Mit Wärmeaustauscher versehene Gasturbinenanlage. Bei Gasturbinenanlagen kann ein guter Wirkungsgrad nur dann erreicht werden, wenn die Wärme der die Turbine verlassen den entspannten Gase so auf das verdichtete frische Arbeitsmittel übertragen wird, dass es hierdurch ermöglicht wird, einen bedeutenden Teil der für die Erwärmung des Arbeits mittels bis zur höchsten Temperatur des Arbeitsprozesses erforderlichen Wärmemenge aus der Wärme der entspannten Gase zurück zugewinnen.
Die Anwendung eines zu die- cem Zwecke dienenden Wärmeaustauschers ist um so notwendiger, je grösser die zur Er wärmung des Arbeitsmittels erforderliche Wärmemenge im Vergleich zu der durch die Gewichtseinheit des am Arbeitsprozess be teiligten Arbeitsmittels geleisteten Arbeit ist.
Die Verwendbarkeit eines Wärmeaustauschers wird jedoch sehr nachteilig beeinflusst da durch, dass der durch die unvollkommene Wirkungsweise des Wärmeaustauschers ver ursachte Wärmeverlust, bezw. der durch die Reibung im Wärmeaustauscher verursachte mechanische Arbeitsverlust von einem nicht zu vernachlässigenden Wert ist, und der selbe besonders in denjenigen Fällen den Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage emp findlich verschlechtert, wo die Anwendung des Wärmeaustauschers im Sinne des Ge sagten gerade am notwendigsten ist.
Infolge dieser Umstände müsste man in allen Fällen, wo die durch die Gewichtseinheit des Ar beitsmittels geleistete Arbeit im Vergleich zu der zur Erwärmung des Arbeitsmittels er forderlichen Wärmemenge gering ist, einen sehr grossen Wärmeaustauscher anwenden, wenn der Verschlechterung des Wirkungs grades vorgebeugt werden sollte.
Die An wendung eines so reichlich bemessenen Wärmeaustauschers ist aber kostspielig, die Konstruktion selbst verwickelt und sehr um fangreich, ,so :dass dies bei den Gasturbinen- an-lagen einen wesentlichen Nachteil bedeu tet.
Wenn zum Beispiel die untere Druck- grenze des Arbeitsprozesses 1 atm, und die obere Druckgrenze 2 atm. ist, ferner die Höchsttemperatur des Arbeitsmittels vor Eintritt in die Turbine 450 C beträgt. erreicht der erzielbare Wirkungsgrad im Falle eines verlustlosen Wärmeaustauschers ungefähr 39 7o. Sollte aber dieser Wirkungs grad nicht unter 33%2 sinken, so wäre bereits ein so grosser Wärmeaustauseher erforderlich, dessen wirksame Oberfläche unter Voraus setzung einer gewissen baulichen Ausfüh rung je PS mindestens ungefähr 12 m2 aus macht, was einen sehr bedeutenden Wert darstellt.
Die Erfindung betrifft nun eine mit Wärmeaustauscher versehene Gasturbinen anlage, bei welcher die Oberfläche des für eine gegebene Leistung erforderlichen Wärme- austauschers gegenüber den für die bisher bekannten Anlagen nötig erachteten Ober flächen wesentlich herabgesetzt werden kann.
Der Erfindung liegt eine bezüglich ihrer all gemeinen Anordnung an sieh bekannte An lage zu Grunde, bei welcher zum abschnitts weisen Verdichten des Arbeitsmittels minde stens zwei umlaufende Verdichter und zum abschnittsweisen Entspannen desselben zum Antrieb der Verdichter dienende Turbinen und zumindest eine Nutzleistung abgebende Turbine, ferner zur Riickküihlung des ab schnittsweise verdichteten Arbeitsmittels vor jedem nachfolgenden höheren Verdichtungs abschnitt Kühleinrichtungen und zur Wieder erwärmung des abschnittsweise entspannten Arbeitsmittels zumindest vor dem Eintritt in die Nutzleistungsturbine ein zur Wärmezu fuhr dienender Apparat vorgesehen sind und kennzeichnet sich dadurch,
dass zur Übertra gung des verfügbaren Wärmeinhaltes der entspannten Gase an das auf den Höchst druck verdichtete Arbeitsmittel ein Wärme- austauscher vorgesehen ist, für welchen das Verhältnis der in m2 ausgedrückten gesam ten wirksamen Wärmeübertragungsfläche zur in PS ausgedrückten Leistung der An lage weniger als 3,53 beträgt.
