Wärmekraftanlage, in welcher ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt. Die Erfindung betrifft eine Wärmekraft anlage, in welcher ein gasförmiges Arbeits mittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen ge schlossenen Kreislauf unter Überdruck be schreibt, wobei das durch äussere Wärmezu fuhr 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 bezw. Turbinen und den Turboverdichter bezw. die Turboverdichter Betriebsverhält nisse zu schaffen, bei denen jede dieser Ma schinengattungen unter den Betriebsverhält nissen arbeiten kann, die es erfordert, um hohe Wirkungsgrade erreichen zu können. Zu diesem Behufe arbeitet bei einer Wärme kraftanlage der erwähnten Art der Turbo- verdichter mit höherer Drehzahl als die Ma schine, welche Leistung nach aussen abzu geben hat.
Weist die Turbine einer solchen Anlage mindestens zwei Läufer auf, von denen der eine den Turboverdichter und der andere eine Leistung nach aussen abgebende Maschine an treibt, so können die Läufer über Mittel mit einander gekuppelt sein, welche ständig einen solchen Ausgleich zwischen den von den Läu fern abgegebenen Leistungen bewirken, dass jeder dieser Läufer praktisch immer gerade die Leistung abgibt, für die er vorgesehen worden ist.
Ferner können der bezw. die mit hohem Druck und hoher Temperatur arbei tenden Turbinenläufer höhere Drehzahlen aufweisen als der andere bezw. die übrigen Turbinenläufer, sowie den bezw. die Turbo verdichter antreiben.
Auf den beiliegenden Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsbeispieledes Erfin dungsgegenstandes in zum Teil vereinfachter Darstellungsweise veranschaulicht, wobei in allen Fällen angenommen ist, dass als Arbeits- mittel Luft verwendet wird.
Dabei zeigt: Fig. 1 eine Anlage, bei welcher eine Luft turbine und ein Axialverdichter verschieden- axig angeordnet und der Verdichter mit höherer Drehzahl als die Turbine läuft, wo bei letztere einen Generator antreibt; Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei welcher zwei hintereinander geschaltete Turbinenge häuse vorgesehen sind, wobei der mit hohem Druck und hoher Temperatur arbeitende Tur binenläufer mit höherer Drehzahl läuft als der zweite Turbinenläufer, sowie den Ver dichter antreibt: Fig. 3 zeigt eine Anordnung, bei welcher der das Hochdruckgefälle verarbeitende Teil der Turbine mehrgehäusig ausgebildet ist, wobei diese Gehäuse parallel geschaltet sind;
Fig. 4 zeigt eine Anlage, bei welcher der das Niederdruckgefälle verarbeitende Teil der Turbine mehrgehäusig ausgebildet ist, wobei diese Gehäuse parallel geschaltet sind; Fig. 5 zeigt eine Anlage, bei welcher so wohl der das Hochdruckgefälle, als auch der das Niederdruckgefälle verarbeitende Teil der Turbine mehrgehäusig ausgebildet sind, wo bei die Gehäuse des Hochdruckteils parallel und die des Niederdruckteils in Reihe ge schaltet sind; Fig. 6 zeigt eine Anlage mit einer Tur bine radialer Bauart, von welcher die Schau felengen der beiden Läufer in bezug aufein ander so ausgebildet sind, dass diese Läufer dauernd mit gegenseitig wesentlich verschie denen Drehzahlen laufen; dabei ist mit dem einen der Läufer ein Motorgenerator gekup gekup pelt, der an dasselbe Netz wie ein von der Turbine angetriebener Generator geschaltet ist.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Anlage be schreibt das Arbeitsmittel, als welches Luft verwendet wird, einen geschlossenen Kreis lauf unter Überdruck. Diese Luft wird in einer als Erhitzer 1 ausgebildeten Zufuhr stelle äusserer Wärme erhitzt. Die eigent liche Erhitzung erfolgt in einem Oberflächen wärmeaustauscher 2, welcher von den Feuer gasen umspült wird; die Erhitzung wird vor teilhaft auf mindestens 500' C getrieben. Die so erhitzte Luft gelangt in eine mehr- stufige Luftturbine 3 axialer Bauart, wo sie unter Leistungsabgabe expandiert.
