Gasturbinen-Anlage. Der Wirkungsgrad der Luftverdichtung ist für die Verwirklichung der Gasturbine von massgebendem Einfluss. Man verwendet hierfür mit Vorteil Turboverdichter, insbe sondere solche axialer Bauart, da diese Mlaschinengattung einen besonders hohen Wirkungsgrad erreicht.
Es ist ferner bekannt, die Luft in einem sogenannten Zellenrad-Druckaustauscher zu verdichten, der Verdichtung der Luft und Entspannung der Verbrennungsgase vereint. Die Zellen des Druckaustauschers schleusen die zu verdichtende Luft in einen Raum höheren Druckes ein und schleusen an einer andern Stelle das zu entspannende Arbeits gas aus.
Die Gasturbinen-Anlage gemäss der Er findung besteht in einer Vereinigung von Turbomaschinen mit mindestens einem Zel- lenrad-Druckaustauscher als Oberstufe. Der Vorteil dieser Vereinigung ist der, dass mit dem Zellenrad-Druckaustauscherhöhere Ver dichtungsdrücke auf wirtschaftlichere Weise erreicht wverden, als wenn die volle Ver dichtung allein durch Turbogebläse erfolgt. Zellenrad-Druckaustauscher haben nämlich den Vorteil, dass sie Verdichtung und Ent spannung in einer Maschine vereinen, mecha nisch einfacher sind als Turboverdichter, ferner viel höhere Temperaturen zulassen als gewöhnliche Gasturbinen und auch ver hältnismässig kleine Volumina mit gutem Wirkungsgrad umzusetzen gestatten, so dass sie sich als Hochdruckstufe gut eignen.
In der Zeichnung sind einige beispiels weise Anlagen gemäss der Erfindung veran schaulicht.
Fig. 1 stellt, vorwiegend im Längsschnitt, in schematischer Weise eine Gasturbinen-An lage dar, in welcher 1 ein als vielstufiges Axialgebläse ausgeführter Vorverdichter und 2 der Läufer dazu ist. 3 ist die erste Schaufelreihe. Die Luft tritt bei 4 ein und gelangt bei 5 in den Zellenrad-Druckaus- tauscher 6, nachstehend kurz Druckaus- tauscher genannt. Fig. 2 zeigt einen Quer schnitt durch diesen. Der Druckaustauscher besteht aus dem Gehäuse 7 und einem Zellen rad B. Das Rad kann durch die Welle 9 angetrieben sein, kann aber auch durch den Luft- oder Gasstrom selbst in Drehung er halten werden.
Die bei 5 eintretende Luft wird von den Zellen erfasst und auf die Gegenseite des Gehäuses gefördert, wo sie da,s Gehäuse bei 10 verlässt.
Ein Teil der verdichteten Luft wird nun zu Nutzzwecken entnommen und bei 11 z. B. der Turbine 20 zwecks Arbeitsleistung zu geführt, während der übrige Teil durch den Ventilator 12 in die Brennkammer 13 ge fördert wird, teils um dem bei 14 eintreten den Brennstoff als Brennluft den nötigen Sauerstoff zu liefern, teils um als Kühlluft den eigentlichen Brennraum- zu umströmen und sich am Ende der Brennkammer erst mit den Abgasen zu vermischen.
Dieser Strom tritt bei 15 in den Druckaustauscher 6, wird darin vorentspannt, verlässt ihn bei 16 und wird in der Turbine 18 nachent spannt, um dann bei 19 ins Freie zu ent weichen oder in einem Wärmeaustauscher weiter ausgenutzt zu werden.