Durch Nacheinanderschalten von Ver dichtungsabschnitten und Entspannungsab schnitten in einer genügenden Anzahl kann die Leistung der Gewichtseinheit des Arbeits mittels auf das Mehrfache der Leistung einer zwischen denselben Temperaturgrenzen ar beitenden Ausführung mit nur einem Ab schnitt gesteigert werden, so dass die Ver luste des Wä rmeaustauschers den Wirkungs grad selbst im Falle eines Wärmeaustauschers von wesentlich verringerten Abmessungen nicht empfindlich verringern werden.
Dass dies möglich ist, erkennt man durch die fol gende Überlegung: Es sei angenommen, dass die Rückkühlung zwischen den aufeinander folgenden Verdichtungsabschnitten derart stattfindet, dass die Anfangs- und Endpunkte der einzelnen Verdichtungsabschnitte auf je einer Isotherme liegen, mithin die Endtem peratur der ganzen Verdichtung nicht über die des ersten Abscbnittes hinausgeht.
In die sem Falle wird das Arbeitsmittel, verglichen mit der einstufigen Verdichtung und bei der selben noch zulässigen Verdichtungsendtem- peratuir, ein grösseres Arbeitsvermögen, einen höheren Verdicbtungsenddruck, jedoch ein zufolge des höheren Verdichtungsgrades und der Rückkühlung kleineres spezifisches Vo lumen besitzen. ZVird also in beiden ver- glicbenen Fällen derselbe für die einstufige Verdichtung erforderliche Wärmeaustauseher verwendet.
Co wird die Durchströmun- in demselben im Falle der Verdichtung mit mehreren Abschnitten zufolge des wesentlich kleineren spezifischen Volumens auch mit #vesentlieh geringerer Geschwindigkeit, und mit wesentlich geringerem Verlust vor sich geben: überdies entspricht dieser seinem ab soluten Betrag nach abnehmende Strömungs verlust, auf die erwähnte Leistung je Ge wichtseinheit bezogen einem verhältnismässig noch viel stärker abnehmenden Verlust.
In dieser Weise kann man dadurch. da,ss man auf die erzielbare Ermässigung der Ver luste verzichtet und im U'ärmeaustauscher im Falle von mehreren Verdichtungsab schnitten den gleichen Verlust, wie er sich bei Verdichtung in einem einzigen Abschnitt ergibt, zulässt, das heisst also entsprechend grössere Din-ehströmungsgeschwindigkeiten zulässt, tatsächlich erreichen, dass das Ge- wicht des Wärmeaustauschers bezw. die wirksame Fläche desselben wesentlich ver ringert wird.
Dabei ist man in der Wahl der Anzahl der Verdichtungsstufen bezw. in der Erhöhung derselben durch die bei der einstu figen Verdichtung auftretende hohe End- temperatur nicht beschränkt, da das Arbeits mittel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verdichtungsabschnitten im erforderlichen Masse zurückgekühlt wird.
Anderseits ist es ans demselben Grunde, das heisst um eine zu hohe Temperatur zu Beginn der Entspannung zu vermeiden, auch nötig, die Entspannung in mehreren Abschnitten vorzunehmen, da es infolge thermodynamischer Erwägungen nicht zweifelhaft sein kann, dass mit Rück auf die durch Kühlung zwischen den einzelnen Verdichtungsabschnitten abgeführ ten Wärmemengen, über die vor dem ersten Entspannungsabschnitt bewirkte Wärmezu fuhr hinaus auch noch zusätzliche Wärme mengen in den Arbeitsprozess einzuführen sind.
Aus diesem Grunde muss die zusätz liche Wärmezufuhr, um eine überaus hohe Temperaturerhöhung zu verhüten, immer nach einer gewissen vorhergehenden Abküh lung, also nach einer gewissen Entspannung stattfinden.
Der technische Fortschritt der Erfindung offenbart sich also darin, dass zur Erreichung einer gegebenen Höchsttemperatur bei der selben Leistung ein bedeutend kleinerer Wärmeaustauscher als gewöhnlich angewen det werden kann.
Aus dem Gesagten folgt bereits, dass durch Erhöhung der Anzahl der Verdich tungsabschnitte, unter Beibehaltung dessel ben Druckverhältnisses in den Abschnitten, die zur Erreichung eines gegebenen Gesamt wirkungsgrades erforderliche Wärmeüber tragungsfläche in einem sehr bedeutenden Masse verringert wird. Ist zum Beispiel im Falle einer in einem einzigen Abschnitt vor sich gehenden Verdichtung die wirksame Oberfläche des Wärmeaustauschers, unter Voraussetzung eines gewissen guten Wir kungsgrades, in m2 ausgedrückt, 10 m2 je PS, so ist zur Erreichung desselben voraus- gesetzten Wirkungsgrades im Falle von zwei Verdichtungsabschnitten nur eine Fläche von 1,76 m2 je PS, und im Falle von drei Ab schnitten nur noch eine Fläche von 0,65 m2, usw. erforderlich.