Die Tur bine 3 treibt unmittelbar einen Generator 4 an und über ein Übersetzungsgetriebe 51 einen als mehrstufiger Axialverdichter 5 aus gebildeten Kreiselverdichter, der somit mit höherer Drehzahl arbeitet als die Turbine 3, welche über den Generator 4 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 3 strömende Luft gelangt durch eine Leitung 6 in einen als Gegenstromapparat ausgebildeten Wärmeaus- tauscher 7, wo sie Wärme an Luft höheren Druckes abgibt, die vom Axialverdichter 5 durch eine Leitung 9 in den Wärmeaustau- scher 7 gefördert wird und diedurch eine Leitung 8,dem Oberflächenwärmeaustauscher 2 zuströmt.
Der Vollständigkeit halber sei noch er wähnt, dass 19 .eine Leitung bezeichnet, durch die von einem Gebläse 20 in einen Wärme- austauscher 18 geförderte Luft in den Er hitzer 1 gelangt.
Dem Wärmeaustauseher 18 strömen durch eine Leitung 17 Heizgase aus dem Erhitzer 1 zu. 25 bezeichnet einen Küh ler, in welchem die aus dem Wärmeaustau- scher 7 in den Verdichter 5 überströmende Luft vorgekühlt wird. 12 bezeichnet eine Pumpe, Welche Kühlwasser in den Axialver- dichter 5 fördert. Schliesslich bezeichnet 45 einen Hilfsmotor, welcher zum Anlassen der Anlage dient.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungs form ist,die Turbine zweigehäusig ausgebil det. Die zwei Turbinenteile 3a, 3b sind hin tereinander geschaltet. Der mit höherem Druck und höherer Temperatur arbeitende Läufer des Turbinenteils 3a, der den mehr stufigen Axialverdichter 5 antreibt, weist höhere Drehzahlen auf als der Läufer -des Niederdruckteils 3b, welch letzterer den ihm zugeordneten Generator 4 unmittelbar an treibt. Die Läufer der zwei Turbinenteile 3a, 3b sind überein Getriebe 52 miteinander gekoppelt.
Dieses Getriebe dient nicht zur eigentlichen Leistungsübertragung, sondern es fällt ihm vor allem die Aufgabe zu, stän dig einen solchen Ausgleich zwischen den von den Läufern der Turbinenteile 3a, 3b ab gegebenen Leistungen zu bewirken, dass jeder dieser Läufer praktisch immer gerade die Leistung abgibt, welche die von ihm direkt angetriebene Maschine erfordert und für die er berechnet worden ist.
Die vom Getriebe 52 zu übertragende Ausgleichsleistung be trägt immer nur einen Bruchteil der verschie denen Maschinenleistungen, so dass die Ver luste in diesem Getriebe, im Vergleiche zur Gesamtleistung der Anlage, einen äusserst geringen Prozentsatz ausmachen. Mit 45 ist wieder ein Hilfsmotor zum Anlassen der An lage bezeichnet.
Fig. 3 zeih eine Anlage, bei welcher der das Hochdruckgefälle verarbeitende Teil der Turbine zweigehäusig ausgebildet ist. Dazu weist die Turbine noch ein Niederdruckge häuse 3b auf, dessen Läuferdirekt den Gene rator 4 antreibt. Die zwei Gehäuse 3a, 3aa des Hochdruckteils sind parallel geschaltet und es treibt jeder der Läufer dieses Hoch druckteils einen Verdichter 5a bezw. 5b an. Die zwei Verdichter 5a, 5b sind hinterein ander geschaltet. Die Läufer des Hochdruck teils arbeiten mit höherer Drehzahl als der den Generator 4 antreibende Läufer des Nie derdruckteils.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei welcher der das Niederdruckgefälleverarbeitende Teil der Turbine mehrgehäusig ausgebildet ist, wobei die Gehäuse 3b, 3bb parallel geschaltet sind. Der Niederdruckteil 3b, 3bb ist mit dem Hochdruckteil 3a in Reihe geschaltet. Die Läufer der Teile 3b, 3bb treiben einen ge meinsamen Generator 4 an und arbeiten mit kleinerer Drehzahl als der Läufer des Hoch druckteils.
