Gasturbinenanlage. Die Erfindung betrifft eine Gasturbinen- anlage, bei der das Arbeitsmittel in minde stens einem Kompressor verdichtet, einer Er hitzung unterworfen und in mindestens einer Turbine wieder entspannt wird, und bei Ier im entspannten Arbeitsmittel enthaltene Wärme in einem Rekuperator wieder nutzbar gemacht wird.
Für solche Anlagen, insbeson dere wenn sie mit grossem Verbrennungsluft überschuss arbeiten, ist es bekannt, die Ver brennung so durchzuführen, dass nicht die gesamte Luftmenge zur eigentlichenVerbren- nung herangezogen wird, sondern beispiels weise im Luftstrom ein besonderer Einsatz aus feuerfestem Blech angeordnet ist, inner halb welchem die Verbrennung erfolgt. Als Verbrennungsluft dient dann nur diejenige, die durch diesen Einsatz durchtritt, während der übrige Teil der Luft um den Einsatz herumströmt. Am Austritt des Einsatzes werden die beiden Luftströme gemischt und gelangen mit der für die Schaufelung zuläs sigen Temperatur in die Turbine.
Dies hat aber den Nachteil; dass die Strömungsge- schwinfdigkeit innerhalb und ausserhalb des Einsatzes infolge desselben Druckabfalles in beiden Teilwegen dieselbe ist und dass die Durchmischung von Verbrennungsluft und Brennstoff grosse Schwierigkeiten mit sich bringt, beziehungsweise einen grossen Brenn raum erfordert.
Um diesen Nachteil zu beseitigen, bezie hungsweise die Wärmezufuhr zu fördern, ist nun gemäss der Erfindung für den Teil des Arbeitsmittels, der einer der Turbine vorge schalteten Wärmezufuhr zugeleitet wird, ein von dem Weg -des übrigen Teils des Ar beitsmittels getrennter Weg vorgesehen, wobei der getrennte Weg einen kleineren spezifi schen Strömungswiderstand als der Weg des übrigen Teils aufweist. Dies kann beispiels weise derart geschehen, dass der Raum für die Wärmezufuhr unmittelbar an einem Teil der Rekuperatorelemente, die als Taschen- oder Rohrelemente ausgebildet sein können, ange schlossen ist,
so dass die durch den Raum für die Wärmezufuhr strömende Arbeitsmit- telmenge vom Eintritt in den Rekuperator bis zum Austritt aus dem Raum für die Wärmezufuhr nicht mit dem übrigen Teil des Arbeitsmittels in Verbindung tritt. Das dem Raum für die Wärmezufuhr zugefügte Ar beitsmittel kann aber auch unter Umgehung des Rekuperators dem Raum für die Wärme zufuhr unmittelbar zugeführt werden und dadurch von dem übrigen Teil des Arbeits mittels, das Iden Rekuperator durchströmt, ge trennt sein.
Auf der Zeichnung sind zwei Ausfüh rungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt.
Fig. 1 und 2 sind Diagramme für den Druckverlauf imArbeitsmittel, zwischen dem Austritt aus dem Verdichter und dem Ein tritt in .die Turbine bei bekannten Anlagen und gemäss der Erfindung; Fig. 8 zeigt eine Gasturbinenanlage, zum Teil im Schnitt, bei welcher der Brennraum unmittelbar an einen Teil der Rekuperator- elemente angeschlossen ist;
Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbei spiel einer zum Teil im Schnitt gezeichneten Gasturbinenanlage mit einer Umgehungslei tung für das dem Bmennraum zugeführte Ar beitsmittel.
In den Fig. 1 und 2 ist der Druck im Arbeitsmittel als Ordinate aufgetragen. Der Nullpunkt des Druckes kann beliebig sein. Die Abszisse stellt den Strömungsweg dar. Der von links nach rechts abfallende Verlauf des Druckes gibt den Druckverlust wieder, der durch die Strömungswiderstände zwi schen dem Austritt des Arbeitsmittels aus dem Kompressor und dem Eintritt .desselb:>n in die Turbine bedingt ist und in der Haupt sache :durch den Strömungswiderstand inner halb des Rekuperators verursacht wird.