Beträgt im allgemeinen die gesamte wirksame Fläche des Wärmeaus- tauschers (beide Seiten der wärmeübertra genden Elemente eingerechnet) F . m2, die Leistung der Gasturbinenanlage L . PS und die Anzahl der Verdichtungsabschnitte na, so genügt es zur Erreichung eines guten Wir kungsgrades gemäss den durch Versuche kon trollierten Untersuchungen des Erfinders, einen Wärmeaustauscher anzuwenden, bei welchem
EMI0003.0010
ist. Für n = 2 beträgt der Wert
EMI0003.0011
Die beiliegende Zeichnung veranschau licht mehrere Ausführungsbeispiele der An lage.
Fig. 1 zeigt das Schema eines Ausfüh rungsbeispiels, bei welchem die Verdichtung in drei Abschnitten, die Entspannung dage gen in vier Abschnitten erfolgt.
Fig. 2 zeigt eine andere beispielsweise Ausführung einer Gasturbinenanlage, bei welcher die Verdichtung in zwei Abschnitten und die Entspannung in drei Abschnitten statfindet. Fig. 3 stellt das Druckvolumen-Diagramm des Arbeitsprozesses der in Fig. 2 dargestell- ten Gasturbinenanlage dar.
Fig. 4 veranschaulicht eine andere Gas turbinenanlage, bei welcher die abschnitts- weise Erwärmung des Arbeitsmittels in einer einzigen Feuerungsvorrichtung erfolgt, die dem letzten Entspannungsabschnitt nachge schaltet ist.
Fig. 5 schliesslich zeigt eine solche Va riante der Gasturbinenanlage, bei welcher zur Verbrennung nicht das Arbeitsmittel der Turbine gebraucht wird, sondern hierzu Luft eigens aus der Atmosphäre eingeführt wird.
Gemäss Fig. 1 dienen zur Verdichtung des Arbeitsmittels drei, zweckmässig mit Schau feln von aus der Aerodynamik bekannten Querschnittsprofilen versehene, in axialer Richtung durchströmte Verdichter 1, 2 und 3, welche mit zum Antrieb der Verdichter die nenden Turbinen 4, 5 und 6 gekuppelt sind. Die Arbeitsturbine 7 dient zur Abgabe von nützlicher Arbeit und ist daher über ihre Welle 8 zum Beispiel mit einem elektrischen Stromerzeuger gekuppelt.
An den Austritts stutzen 9 des Verdichters 1 schliesst sich ein Kühler 10 an, bei welchem die in dem einen Arbeitsraum des Kühlers, das heisst im Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels in dem Rohrsystem 11 strömende Kühlflüssig keit, zweckmässig Wasser, die Kühlung des in dem andern Arbeitsraum des Kühlers strömenden Mittels bewirkt. Der Kühler 10 ist an den Eintrittsstutzen 12 des Verdichters 2 angeschlossen. Auch zwischen den Verdich tern 2 und 3 ist eine Kühleinrichtung 14 vorgesehen, welche sich an den Austritts stutzen 13 des Verdichters 2 und an den Ein trittsstutzen 15 des Verdichters 3 anschliesst. An den Austrittsstutzen 16 des Verdichters 3 schliesst sieh der Hochdruckarbeitsraum des Wärmeaustauschers 17 an, dessen Aus trittsstutzen 18 mit dem Verbrennungsraum 19 verbunden ist.
Die Verbrennungsräume 19, 20, 21 und 22 sind der Reihe nach den Turbinen 6, 5, 4 und 7 vorgeschaltet; so ist mit Ausnahme des ersten Verbrennungs raumes 19 immer der Eintrittsstutzen des Verbrennungsraumes mit dem Austrittsstut- zen der vor dem Verbrennungsraum befind lichen Turbine höheren Druckes, der Aus trittsstutzen desselben aber mit dem Eintritts stutzen der nächstfolgenden Turbine nied rigeren Druckes verbunden; im Falle des Verbrennungsraumes 20 zum Beispiel schliesst sich dieser einerseits an den Austrittsstutzen 23 der Turbine 6, anderseits mit seinem Stutzen 24 an den Eintrittsstutzen 25 der Turbine 5 an.
