Gasturbinenanlage. Die Erfindung bezieht sich auf eine Gas turbinenanlage, bei der ein sauerstoffenthal tendes Arbeitsmittel in mindestens einem Turbokompressor verdichtet wird, worauf ein Teil des verdichteten Arbeitsmittels in einem Verbrennungsraum erhitzt und ein anderer Teil nicht an der Verbrennung teilnimmt und um den Verbrennungsraum herumgeleitet und durch Wärmeaustausch vom ersten Teil er- bitzt wird,.
Das Neue der Erfindung besteht darin, dass der im Verbrennungsraum erhitzte Teil des Arbeitsmittels und der durch Wärmeaustausch erhitzte Teil des Arbeits mittels, in parallelem Fluss, getrennt vonein- änder entspannt werden. Durch die Trennung der beiden Teile ist es. möglich, die Bauteile ,der Anlage von Wärmespannungen zu ent lasten.
Eine besonders weitgehende Ent lastung von Wärmespannungen wird dann gesichert, wenn die beiden Teile des Arbeits mittels durch einen Oberflächen-Wä.rmeaus- tau.scher geführt werden, der idie Wärme des durch den Verbrennungsraum geführten Teils an den um den Verbrennungsraum herum- geführten Teil so weit überträgt, dass am Austritt aus dem Wärmeaustauscher die bei den Teile des Arbeitsmittels im wesentlichen die gleiche Temperatur besitzen.
Es wurde schon vorgeschlagen, bei Gas- turbinenanlagen einen Teil des verdichteten, sauerstoffenthaltenden Arbeitsmittels in einen Verbrennungsraum zu führen und den andern zur Kühlung um den Verbrennungs raum herumzuleiten. Der an der Verbren nungskammer vorbeigeführte Teil des Ar- beitsm@ittels strömt dann in, einem um die Verbrennungsgasleitung herumgelegten Man tel zur Kühlung der Verbrennungsgasleitung zur Turbine.
In -der Bes,chaufelung derTurbine mischte ;sich der zur Kühlung verwendete Teil des Arbeitsmittels mit dem erhitzten Teil des Arbeitsmittels. Diesem Vorschlag haftet der Nachteil -an, dass besonders in den Schaufeln der ersten Kränze infolge der Mi schung der beiden Arbeitsmittelteile unzu- lässig hohe Temperaturunterschiede und :da durch entstehende Temperaturspannungen auftraten. Auch das Gehäuse der Turbine lief Gefahr, verzogen zu werden.
Die Be triebsgefahren werden behoben, wenn die bei den Arbeitsmittelteile in parallelem Fluss getrennt voneinander entspannt werden.
Es besteht die Möglichkeit, einen Teil des Arbeitsmittels nach einer ersten Entspan nung einem weiteren Verbrennungsraum zu zuführen und danach in einem weiteren Wärmeaustauscher an einem andern Teil des Arbeitsmittels so weit Wärme zu übertragen, dass am Austritt aus dem Wärmeaustauscher vor einer weiteren Entspannung die beiden Teile des Arbeitsmittels im wesentlichen die gleiche Temperatur besitzen.
Soll eine Unterteilung der Entspannung in mindestens zwei Stufen stattfinden, so empfiehlt es sich, das Arbeitsmittel in einer ersten Stufe die zur Verdichtung notwendige Arbeit leisten zu lassen und nach einer Zwi schenerhitzung in einer zweiten Stufe zur Nutzleistung nach aussen heranzuziehen.
Eine Gasturbinenanlage nach der Erfindung kann zweckmässig durch eine -aus einer Turbine und einem Gebläse bestehende Aufladegruppe er gänzt werden, deren Turbine durch Arbeits mittel, welches schon zur Leistung von Ar beit herangezogen wurde, beaufschlagt wird. Es empfiehlt sich, den durch den Verbren nungsraum geführten Teil des Arbeitsmittels einem Stauba.bscheider zuzuführen.
Die beiden Teile des Arbeitsmittels wer den vorteilhaft im Gegenstrom durch diesen Wärmeaustausehergeleitet.
Durch die Erfindung wird ausserdem er i möglicht, den durch den Verbrennungsraum geführten Teil des Arbeitsmittels in einem Staubabscheider von Verunreinigungen zu befreien, weil die Verbrennungsgase nach dem Wärmeaustausch eine Temperatur auf weisen, die für den Staubabscheider nicht mehr schädlich ist.