Fig. 5 zeigt eine Anlage, bei welcher so wohl der Hochdruckteil, als auch der Nieder- druckteilder Turbine zweigehäusig ausgebil det sind. Die Gehäuse 3a, 3aa des Hoch druckteils sind parallel und die Gehäuse 3b, 3bb des Niederdruckteils in Reihe geschaltet. Die gesamte Luftmenge gelangt somit aus dem Hochdruckteil vorerst in das Gehäuse 3b des Niederdruckteils. Der Läufer der Tur bine 3a treibt einen Verdichter 5a und der Läufer der Turbine 3aa einen Verdichter 5b an. Die Verdichter 5a, 5b sind parallel ge schaltet. Der Läufer der Turbine 3b treibt direkt einen Generator 4a und ,der Läufer der Turbine 3bb direkt einen Generator 4b an.
Die Läufer der Turbinen 3a, 3aa arbeiten mit hö heren Drehzahlen als die Läufer der Turbi nen 3b, 3bb.
Bei der in Fig. 6 gezeigten Anlage ist eine gegenläufig arbeitende Turbine radialer Bauart vorgesehen. Die Schaufelungen der Läufer 3a, 3b dieser Turbine sind in bezug aufeinander so ausgebildet, dass diese Läufer dauernd mit gegenseitig wesentlich verschie denen Drehzahlen laufen, und zwar der Läu fer 3a, welcher .den Axialverdichter 5 an treibt, mit höherer Drehzahl als der Läufer 3b, welcher den Generator 4 antreibt.
Mit dem Läufer 3b ist noch ein Motorgenerator 53 gekuppelt, der in nicht gezeigter Weise an dasselbe Netz wie der Generator 4 ge schaltet ist und der bewirkt (indem er je nach Erfordernis als Generator oder als Mo tor läuft), dass jeder der Turbinenläufer 3a, 3b praktisch immer die Leistung abgibt, für die er berechnet worden ist.
Der Turbinenteil, welcher Leistung nach aussen abzugeben hat, kann diese, anstatt über einen Generator, auch unmittelbar abgeben, indem er eine Transmission, eine Arbeits maschine oder dergl. antreibt. An Stelle von Axialverdichtern können selbstverständlich auch Zentrifugalverdichter vorgesehen wer den. Ferner kann man auch bei den Aus führungen nach Fig. 3, 4 und 5 in nicht ge zeigter Weise, Läufer verschiedener Dreh zahl über Mittel, z.
B. Zahnrädergetriebe oder Motorgeneratoren, miteinander koppeln, da mit durch solche Mittel ständig ein solcher Ausgleich zwischen d en von den betreffenden; Läufern abgegebenen Leistungen bewirkt wird, dass jeder dieser Läufer gerade die Lei- stung abgibt, für .die er vorgesehen worden ist.
In a,11 den Fällen, wo die Turbine mehr- gehäusig ausgebildet ist, empfiehlt es sieh, die rascher laufende Maschine oder Maschi nen, d. h. also den oder die Verdichter, von den Teilender 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 Läu fer ausgesetzt sind, vom Festigkeitsstand punkt aus gesehen, günstig ist. In diesem Zusammenhang ist auch wichtig, dass infolge des kleinen spezifischen Volumens der ver dichteten Luft in allen Fällen vor allem die Abmessungen der Turbine, aber auch die des Kreiselverdichters, selbst für grosse Leistun gen sehr klein werden.
Dies ist besonders erwünscht, weil man zwecks möglichst hoher Wärmeausnützung in Zukunft mit möglichst hohen Eintrittstemperaturen an der Turbine arbeiten wird.
Bei mehrgehäusiger Ausbildung der Tur bine 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 zwischen überhitzt wird.