Hinter die Turbine niedrigsten Druckes, im Falle des dargestellten Beispiels also hinter die Arbeitsturbine 7, ist der Niederdruclkarbeitsraum 26 des Wärmeaus- tauschers 17 angeschaltet. Zur Einführung von festem, gasförmigem oder flüssigem Brennstoff in die Verbrennungsräume 19, 20, 21 und 22 dienen die Brennstoffeinführungs organe 28, 29, 30 und 31.
Diese Anlage arbeitet in folgender Weise: Das Arbeitsmittel tritt durch dlen Eintritts stutzen 27 in den Verdichter 1 ein, welcher es auf höheren Druck verdichtet und in den hinter ihn geschalteten Kühler 10 driickt. Die im Verdichter 1 erwärmte Luft wird im Kühler 10 auf bekannte Art zuriückgekühlt. Nachher tritt die Luft in den Verdichter 2 ein, wo sie auf einen noch grösseren Druck verdichtet wird, und, aus diesem Verdichter heraustretend, gelangt sie in den Zwischen- 14, wo sie wieder abgekühlt wird.
Nach Durchströmen des auf den höchsten Druck verdichtenden letzten Verdichters 3 tritt das Arbeitsmittel in den Hochdruck- arbeitsraumn des Wärmeaustauschers 15 ein, wo es die Wärme der das Turbinensystem verlassenden entspannten Gase aufnimmt, so dass es den Wärmeaustauscher bereits bedeu tend erwärmt verlässt.
In dieser Weise tritt die Luft über den Stutzen 18 des Wärme- ailstausebers in den Verbrennungsraum 19 ein, wo der mittels des Brennstoffeinfiih- run@@sorganes 28 eingeführte, feste, ga.sför- mi2e oder fliiscio@e Brennstoff verbrennt und dadurch die Temperatur des Arbeitsmittels noch w(-iter erhöht.
Danach tritt das Arbeits mittel in die den Verdichter 3 treibende Tur bine 6 ein, wo es unter Druckabnahme ge rade soviel Arbeit abgibt, als zum Antrieb des Verdichters erforderlich ist. Hierauffol- gend gelangt das Arbeit:
mittel in den Ver brennungsraum. \?0, wo es sich infolge der Verbrennung des mittels des Brennstoffein- führunmsorganes 29 eingeführten Brenn- stoffes\nach der während der vorangehenden Entspannung stattgefundenen teilweisen Ab- kühlung wieder erwärmt, und tritt in diesem Zustande in die den Verdichter 2 antreibende Turbine 5 ein, wo es sieh unter wiederholtem Temperaturabfall noch weiter entspannt,
nm sich dann infolge der Verbrennung des mit tels des Einführorganes 30 in den Verbren nungsraum 21 eingeführten Brennstoffes wieder zu erwärmen. Hierauf durchströmt das Arbeitsmittel die den Verdichter 1 an treibende Turbine 4, wo sein Druck noch weiter abnimmt, und nach Austritt aus dieser Turbine gelangt es in den Verbrennungsraum 22, wo Bder mittels des Brennstoffeinführ- organes 31 zugeführte Brennstoff unter er neuter Zunahme der Temperatur des Arbeits mittels verbrennt, worauf die Temperatur des in die Turbine 7 eintretenden Arbeitsmittels während weiterer Entspannung wieder ab fällt.
Aus der Turbine 7 gelangt das Arbeits mittel in den Niederdruckarbeitsraum 26 des Wärmeaustauschers 17, um diesen bei Über tragung seiner Wärme an das hochverdich tete Arbeitsmittel zu durchströmen, und schliesslich tritt es aus dem Wärmeaus tauscher durch das Rohr 32 aus.
Die Arbeitsturbine 7 arbeitet im Falle des dargestellten Beispiels beim niedrigsten Druck; es ist aber auch möglich, die Anlage so zu bauen, dass die Arbeitsturbine bei dem höchsten oder bei irgendeinem mittleren Druck, also nicht bei dem niedrigsten Druck arbeitet.
Es können in den einzelnen Verdichter- bezw. Entspannungsabschnitten auch meh rere Maschinen (Verdichter oder Turbinen) gleichen Druckes miteinander parallel ge schaltet werden.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Gasturbi nenanlage bilden die einzelnen Verdichter und die dieselben antreibenden Turbinen be sondere Maschinenaggregate, die voneinander mechanisch unabhängig und auch bezüglich ihrer Drehzahlen verschieden sind. Diese Anordnung ist mit Rücksicht :auf die Abmes sungen der einzelnen Maschinen vorteilhaft. Die Regelung ist jedoch einfacher, wenn die Haschinen voneinander mechanisch nicht, oder nicht vollständig unabhängig sind. Eine solche Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt.
