt nun in den mit den Ab gasen der Turbinen beheizten Regenerator 51, um nach der hierin erfolgenden Wärme- ufnahmedureh die Leituno, 52 abzuziehen. a a n Diese Leitung 52 führt,die regenerierte Mi schung zu der Verbrennungskammer 53, in welche durch die Düse 54 Brennstoff ein gespritzt wird.
Die nunmehr dureh die innere Verbrennung stark erhitzte Mischung gelangt durch die Leitung 55 in die Turbine .31, ver richtet Arbeit in dieser und tritt durch den Ausla.ss 56 in die. zweite Verbrennungskam mer 57. In diese wird durch die Düse 58 von neuem Brennstoff eingespritzt und mit Hilfe der noch darin vorhandenen Luft ver brannt. Die in dieser Weise von neuem er hitzte Mischung tritt nunmehr durch die Lei tung 59 in die Turbine 30 und verlässt nach der Expansion dieselbe durch den Auslass 60, der über die Leitung 61 mit dem Regenerator 51 in Verbindung steht.
Nach der Wärme abgabe in .dem Regenerator ziehen die Gase bei 62 ab.
Die Energie der beiden Generatoren<B>34</B> und 35 wird den Schleifringen 63 entnommen und dem elektrischen Motor 64 zugeführt. Dieser treibt den auf der Welle 65 ange brachten Propeller 66.
Soweit die Anlage bisher beschrieben wurde, dient sie zur Erzeugung der Leistung für die normale Fahrgeschwindigkeit des Schiffes. Wenn die Leistung, zum Beispiel bei forcierter Fahrt, zu steigern ist, so wird mittelst des Hebels 67 die Kupplung 68, 619 eingerückt, und damit auch der Kompressor 70 eingeschaltet. Die Welle 71 des Kom pressors dreht sieh nämlich immer mit der Turbinenwelle 32 und trägt den Kupplungs teil 68, der auf -dieser Welle gleitbar, aber nicht drehbar angeordnet ist, während der Kupplungsteil 69 mit der die Laufräder des Kompreseors 70 tragenden Hohlwelle 72 starr verbunden ist.
Beim Einrücken der Kupplung wird--die in dem Lufteinlass 41 befindliche Klappe 43 durch das von dem Hebel 67 betätigte Gestänge 73 geschlossen. Die Klappe 42 kann ebenfalls geschlossen werden. Der Lufteinlass 41 wird also ge schlossen, und die Luft wird nunmehr durch den Eimass 74 eingesaugt, in dem Kompres sor 70 vorverdichtet und gelangt dann durch die Leitung 75 zum Kompressor 36, der nun mehr als Mitteldruekkompressor dient.
Die vergrösserte Luftmenge lässt die Verbrennung einer grössern Brennstoffmenge zu, so da ss die Anlage eine erhöhte Leistung abgeben kann.
Fig. 6 zeigt schematisch eine weitere Ausführung gemäss der Erfindung. Die Tur bine<I>T</I> treibt den Kompressor K und den Generator $. Die verdichtete Luft tritt aus dem Kompressor in den Kühler 0, in den durch die Leitung 76 Wasser zur Kühlung .der verdichteten Luft eingespritzt wird. Dieses Wasser wird aus einem Behälter L mit Hilfe einer durch einen Motor 112 an getriebenen Pumpe P angesaugt und durch strömt auf dem Wege zum Kühler 0 den Regenerator R2. Es gelangt also in vorge wärmtem Zustande in den Kühler 0.
Die in dem letzteren entstandene Luft- und Wasser mischung bezw. Luft- und Dampfmischung gelangt dann in den -ersten, mit den Abgasen der Turbine T geheizten Regenerator Ri und wird darin vorgewärmt. Nachher tritt die Mischung in die Verbrennungskammer 8 und strömt schliesslich durch die Leitung 77 zur Turbine. Die Abgase der letzteren durch ziehen also die Regeneratoren Ri und R2 nacheinander und treten durch den Auslass bei U ab.
Bei der Anlage nach Fig. 7 ist der Kom pressor K gekühlt, und zwar durch in den Weg der Luft eingesetzte Oberflächenküh ler X. Das Kühlwasser hierfür wird ähnlich wie bei Fig. 6 aus dem Behälter L ange saugt. Das Kühlwasser wird durch die Lei- tun- 76 aus dem Kühler abgeführt. @hireh- strömt den Regenerator R,2 und wird in den Kühler 0 eingespritzt.
In den letzteren ge langt auch durch die Leitung 78 die kompri mierte Luft aus .dem Kompressor K. Die Wirkungsweise ist im übrigen die gleiche wie diejenige der Anlage nach Fig. 6.
Fig. 8 zeigt eine Anlage mit zwei Kom pressoren Ki und K2. Das Kühlwasser ge langt aus dem Behälter Li in -den Kühler Xi des Kompressors Ki und fliesst bei 79 ab, während die in Ki verdichtete Luft durch die Leitung 80 in den Kühler 01 einströmt. In diesen wird aus. dem Behälter L2 durch die Zweigleitung 81 kommendes Kühlwasser eingespritzt, worauf die Mischung durch die Leitung 82 dem Kompressor K2 zugeführt wird.
Der Kühler X2 des letzteren erhält ebenfalls das Kühlwasser aus dem Behälter L2, und zwar durch die Leitung 83. Die den Kompressor K2 verlassende Luft- und Dampfmischung gelangt durch die Leitung 84 in den Kühler 02, in welchen auch das im Kühlmantel X2 und im Regenerator R2 vorgewärmte Kühlwasser des Kompressors K2 dureh die Leitung 85 eingeführt wird. Unter Umständen kann auch dieses Kühlwas ser in dem Regenerator R2 in Dampf über führt werden.
Die den Kühler 02 verlassende Mischung durchströmt zunächst den Regene- rator Bi, tritt dann in die Verbrennungskam mer<B>S</B> und strömt schliesslich zur Turbine.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich, kann die Expansion des Treibmittels in in Reihe ge schalteten Turbinen mit dazwischenliegender Wiedererwärmung durch innere Verbren nung erfolgen. Dabei können hinsichtlich der Treibmittelzuführung .den parallel liegenden Turbinen noch weitere Turbinen oder Turbi nensätze in Reihe nachgeschaltet sein.
Die in den Fig. 3 und 4 angedeuteten Turbinen sind zweckmässig mehrstufige Reaktionsturbinen der Bauart Ljungström; aber es lässt sich auch denken, dass die Expansion in den Tur binen einstufig erfolgt, Die Kühlung der komprimierten Luft kann auch durch Einführung von Wasser in die Kompressoren oder zwischen die Kom- pressorstufen erfolgen. Die Luft kann auch zunächst durch Oberflächenkühler vorgekühlt werden, ehe das Wasser in die Luft einge führt wird.