Ferner wird es möglich, einen grösseren Teil des Arbeitsmittels als reine Luft durch die Anlage zu führen, so dass die wichtigen Teile der Anlage, insbe sondere Turbinen und Rekuperatoren, vor Verunreinigung geschützt sind.
Die Trennung des Arbeitsmittels m einen Teil, der durch den Verbrennungsraum geleitet wird, und in einen andern Teil, ,der an der Verbrennung nicht teilnimmt, ermöglicht es auch, die Ver- brennungsgase von der noch reinen Luft ge trennt durch die Anlage zu führen, so dass für die Verbrennungsbase geeignete Ma schinen und Wärmeaustauscher verwendet -erden können. Ausserdem lässt.
sich das, an der Verbrennung nicht beteiligte Arbeits- mittel nach Rückkühlung in der Anlage wie der verwenden, so dass die in ihm noch ent haltene Verdichtungsenergie verwertet wer den kann.
Zwei Ausführungsbeispiele des Erfin dungsgegenstandes sind auf der Zeichnung vereinfacht,dargestellt.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel, bei dem der im Verbrennungsraum erhitzte, Teil des Arbeits mittels und der durch Wärmeaustausch er hitzte Teil getrennt in besonderen Turbinen entspannt werden.
Fig. 2 stellt ein weiteres Beispiel dar, bei dem noch ein besonderes Aufladeturboaggre- ga.t vorgesehen ist.
Der Turbokompressor 1 (Fig.l) saugt Luft durch den Stutzen 2 an und verdichtet sie unter Zwischenkühlung im Kühler 3. Die verdichtete Luft strömt durch die Leitung 4 in .den Rekuperator 5 und gelangt in den Ver brennungsraum 9.
Es sind besondere Tur binen 12 und 20 vorgesehen zur Verarbeitung der erhitzten Luft und eine besondere Tur bine 14 zur Verarbeitung -des Verbrennungs- gases. Die Luft expandiert in der Hochdruck turbine 12, während das Verbrennungsgas nach Reinigung im Abscheider 13 bezw. 21 in die Turbine 14 gelangt.
Von der Hochdruckturbine 12 gelangt die Arbeitsluft in die Leitung 15, dann in die Zwischenerhitzungsvorrichtung 7a, die in genau gleicher Weise arbeitet, wie die Er hitzungsvorrichtung 7.
E wird also wie derum ein Teil der Luft in den Verbren nungsraum 17 geleitet, um durch Brennstoff zufuhr .durch die Leitung 10a hocherhitzt zu werden und dann durch den Wärmeverteiler 19 zu strömen, während der übrige Teil. oder Luft in den Raum 18 gelangt und durch den Wärmeverteiler 19 auf höhere Temperatur gebraeht wird.
Ein Teil des Verbrennungs gases gelangt. nun über den Absehender 21 und durch die Leitung 22 in die Turbine 14, während die Luft in der Niederdruckturbine 20 weiter expandiert wird.
Die Hochdruckturbine 12 und die Gas turbine 14, die über Zahnräder 34, 35, 36 zusammengekuppelt sind, treiben den Turbo kompressor 1, während die Niederdrucktur- 3 bine 20 .den Generator 26 antreibt. Nach Aus tritt aus,der Turbine 20 wird die Luft durch die Leitung 24 dem Rekuperator 5 zugeführt, während, das Abgas .der Turbine 14 durch die Leitung 23 ebenfalls. in den Rekuperator 5 gelangt. Dieses Gas durchströmt aber be sondere Wärmeaustauschelemente des Reku- perators 5 (z. B.
Rohre oder Taschen), wird also nicht mit der Luft gemischt. Eine solche Mischung findet erst .im Austrittsstutzen 25 statt, durch den das gesamte Arbeitsmittel die Anlage verlässt.
In Fig. 2 ist ein besonderes Turboaggre- (yat, bestehend aus Abgasturbine 41 und Auf ladegebläse 44, vorgesehen, das die ganze übrige Anlage 1, 12, 14, 20 auf höheren Druck auflädt. Das Gebläse 44 saugt das Arbeitsmittel, zum Beispiel Luft, durch den Stutzen 43 an, verdichtetes unter Zwischen kühlung im Zwischenkühler 45 und führt es unter nochmaliger Kühlung im Kühler 46 dem Hauptverdichter 1 schon in stark ver dichtetem Zustand (z. B. mit 4 at) zu.
Dem Hauptverdichter 1 wird nun durch seine Lei tung 39 vom Rekuperator 5 her die Abluft c der Nie,derdruckturbine 20 ebenfalls zu geführt, :die eine wesentlich grössere Luft menge darstellt.