In Fig. 2 sind der Verdichter 33 vom niedrigsten Druck und die mit ihm verbun- dene Turbine 34, der Hochdruckverdichter 35 und die mit diesem verbundene Turbine 36, sowie die Arbeitsturbine 37 miteinander mittels des Zahnradgetriebes 38 mechanisch verbunden. Bei dieser Anordnung wird in das Arbeitsmittel zwecks Abkühlung mittels des Zerstäubers 39 Kühlflüssigkeit, zweck mässig Wasser,
eingespritzt. An den Aus trittsstutzen des Hochdruckverdichters 35 schliesst sich der Hochdruckraum 41 des Wärmeaustauschers 40 an, welcher seiner seits mit dem Verbrennungsraum 42 in Ver bindung steht. Zur Einführung des festen, gasförmigen oder flüssigen Brennstoffes dient das Brennstoffeinführungsorgan 43. Zwischen dem Verbrennungsraum 42 und dem Eintrittsstutzen 44 der Turbine 36 ist die Heizvorrichtung 45 eingeschaltet, in deren Rohrsystem 46 das beim Stutzen 47 der Turbine 36 austretende Arbeitsmittel strömt.
Die Heizvorrichtung 45 schliesst sich an den Eintrittsstutzen 48 der Turbine 34 an, während der Austrittsstutzen 49 der Turbine in den Verbrennungsraum 50 mün det. Der Verbrennungsraum 50 ist mit dem Eintrittsstutzen 51 der Turbine 37 verbun den, deren Austrittsstutzen 52 anderseits mit dem Niederdruckarbeitsraum des Wärme austauschers 40 zusammenhängt. Bei dieser Anlage tritt das Arbeitsmittel beim Stutzen 53 in den Verdichter 33 ein, aus welchem es in verdichtetem Zustand in den Verdichter 35 gelangt.
Danach durchströmt das Arbeits mittel den Hochdruckarbeitsraumdes Wärme- austauschers 40, erwärmt sich und gelangt so in den Verbrennungsraum 42, wo es sich mittels des im Sauerstoff des Arbeitsmittels verbrannten Brennstoffes noch weiter er wärmt. Hierauffolgend durchströmt das Ar beitsmittel die Heizvorrichtung 45, wo es einen Teil seiner Wärme an das im Rohr system 46 strömende Arbeitsmittel überträgt.
Von hier aus tritt das Arbeitsmittel in die Turbine 36 ein, entspannt sich hier zum Teil, um dann aus der Turbine heraustretend das Rohrsystem 46 zu durchströmen, wobei seine Temperatur wieder zunimmt. Darauf strömt das Arbeitsmittel beim Stutzen 48 in die Tur- bine 34, und nach weiterer Entspannung in derselben gelangt es in den Verbrennungs raum 50, wo seine Temperatur wieder an steigt. Hinter den Verbrennungsraum 50 ist, die Arbeitsturbine 37 geschaltet, in welcher das Arbeitsmittel seine Entspannung voll endet, worauf es nach Durchströmen des Wärmeaustauschers 40 die Anlage durch das Rohr 54 verlässt.
Bei der Ansage gemäss Fig. 2 geschieht die Kühlung des Arbeitsmittels während der Verdichtung desselben innerhalb der einzel nen Verdichtungsabschnitte oder zwischen denselben mittels Einspritzung von Wasser durch den Zerstäuber 39. Die mechanische Verbindung der einzelnen Verdichter bezw. Turbinen kann auch derart erfolgen, dass mehrere der Verdichter bezw.
Turbinen auf einer gemeinsamen Welle, eventuell auch in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden; diese Anordnung hat in jeder Ver wirklichungsform auch den Vorteil, dass man nicht besonders dafür zu sorgen hat, dass die einzelnen Turbinen gerade so viel Leistung abgeben, als zum Antrieb der mit ihnen ein zeln gekuppelten Verdichter erforderlich ist, <I>so</I> dass durch die mechanische Verbindung dieser Maschinen die Regelung vereinfacht wird.