Fig. h stellt @dieVerhältnisse bei bekannten Anlagen -dar, Bei A tritt das verdichtete Arbeitsmittel, zum Beispiel Luft, in den Re kuperator ein, um ihn zu durchströmen. Der Druck fällt entsprechend den Reibungswider ständen und des pro Einheit,des Arbeitsmit tels, zum Beispiel pro Kilogramm, zur Ver- fügung stehenden Durchtrittsquerschnittes von p1 auf p, ab.
Bei B tritt das Arbeits mittel aus dem Rekuperator aus und weil in dem nun folgenden Teil des Strömungsweges von B bis E weite, kurze Kanäle vorhanden sind, stellt sich nur noch ein ganz kleiner Druckabfall ein. Der Einsatz, in welchem die Verbrennung stattfindet, erstreckt sich von C bis D. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass infolgedessen der Druckabfall ton p;; bis p, bei der Strömung des Arbeitsmittels durch den Einsatz hindurch nur sehr gering sein kann.
Somit ist es nicht möglich, innerhalb dieses Einsatzes, das heisst also im Verbren nungsraum, eine starke Wirbelbewegung des Arbeitsmittels zu erzeugen, denn hierzu müsste ein grosser Druckabfall zur Verfügung stehen. Bei den bekannten Anlagen herrscht also eine verhältnismässig schwache Turbu lenz im Verbrennungsraum und es sind bei diesen Anlagen die Verhältnisse für eine rasche Verbrennung ungünstig.
Infolgedessen muss der Verbrennungs raum sehr gross ausgebildet sein, um eine einwandfreie Verbrennung zu sichern. Würde nun, um diese Wirbelung zu erzeugen, inner halb des Einsatzes ein besonderer Druckab fall von p" auf p" vorgesehen, so müsste, damit der gewünschte Strömungszustand überhaupt eintritt, das heisst damit die ge wünschte Menge an Arbeitsmittel durch den Einsatz hindurchströmt, auch in demjenigen Teil des Arbeitsmittelstromes ausserhalb des Einsatzes der gleiche Druckabfall erzeugt werden, da an den beiden Enden des Ein satzes, beziehungsweise des Verbrennungs raumes,
die beiden Arbeitsmittelströme mit einander in Berührlmg kommen und somit den gleichen Druck aufweisen. Im letzteren Fall würde der Druck in beiden Arbeitsmit- telströmen zwischen C und D gemäss der ge strichelten Linie b verlaufen, so dass zwar im Einsatz für eine Durchwirbelung gesorgt wäre, hingegen zwischen Kompressor und Turbine ein zusätzlicher Druckabfall 4p <I>-</I> p,, -, pr, in Kauf zu nehmen ist, wodurch der Wir kungsgrad der Anlage beeinträchtigt wird.
Im Gegensatz dazu sind in Vig. 2' die Ver hältnisse dargestellt, wie sie sich in einer Anlage gemäss der Erfindung ergeben. Das Arbeitsmittel tritt bei F aus dem Verdichter aus und zum Beispiel in den Rekuperator ein und verlässt denselben bei G. Innerhalb des Rekuperators sind nun zwei getrennte Wege vorhanden.
Das Arbeitsmittel, das dem der Turbine vorgeschalteten Brennraum zuge führt wird, der zwischen G und H liegt, hat einen grösseren Querschnitt pro Einheit des durchströmenden Arbeitsmittels und/oder einen kleineren spezifischen Strömungswider stand, was im- Diagramm durch die gestri chelt, Linie c veranschaulicht wird, gegen über dem Weg des übrigen Arbeitsmittels, der im Diagramm durch die ausgezogen ge zeichnete Linie d dargestellt ist.