Die Turbine 20 ist mit einer Anzapfstelle 21 versehen, die mit dem Gasaustrittskanal 16 aus dem Druckaustauscher 6 verbunden ist. Zum Zwecke einer -richtigen Energie verteilung kann Luft entweder aus der Nutz turbine 20 in die Verdichterturbine oder Gas in umgekehrter Richtung strömen, wie der Doppelpfeil andeutet.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungs möglichkeit der Erfindung. Die Anlage be steht wieder aus einem Turboverdichter 1, einem Druckaustauseher 6, einer Brennkam- mer 13, einer Turbine 18. Statt, wie bei Fig. 1, Nutzluft bei 11 zu entnehmen, wird Verbrennungsgas bei 28 angezapft und einer Vorstufe 22 der Turbine 18 zugeführt. Im Raume 23 mischt sich das bei 28 ange zapfte Gas mit dem durch den Druckaus- tauscher fliessenden Teil und arbeitet mit ihm in der Unterstufe. Die Nutzleistung der Anlage wird an der Welle 24 gewonnen.
Durch eine Luftentnahme bei 25 kann die Temperatur der bei 28 entnommenen Gase auf einen für die Turbine zulässigen Wert herabgesetzt werden. Die Tempera tur kann z. B. mit Hilfe einer Klappe 26 geregelt werden, durch die auch die Luft entnahme vollständig oder zum Teil ge sperrt werden kann. Dasselbe gilt für die Klappe 29 bezüglich der Gasentnahme bei 28. Beide Einstellorgane 26 und 29 ermög lichen, die Vorstufe 22 entweder nur mit Druckluft oder nur mit Brenngasen oder einem beliebigen Gemisch beider zu beauf- schla.gen. Die bei 16 zuströmenden Gase.
dürfen heisser sein als die aus dem Hoch druckteil 22 strömenden, so dass die Gase der Vorstufe zwischenerwärmt werden.
Die durch den Hochdruckteil der Turbine strömende Teilmenge kann durch Organe 27, wie z. B. Drosselklappe, Düsenventile, dreh bare Leitschaufeln oder dergleichen gerebelt: werden. Der Hochdruckteil der Turbine kann aus einer oder mehreren Stufen bestehen. Er kann im Hauptgehäuse oder in getrenn tem Gehäuse untergebracht sein.
Man kann auch die N utzluftentnahme 11 der Fig. 1 neben den Entnahmen 28 und 25 der Fig. 3 bestehen lassen. Dann wird die Nutzleistung nicht mehr ausschliesslich an der Welle 24 gewonnen, sondern teil weise oder ganz in Form der Nutzluft bei 11, oder als Arbeit der durch diese Nutz luft angetriebenen Maschine. Die Entnahmen 21, 28 und 25 können dann zum Leistungs ausgleich und zur Regelung der Turbine 18 und des Gebläses 1 dienen.
In Fig. 4 sitzen Gebläse 1, Druckaus- tausclier 6 und Turbine 18 auf derselben Welle. Fig. 5 stellt einen Schnitt an der Stelle A-A der Fig. 4 dar. Die Luft tritt durch drei Kanäle 5 vom Vorverdichter 1 in das Rad des Druckaustauschers 6 über. Zum Unterschied von dem vorigen Beispiel durchläuft eine Zelle des Druchaustauschers während einer Umdrehung dreimal den Ver- dichtungs- und Entspannungskreislauf. Die Luft tritt in die Brennkammer 13 und die Gase oder ein Teil derselben gelangen durch drei Kanäle 15 zurück zum Druckaustau- #eher 6.
Die Unterteilung des Umfanges im Druckaiistauscher in mehrere Arbeitszyklen hat den Vorteil. da.ss die radialen Kräfte auf den Läufer ausgeglichen sind.
Fig. 6 stellt als Ausführungsbeispiel gemäss der Erfindung eine als Kraftanlage für eine Lokomotive geeignete Gasturbinen Anlage dar. Die Luft wird im Gebläse 1 vorverdichtet, in einem Zwischenkübler 30 (Pekühlt, im Druckaustauscher 6 nachver dichtet und im Abgasvorwärmer 31 erwärmt. Die Luft kann durch die Gase, die vom Druckaustauscher austreten, bei 32 weiter erwärmt werden, abermals dank den hohen Gastemperaturen, die der Druckaustauseher zulässt.