Fig. 3 zeigt das Druckvolumen-Diagramm der in Fig. 2 dargestellten beispielsweisen Anlage mit zwei Verdichter- und drei Ent spannungsabschnitten. Das spezifische Vo lumen des in den Verdichter 33 eintretenden Arbeitsmittels sei mit v0, sein Druck mit p0 bezeichnet, und es ändert sich der Druck des Arbeitsmittels nach Austritt aus dem Ver dichter 33 auf p1, sein spezifisches Volumen auf v1. Infolge der angewendeten Kühlung vermindert sich das spezifische Volumen des Arbeitsmittels beim Eintritt in den nächst folgenden Verdichtungsabschnitt auf v'1, während sein Druck praktisch unverändert bleibt; diese Werte ändern sich nach Durch strömen des folgenden Verdichtungsab schnittes auf v2 bezw. p2.
In dem jetzt in Tätigkeit tretenden Wärmeaustauscher bleibt der Druck des Arbeitsmittels praktisch un- verändert; infolge Erwärmung steigt jedoch sein spezifisches Volumen auf v3, welches in folge der Wärmezufuhr im Verbrennungs raum 42 bei praktisch gleichbleibendem Druck den Wert r4 erreicht. Darauf ändert sich der Druck des sieh in der Turbine 36 entspannenden Arbeitsmittels am Ende der Entspannung auf p5, das spezifische Volu men auf v5; danach nimmt dieser letztere Wert infolge der sieh in den Röhren 46 des Heizapparates 45 vollziehenden Wieder- e nv ärmung , bei praktisch gleichbleibendem Druck, auf v'5 zu.
Während des darauffol genden Abschnittes der Entspannung verrin gert sich der Druclk in der Turbine 34 auf p6, während das spezifische Volumen auf v6 zunimmt, um im Laufe der auf diesen Ent spannungsabschnitt in der Heizvorrichtung 50 folgenden erneuten Erwärmung, bei prak tisch unverändertem Druck, auf v'6 anzu steigen. In dem letzten Entspannungsab schnitt bezw. in der Turbine 37 fällt der Druck annähernd auf den Anfangsdruck p0, während das spezifische Volumen bis v7 steigt.
Die hierauffolgende Durchströmung im Niederdruckarbeitsraum des Wärmeaus tausehers 40 drückt das spezifische Volumen infolge Abkühlung stark, zum Beispiel bis zum Wert v8 herab; danach tritt das Arbeits mittel in einen Raum vom Anfangsdruck<B>Pol</B> zum Beispiel ins Freie. wo das spezifische Volumen des aus der Umgebung neu einzu führenden Arbeitsmittels den bereits erwähn ten Wert r" besitzt.
Im Falle von mehreren Verdichter- oder Entspaiinun,saliselinitten ändert sich das Dia-ramin der Fig. 3 entsprechend der grö sseren Anzahl der Abschnitte.
Bei der aus Fig. 4 ersichtlichen Anord nung der Anlage ist die den Verdichter 55 antreibende Turbine 56 mit der Arbeitstir- hine 58 mittels der Zahnradübersetzung 57 mechanisch verbunden; die Welle dieser letz teren Turbine treibt die Nutzleistungs- maschine an, während der Verdichter 59 und die diesen antreibende Turbine 60 eine von der vorigen mechanisch unabhängige Maschi- nengruppe bildet.
Bei der in dieser Figur dargestellten Anordnung verbrennt der Brennstoff in dem durch die Turbinen ge führten und bereits entspannten Arbeits mittel, zu welchem Zwecke im Falle des vor liegenden Beispiels eine zur Verbrennung von festem Brennstoff geeignete Vorrichtung vor gesehen ist. Ein Teil des die Niederdruck- turbine 58 verlassenden Arbeitsmittels wird durch das Rohr 61 unter den Rost 62 ge führt, auf welchem sich die Verbrennung des durch den Füllschacht 63 eingeführten Brenn stoffes vollzieht.
Ein zweiter Teil des ent spannten Arbeitsmittels wird als Sekundär luft durch die Leitung 64 dem aus dem Ver brennungsraum 65 hinausströmenden, erwärm ten Arbeitsmittel zugemischt, welches mit tels der im Heizraume 66 untergebrachten Heizkörper 67, 68, 69 einen Teil seiner Wärme auf das durch die Heizkörper ge führte und in verschiedenen Abschnitten der Entspannung befindliche Arbeitsmittel über trägt. Das aus dem Heizraum 66 austretende Arbeitsmittel gelangt in den Niederdruck arbeitsraum des Wärmeaustauschers 70, und gibt hier Wärme an das im Hochdruck arbeitsraum des Wärmeaustauschers strö mende verdichtete, frische Arbeitsmittel ab.