Der Ver lauf des Druckabfalles gemäss der Linie d ist praktisch derselbe wie in Fig. 1 von p, auf p2, zum Beispiel 1 bis 2 % des absoluten Druckes, oder 0,05 bis 0,1 at bei p1 = 5 ata. Das Arbeitsmittel, das zur Verbrennung herangezogen wird, und das zum Beispiel 1/a oder '/s ider gesamten Arbeitsmittelmenge betragen kann, erfährt durch den grösseren,
pro Einheit des durchströmenden Arbeitsmit tels zur Verfügung stehenden Querschnitt oder infolge des kleineren spezifischen Strö mungswiderstandes einen kleineren Druckab fall von pl auf p;
. Für die Durchströmung des Verbrennungsraumes von G bis H steht somit ein erhebliches Druckgefälle von p2 bis p3, zum Beispiel 0,025 bis 0,05 at, zur Ver- fügung, so dass im Verbrennungsraum eine gute Durchwirbelung von Arbeitsmittel und Brennstoff erzeugt werden kann.
Nun ist es aber nicht mehr notwendig, zur Erzeugung dieser Durchwirbelung den Druck vor der Turbine um den Betrag 4p gegenüber den be kannten Anlagen, ohne wesentliche Durch- wirbelung im Brennraum, herabzusetzen und es ergibt sich für die Anordnung nach der Erfindung ein ökonomischer Vorteil, weil der Energieverlust, der mit der für die Verbren nung erforderlichen Wirbelung verbunden ist, auf diejenige Arbeitsmittelmenge be schränkt wird, die für die Verbrennung wirk- lich gebraucht wird. Dieser Energieverlust entsteht dadurch,
dass der Teil des Rekupe- rators, durch den die dem Brennraum zuge- führteArbeitsmittelmengedurchströmt, etwas weniger durchlässt und durch den übrigen Teil etwas mehr durchströmen muss, wenn der kleinere Druckabfall im ersten Teil zum Bei spiel dadurch erzeugt wird, dass der Brenn- raum durch seine besondere Gestaltung dem Arbeitsmittelstrom einen bestimmten zusätz lichen Widerstand entgegensetzt und folglich das Arbeitsmittel in diesem Teil mit etwas kleinerer Geschwindigkeit strömt als im andern Teil.
Im übrigen ist dieser Verlust sehr klein und kann dadurch vermieden wer den, dass der Strömungsquerschnitt des Re kuperators entsprechend um ein geringes Mass vergrössert wird. Der Druckverlust 4p bei den bekannten Anordnungen ist in jedem Fall sehr viel grösser und kann nur vermie- .d.en werden, wenn durch die Anwendung von sehr grossen Brennräumen auf die Wirbelung im Brennraum verzichtet wird.
Ausserdem wird durch die Erfindung er möglicht, dass; eine bestimmte, zum voraus gut zu berechnende Arbeitsmittelmenge in den Brennraum gelangt, weil diese Arbeits- mittelmenge vom Druckverlust im Brenn raum selbst nur wenig abhängt. Die Druck verluste im Brennraum sind meist nicht genau bekannt, so dass sich _bei der Anord nung nach der Erfindung eine besonders grosse Unempfindlichkeit der Anlage gegen Zufälligkeiten der konstruktiven Anordnung oder des Betriebszustandes ergibt.
Bei der Gasturbinenanlage nach Fig. <B>13</B> tritt das Arbeitsmittel, zum Beispiel Luft, durch den Stutzen 1 des Kompressors 2 ein, wird im Kompressor 2 verdichtet und ge langt durch den Stutzen 3 in den Rekupera- tor 4. Ein Teil des Arbeitsmittels wird im vom Brennereinsatz 5 umschlossenen Brenn raum 6 einer Erhitzung unterworfen: Zu die sem Zweck ist der Brennereinsatz 5 mit einer Brennstoffdüse 7 versehen, durch welche Brennstoff zugeführt wird.
Durch den Stut zen 8 gelangt das Arbeitsmittel in die Tur bine 9, in der es entspannt wird- und tritt- durch den Stutzen 10 aus; es durchströmt den Rekuperator 4 im Gegenstrom, auf der Aussenseite der Rekuperatorelemente 11 und 12, wodurch im Arbeitsmittel nach der Ent spannung noch enthaltene Wärme zum Auf wärmen des die Elemente 11 und 12 durch strömenden Arbeitsmittels nutzbar gemacht wird. Das Arbeitsmittel tritt durch den Stutzen 13 aus. Der Einsatz 5 ist unmittel bar an die Rohre 12 des Rekuperators ange schlossen, so dass die Rohre 12 den Strö mungsweg für das Arbeitsmittel darstellen. ,das zum Brennraum 6 geführt wird.