Danach vollzieht ,sich der Arbeitsprozess der Anlage ähnlich wie im Fall der Fig. 2, nur dass sich der ganze Arbeitsprozess in einem höheren Druckbereich abspielt. Nach dem der Hauptverdichter 1 Luft durch den Rekuperator 5 in )die Leitung 6 getrieben hat, wird ein Teil der Luft durch den 5 Wärmeverteiler 11 im Raum 8 erwärmt und in die Turbine 12 eingeführt.
Ein anderer Teil der Luft strömt durch den Verbren nungsraum und erhält durch die Düse 10 Brennstoff. Das Verbrennungsgas wird eben falls durch -den Wärmeverteiler 11 geführt, so dass beide Teile des Arbeitsmittels auf ange nähert dieselbe Temperatur gebracht werden.
Die Verbrennungsgase, die durch einen Staubabscheider 13 gereinigt werden, können der Turbine 14 zugeleitet werden. Dass Ver brennungsgas wird, nachdem es in der Tur bine 14 ungefähr auf den, gleichen Druck ex- pandiert ist, der in der Leitung 15 herrscht, durch eine Leitung 16 -dem Verbrennungs raum 17 zugeführt. Alsdann gelangt das.
Gas, das hier durch weitere Verbrennung noch mals erhitzt worden ist, genau wie in Fig. 2 durch den Wärmeaustauscher 19, den Staub abscheider 21 und\ die Leitung 22 wieder zurück in die Turbine 14.
Auch bei dieser Ausführung durchströmt das Verbrennungsgas den Rekuperator 5 in Wärmeaustauschelementen, die von den üb rigen, von reiner Luft durchströmten Ele menten getrennt sind. Hierauf gelangt es durch die Leitung 40 in die Turbine 41, die es durch die Leitung 42 verlässt. Die Turbine 41 treibt Idas Gebläse 44.
Eine etwaige Lei stungsdifferenz wird durch den Elektromotor 47 ausgeglichen. Die reine Luft hingegen, die in, den Turbinen 12 und 20 verarbeitet worden ist, gelangt durch die Leitung 3 7 in den Kühler 38 und wird dann durch die Lei tung 39 wieder dem Gebläse 1 zugeführt.
Damit der Druck im Verbrennungsraum 17 und im Raum 18 mindestens angenähert gleich ist, wurde ein Ventil 27 vorgesehen, das Luft aus dem Raum 18 in den Raum 17 überströmen lässt, sobald :der Druck im Raum 18 wesentlich grösser wird. Wird anderseits der Druck im Raum 17 vorübergehend grösser als .im Raum 18, so hebt sich unter dem Ein fluss der Membrane 28 der Schieber 29. Die Membrane 28 wird durch die Leitung 17a und: 18a unter den Einfluss oder Drücke in den Räumen 17 und 18 gebracht.
Wird durch die Leitungen 29a und 29b normalerweise fortwährend Drucköl über einen Kolben 30 geleitet, so wird dieser Kol ben 30 entlastet, sobald sich der Schieber 29 hebt. Der Kolben 30 ist mit einem Ventil 31 verbunden, welches, sobald der Kolben ent lastet ist, durch die Leitungen 32 und 33 Gase aus .der Leitung 22 unmittelbar in die Leitung 23 überströmen .lässt, so dass also der Druck in der Leitung 22 und somit schliess lich auch im Raum 17 vermindert wird.
Diese ganze Vorrichtung tritt nur in Tätigkeit, wenn die angenäherte Gleichheit der Drücke in den Räumen 17 und' 18, die durch die Bemessung der einzelnen Teile der Anlage gegeben ist, vorübergehend gestört sein sollte.
Durch -die Erfindung wird es möglich gemacht, dass die zu beiden Seiten der Wärmeaustauschelemente herrschenden ho ben Drücke im wesentlichen gleich gross sind, wodurch sich einerseits ein vorzüglicher Wärmeübergang ergibt und anderseits die mechanische Beanspruchung der Wärmeaus- ta.uschf,1ächen auf ein Mindestmass beschränkt bleibt, was sehr kleine und leichte Wärme austauschflächen zur Folge hat.
Ferner sind in Anlagen, die nach der Erfindung aus geführt sind, Flugasche bildende Brennstoffe, wie Kohlenstaub, wirtschaftlich verarbeitbar. Es lassen sich dann in der beschriebenen Weise Staubabscheider verwenden, ohne dass sich der durch diese Apparate bedingte Druckabfall auf die Gesamtmenge des Ar- beitsmittels erstreckt.