Das entspannte und entsprechend abgekühlte Arbeitsmittel verlässt danach den Wärme- austauscher durch das Rohr 71. Bei dieser Anordnung heizt somit der im bereits ent spannten Arbeitsmittel verbrannte Brenn stoff Heizkörper, in welchen Arbeitsmittel von verschiedenen Drücken strömt.
In Fig. 5 ist ein solches Ausführungsbei- spiel dargestellt, bei welchem zur Verbren nung des Brennstoffes nicht das am Arbeits prozess der Turbine beteiligte Arbeitsmittel verwendet wird, sondern zu diesem Behufe besondere Verbrennungsluft in den Verbren nungsraum eingeführt wird.
Bei dieser Va riante wird die durch das Rohr 79 eintre tende Verbrennungsluft zuerst in den durch die austretenden Verbrennungsgase geheizten Vorwärmer 78 geführt und erst nachher ge langt sie in den Verbrennungsraum 72, in welchem beispielsweise die Verbrennungs- vorrichtung nach Fig. 4 vorgesehen ist. Hier auf umspült das Arbeitsmittel die in einer den Heizkörpern der Variante gemäss Fig. 4 analogen Weise verwendeten Heizkörper 73, 74 und 75,
in welchen das zu erwärmende und in den verschiedenen Abschnitten der Entspannung befindliche Arbeitsmittel strömt. Um zu verhüten, dass die Heizkörper unter dem Einfluss der übermässig warmen Verbrennungsprodukte über das zulässige Mass hinaus erwärmt werden, werden die be reits abgekühlten Verbrennungsprodukte durch eine- Öffnung 7 6 wieder den frischen Verbrennungsprodukten zugemischt, wodurch ihre durchschnittliche Temperatur verringert wird.
Der abzuführende Teil -der Verbren nungsprodukte gelangt durch einen Kanal 77 in einen Vorwärmer 78, wo er seine Wärme an die durch ein Rohr 79 eintretende frische Verbrennungsluft abgibt und die An lage in abgekühltem Zustand durch ein Rohr 80 verlässt. Die Verbrennungsprodukte wer den durch einen mittels eines Elektromotors 82 angetriebenen Lüfter 83 in Umlauf ge halten.
Bei dieser Einrichtung gelangt das die Turbine von niedrigstem Druck ver lassende Arbeitsmittel gegenüber dem Ar beitsprozess der in Fig. 4 dargestellten Aus führung durch eine Rohrleitung 81 unmittel bar in den Wärmeaustauseher 70.
Einen wesentlichen Einfluss auf die Vor teile der erfindungsgemässen Anlage übt na türlich auch der Umstand aus, wie die Grösse bezw. die Anzahl der Verdichtungs- bezw. Entspannungsabschnitte gewählt wird. In bezug auf die Wahl der Grösse der Verdich tungsabschnitte soll als massgebender Ge sichtspunkt dienen, dass der in den Verdich tungsabschnitten eintretende Temperatur anstieg nicht allzu gross sein darf, um durch die übermässige Zunahme der Verdichtungs arbeit ,
den Gesamtwirkungsgrad nicht schäd lich zu beeinflussen. Diese Grenze ist prak tisch<B>170'</B> C, und es ist nicht zweckmässig, in .einem Verdichtungsabschnitt eine noch grössere Temperaturzunahme zuzulassen. An derseits darf man auch keinen übermässig kurzen Verdichtungsabschnitt anwenden, da dies gleichfalls mit einer Verschlechterung des Wirkungsgrades verbunden ist.
Zwischen den einzelnen Abschnitten wird nämlich das Arbeitsmittel in Kühler bezw. danach ins Ge häuse des Verdichters des folgenden Ab schnittes eingelassen, welche Vorgänge dazu führen, dass trotz der guten Ausbildung der beim Austritt angewendeten Diffusoren ein beträchtlicher Teil der Durchströmungsge schwindigkeit verloren geht und gerade des halb muss man eine hinreichend grosse Ener giemenge in das Arbeitsmittel einführen, um zu verhüten, dass diese in Verlust geratende Energie den Wirkungsgrad übermässig ver schlechtert.
Bei den praktisch in Betracht kommenden Durchströmungsgeschwindigkei ten ist es daher zweckmässig, den Druck des aus dem Abschnitt austretenden Arbeitsmit tels zumindest auf dem 1,5fachen Wert des Druckes des in den Abschnitt eintretenden Arbeitsmittels zu halten.