Dieser Strömungsweg ist somit von dem Strömungs weg des übrigen Arbeitsmittels durch die Rohre 11 vollständig . getrennt. Eine Ver mischung der beiden Teile des Arbeitsmittels findet erst am Austritt des Brennraumes () im Stutzen 8 statt. Die Brennstoffzufuhr durch die Düse 7 wird so eingeste'l'lt, dass das den Brennraum 6 durchströmende Arbeits mittel auf eine derartige Temperatur ge bracht wird, dass nach Vermischung der bei den Arbeitsmittelmengen im Stutzen 8 die gewünschte, für die Schaufelung der Tur bine 9 zulässige Temperatur bei jeder Be lastung nicht überschritten wird.
Zur Erzeu gung einer Drallbewegung des Arbeitsmit tels im Brennraum 6 sind Leitschaufeln 11 vorgesehen. Diese Leitschaufeln können ver stellbar sein und zum Einstellen der in den Brennraum eintretenden Arbeitsmittelmenge dienen.
Bei der Gasturbinenanlage nach Fig. 4 ist am Stutzen 3 eine den Rekuperator 4 um gehende Leitung 20 vorgesehen, durch welche ,die getrennt zum Brennraum 21 im Einsatz 23 geführte Arbeitsmittelmenge hindurchge leitet wird. Die Elemente 24 des Rekupera- tors 4 bilden somit den Strömungsweg für den übrigen Teil des Arbeitsmittel.
Für die Brennstoffzufuhr ist die Düse 25 vorgesehen, die von Leitschaufeln 26 umgeben ist, welche dem in den Brennraum 21 eintretenden Ar beitsmittel eine Drallbewegung zur Erzie lung einer Durchwirbelung erteilen. Die Zu fuhr von Arbeitsmittel zum Brennraum 21 wird mittels der Klappe 27 geregelt; ferner ist an die Leitung 20 eine durch das Regel ventil 28 absperrbare Leitung 29 angeschlos sen.
Dadurch kann ein kleinerer oder grösse rer Teil des die Leitung 20 durchströmenden Arbeitsmittels unter Umgehung des Brenn- raumes 21 unmittelbar in den Stutzen 8 ein strömen, so dass auch dadurch die dem Brenn- raum 21 zuzuführende Arbeitsmittelmenge geregelt werden kann. Die letztgenannte Re gelung des Arbeitsmittel.., das Ventil 28 und die Umgehungsleitung 29 kann allein ohne die Klappe 27 verwendet -erden.
Die Tur bine 9 und der Kompressor 2 können in irgend einer bekannten Bauart ausgeführt und mit Zwischenerhitzung, beziehungsweise mit Zwischenkühlung arbeiten; auch kann ein Teil des Arbeitsmittels im Umlauf vom Stutzen 13 dem Stutzen 1 wieder zugeführt werden.
Als Arbeitsmittel kann nicht nur Luft, sondern auch ein CTemisclr von Luft und Brenngasen, sowie auch irgend ein Gas oder ein Dampf, zum Beispiel aus einem chemi schen Prozess, in Frage kommen. Anstatt eines Brennraumes, in den Brennstoff einge führt wird, kann das abgetrennte Arbeitsmit tel auch durch eine andere Erhitzungsvor- richtung, zum Beispiel in der Art eines Wärmeaustauschers, geleitet werden.
Das aus dem Brennraum, beziehungsweise der Erhit- zungsvorrichtung, austretende Arbeitsmittel kann nach Vermischung mit dem übrigen Teil des Arbeitsmittels anstatt einer Turbine auch mehreren Turbinen zugeführt werden.
An Stelle des Rekuperators kann auch ein anderer Teil der Anlage zur Bildung der beiden Teilwege verwendet werden.