Thermal power plant in which a gaseous working medium, preferably air, continuously describes a closed circuit under excess pressure. The invention relates to a thermal power plant in which a gaseous working medium, preferably air, continuously writes a closed circuit under overpressure, with the working medium heated by external heat supply expanding under external power output in at least one turbine and then again in at least one turbo compressor is brought to higher pressure.
The purpose of the invention is BEZW for the turbine. Turbines and the turbo compressor respectively. to create the turbo-compressor operating conditions in which each of these machine types can work under the operating conditions required to achieve high levels of efficiency. To this end, in a thermal power plant of the type mentioned, the turbo compressor works at a higher speed than the machine, which has to give out power to the outside.
If the turbine of such a system has at least two rotors, one of which drives the turbocompressor and the other of which drives a machine that delivers power to the outside, the rotors can be coupled to one another via means which constantly provide such a balance between the running of the runs Remotely delivered achievements mean that each of these runners practically always delivers exactly the achievement for which he was intended.
Furthermore, the BEZW. the turbine rotors working with high pressure and high temperature have higher speeds than the other respectively. the other turbine runners, as well as the BEZW. drive the turbo compressors.
In the accompanying drawings, various exemplary embodiments of the subject matter of the invention are illustrated in a partially simplified manner of representation, it being assumed in all cases that air is used as the working medium.
1 shows a system in which an air turbine and an axial compressor are arranged in different axes and the compressor runs at a higher speed than the turbine, where the latter drives a generator; Fig. 2 shows an arrangement in which two cascading Turbinenge are provided, the turbine rotor operating at high pressure and high temperature running at a higher speed than the second turbine rotor, as well as driving the Ver denser: Fig. 3 shows an arrangement in which the part of the turbine that processes the high pressure gradient is designed with multiple housings, these housings being connected in parallel;
4 shows a system in which the part of the turbine which processes the low pressure gradient is designed with multiple housings, these housings being connected in parallel; Fig. 5 shows a system in which so well the high pressure gradient, as well as the low pressure gradient processing part of the turbine are designed with multiple housings, where the housing of the high pressure part in parallel and that of the low pressure part in series ge are switched; Fig. 6 shows a system with a turbine of radial design, of which the show felengen of the two runners with respect to each other are designed so that these runners continuously run at mutually substantially different speeds; with one of the runners a motor generator is gekup kup pelt, which is connected to the same network as a generator driven by the turbine.
In the system shown in Fig. 1 be writes the working fluid, as which air is used, a closed circuit under positive pressure. This air is heated in a supply point designed as a heater 1, external heat. The actual heating takes place in a surface heat exchanger 2, which is surrounded by the fire gases; the heating is driven to at least 500 ° C before geous. The air heated in this way passes into a multi-stage air turbine 3 of axial design, where it expands with output.
The turbine 3 drives a generator 4 directly and via a transmission gear 51 a centrifugal compressor formed as a multi-stage axial compressor 5, which thus operates at a higher speed than the turbine 3, which outputs power to the outside via the generator 4. The heated air expands in the turbine 3 to at least half the pressure that it has at the inlet into the same.
The air flowing out of the turbine 3 passes through a line 6 into a heat exchanger 7 designed as a countercurrent apparatus, where it gives off heat to air of higher pressure, which is conveyed from the axial compressor 5 through a line 9 into the heat exchanger 7 and that through a Line 8, the surface heat exchanger 2 flows.
For the sake of completeness, it should also be mentioned that 19 designates a line through which air conveyed by a fan 20 into a heat exchanger 18 reaches the heater 1.
Heating gases from the heater 1 flow through a line 17 to the heat exchanger 18. 25 denotes a cooler in which the air flowing over from the heat exchanger 7 into the compressor 5 is pre-cooled. 12 denotes a pump which conveys cooling water into the axial compressor 5. Finally, 45 denotes an auxiliary motor which is used to start the system.
In the embodiment shown in Fig. 2, the turbine has two housings ausgebil det. The two turbine parts 3a, 3b are connected one behind the other. The higher pressure and higher temperature rotor of the turbine part 3a, which drives the multi-stage axial compressor 5, has higher speeds than the rotor of the low-pressure part 3b, which the latter drives the generator 4 assigned to it directly. The rotors of the two turbine parts 3a, 3b are coupled to one another via a gear 52.