Ebenso sollen auch bei der Wahl der An zahl bezw. der Grösse der Entspannungsab schnitte gewisse Bedingungen berücksichtigt werden. Werden die Entspannungsabschnitte zu gross gewählt, so kann der Fall vorkom men, dass die Temperatur des Arbeitsmittels innerhalb der einzelnen Abschnitte sich über mässig verringert und dadurch auch die Ar beitsleistung der ganzen Turbine abnimmt und der Gesamtwirkungsgrad der Anlage verschlechtert wird. Es ist deshalb zweck mässig, die Grösse der einzelnen Entspan nungsabschnitte so zu wählen, dass innerhalb derselben die Temperatur des Arbeitsmittels nicht um mehr als 200 C abnimmt.
Die Grösse der Entspannungsabschnitte hat aber a ue h eine untere Grenze, die gleichfalls durch den Verlust der Durchströmungsgeschwindig- keit des aus den Turbinen austretenden Ar beitsmittels bestimmt wird. Im Sinne des soeben für die Verdichter gesagten soll die Grösse der einzelnen Entspannungsabschnitte so gewählt werden, dass mit Ausnahme der Arbeitsturbine das Druckverhältnis, das heisst das Verhältnis der Drücke des in die Turbine eintretenden und des aus dieser auströmenden Arbeitsmittels, in den einzelnen Abschnitten nicht kleiner als 1,3 sei.
Falls der Brennstoff in einen der Verbrennungsräume derart ein geführt wird, dass das den Verbrennungsraum verlassende Arbeitsmittel auch noch unver brannten Brennstoff enthält, so dass die Ver brennung sich auch während der Durch strömung der Turbine fortsetzt, so kann die in der Turbine eintretende Temperatur schwankung auf ein Mindestmass herabge drückt werden. Diese Massnahme ist an sich bekannt, aber vom Gesichtspunkt der Erfin dung infolge der obigen Begründung beson ders vorteilhaft.
Es ist auch vorteilhaft, die Anzahl der hintereinander zu schaltenden Abschnitte derart zu bestimmen, dass die durch das Ar beitsmittel verrichtete nützliche Arbeit, auf 1 kg Gewichtsmenge bezogen, grösser als 8500 mkg ist. Mit Rücksicht darauf, dass die Grösse der durch die Gewichtseinheit des Ar beitsmittels geleisteten Arbeit auch vom Ver hältnis des höchsten und des niedrigsten Druckes des Arbeitsprozesses abhängt, und zwar im Falle eines grösseren Druckverhält nisses grösser wird, ist es zur Verringerung der Abmessungen des Wärmeaustausehers zvTechmässig, dieses Druckverhältnis grösser als 4 zu wählen.
Die Anzahl der während der Verdichtung zwecks Rückkühlung anzu wendenden Abschnitte kann um so kleiner sein, ,je geringer die Erwärmung des Arbeits mittels im Verdichter ist. Für die Verminde rung der Anzahl der Abschnitte, das heisst für die Vereinfachung der Einrichtung ist es somit sehr vorteilhaft. einen so konstruierten Verdichter anzuwenden, in welchem die Luft im Falle eines gegebenen 1)ruclzverhältnisses auch ohne Rüelkkiihlung in möglichst gerin gem :Masse ei-wärint wird.
Insbesondere sind zu diesem Zwecke solche axial durchströmte, an sich bekannte Verdichter geeignet, deren Schaufeln einen den in der Flugzeugtech nik gebräuchlichen Flügelprofilen ähnlichen Querschnitt haben, und in welchen ausserdem die Ständer- und Läuferschaufeln so ausge bildet sind, dass sowohl in den stehenden als auch in den umlaufenden Schaufelkränzen eine Druckzunahme stattfindet.
Im Falle der Ausführung der Entspan nung in mehreren Abschnitten tritt das grösste Druckverhältnis unter den Turbinen im all gemeinen in der Arbeitsturbine, das heisst in derjenigen Turbine auf, die den grössten Teil ihrer Leistung nach auswärts als nützliche Arbeit abgibt; deshalb ist es ratsam, vor oder während der Entspannung in dieser Turbine Reizung anzuwenden, während unter den die Verdichter antreibenden, miteinander in Reihe geschalteten Turbinen auch solche vor kommen können, deren Entspannungen sich ohne besondere Wärmezufuhr vollziehen.
Wenn hiervon abgesehen die einzelnen Ver s dichter samt den sie antreibenden Turbinen untereinander, wie in den Ausführungsfällen gemäss den Figuren, mit verschiedenen Dreh zahlen laufende Einheiten bilden, so beträgt die Anzahl der Entspannungsabschnitte um eins, das heisst um den der Arbeitsturbine entsprechenden Entspannungsabschnitt mehr, als die Anzahl der Verdichtungsabschnitte.