This gear is not used for the actual power transmission, but its main task is to constantly bring about such a balance between the power given by the rotors of the turbine parts 3a, 3b that each of these rotors is practically always delivering the power, which the machine directly driven by it requires and for which it has been calculated.
The compensation power to be transmitted by the gearbox 52 is always only a fraction of the various machine outputs, so that the losses in this gearbox make up an extremely small percentage compared to the total output of the system. 45 with an auxiliary motor for starting the system is again referred to.
3 shows a system in which the part of the turbine which processes the high pressure gradient is constructed in two cases. In addition, the turbine has a Niederdruckge housing 3b, the rotor of which drives the generator 4 directly. The two housings 3a, 3aa of the high pressure part are connected in parallel and each of the runners of this high pressure part drives a compressor 5a respectively. 5b. The two compressors 5a, 5b are connected one behind the other. The runner of the high pressure part work at a higher speed than the generator 4 driving runner of the low pressure part.
FIG. 4 shows an arrangement in which the part of the turbine which processes the low pressure gradient is designed with multiple housings, the housings 3b, 3bb being connected in parallel. The low-pressure part 3b, 3bb is connected in series with the high-pressure part 3a. The runners of parts 3b, 3bb drive a common generator 4 and work at a lower speed than the runner of the high-pressure part.
5 shows a system in which both the high-pressure part and the low-pressure part of the turbine are designed with two housings. The housing 3a, 3aa of the high pressure part are connected in parallel and the housing 3b, 3bb of the low pressure part in series. The entire amount of air thus initially passes from the high-pressure part into the housing 3b of the low-pressure part. The rotor of the turbine 3a drives a compressor 5a and the rotor of the turbine 3aa drives a compressor 5b. The compressors 5a, 5b are connected in parallel. The rotor of the turbine 3b directly drives a generator 4a and the rotor of the turbine 3bb directly drives a generator 4b.
The runners of the turbines 3a, 3aa work at higher speeds than the runners of the turbines 3b, 3bb.
In the system shown in FIG. 6, a counter-rotating turbine of radial design is provided. The blades of the rotors 3a, 3b of this turbine are designed in relation to one another so that these rotors continuously run at mutually substantially different speeds, namely the rotor 3a, which drives the axial compressor 5, at a higher speed than the rotor 3b which drives the generator 4.
A motor generator 53 is coupled to the rotor 3b, which is connected to the same network as the generator 4 in a manner not shown and which causes (by running as a generator or as a motor as required) that each of the turbine rotors 3a, 3b practically always delivers the service for which it was calculated.
The turbine part, which has to output power to the outside, can also output this directly, instead of via a generator, by driving a transmission, a work machine or the like. Instead of axial compressors, centrifugal compressors can of course also be provided. Furthermore, you can also in the executions according to FIGS. 3, 4 and 5 in not ge shown manner, runners of different speeds over means, for.
B. gears or motor-generators, couple with each other, since with such means constantly such a balance between the s of the concerned; Performances given to runners will cause each of these runners to give the performance for which they were intended.
In a, 11 cases where the turbine is designed with multiple housings, it is recommended to use the faster running machine or machines, i. H. That is, to have the compressor (s) driven by the parts of the turbine that process the high temperatures and high pressures. In such a case, the rotors of the relevant turbine parts can be made relatively small due to their high speed.
Small wheel diameters of the turbine in turn lead to low loads on the runners, which is favorable in view of the high temperatures to which the runners in question are exposed, from the point of view of strength. In this context, it is also important that, as a result of the small specific volume of the compressed air, the dimensions of the turbine in particular, but also those of the centrifugal compressor, become very small even for large capacities.
This is particularly desirable because, in order to utilize the heat as much as possible, one will work on the turbine with the highest possible inlet temperatures in the future.
In the case of a multi-housing design of the turbine, the thermal efficiency can be further improved by the fact that the air, which has been cooled by work output in one stage, is overheated again to the region of the initial temperature after the expansion.