Ein Teil der Gase oder der Luft wird wahlweise bei 28 bezw. 25 entnommen und den Arbeitszylindern 33 der Lokomotive zugeführt. Die entnommene Menge kann beispielsweise durch eine Füllungsregelung der Arbeitszylinder geregelt werden. Die Arbeitszylinder können durch ein Gestänge 34 die Treibräder 35 antreiben. Jede Treib- achse kann aber auch ihren eigenen Motor haben.
Die Verwendung eines Druckaustauschers in einer Gasturbinen-Anlage ergibt noch fol gende Vorteile: Ein Kennzeichen des Druckaustauschers ist, dass die verhältnismässig kalte Luft und das heisse Gas im selben Läufer verdichtet bezw. entspannt werden. Dieser Läufer nimmt somit eine mittlere Temperatur zwi schen beiden Medien an. Daraus ergibt sich die überaus wichtige Eigenschaft des Druck- austauschers, sehr heisse Gase verarbeiten zu können. Eine Zwischenerwärmung der Gase am Eintritt in die Unterstufe kann daher vermieden werden.
Ein weiteres Kennzeichen des Druckaus- tauschers ist, dass eine gewisse Wärmemenge von den heissen Gasen an die kältere Luft übertragen wird, während dieser Wärme fluss bei der Verdichtung und Entspannung in getrennten Maschinen, wie auf der Unter stufe, praktisch unterbunden ist.
Eine Erwärmung der Luft auf der Unter stufe ist aber wesentlich schädlicher als auf der Oberstufe, denn sie erhöht entweder die Arbeit der ganzen nachfolgenden Verdich tung oder sie erfordert die Abfuhr dieser Wärme in einen Zwischenkühler. Die auf der Oberstufe aufgenommene Wärme bleibt dagegen dem Kreislauf erhalten.
Die Wärmeabgabe der Gase im Druck- austauscher erscheint auf den ersten Blick als Nachteil, denn sie vermindert das Ar beitsvermögen der nachgeschalteten Tur bine. Die besonderen Eigenschaften des Druckaustauschers erlauben aber die Tem peratur der in den Druckaustauscher ein tretenden Gase um soviel zu erhöhen, dass sie trotz der an die Luft abgegebenen Wärme mit der vollen für die Turbine gewünschten Temperatur in die Unterstufe übertreten. Damit ist der Nachteil behoben.
Es können auch mehrere Druckaustau- scher als Oberstufe vorgesehen sein, die unter sich parallel oder hintereinander geschaltet sein können. Ihre Verbindung mit den Turbomaschinen könnte beispielsweise durch eine allen Druckaustauschern gemeinsame Zu- und Ableitung oder durch mehrere sol cher Leitungen geschehen, wobei wieder be liebige Gruppen von Druckaustauschern zu sammengefasst sein können.
Gas turbine plant. The efficiency of the air compression has a decisive influence on the realization of the gas turbine. It is advantageous to use turbo compressors for this purpose, especially those of an axial type, as this type of machine achieves a particularly high level of efficiency.
It is also known to compress the air in a so-called cellular wheel pressure exchanger which combines compression of the air and relaxation of the combustion gases. The cells of the pressure exchanger channel the air to be compressed into a room with a higher pressure and channel the working gas to be expanded at another point.
The gas turbine system according to the invention consists of a combination of turbo machines with at least one rotary wheel pressure exchanger as the upper stage. The advantage of this combination is that with the rotary valve pressure exchanger, higher compression pressures can be achieved in a more economical way than if the full compression is achieved by turbo fans alone. Rotary wheel pressure exchangers have the advantage that they combine compression and relaxation in one machine, are mechanically simpler than turbo compressors, also allow much higher temperatures than ordinary gas turbines and also allow relatively small volumes to be implemented with good efficiency, so that they can be implemented well suited as a high pressure stage.
In the drawing, some example systems are illustrated according to the invention.
Fig. 1 shows, predominantly in longitudinal section, in a schematic manner, a gas turbine plant in which 1 is a supercharger designed as a multi-stage axial fan and 2 is the rotor. 3 is the first row of blades. The air enters at 4 and arrives at 5 in the cell wheel pressure exchanger 6, hereinafter referred to as pressure exchanger for short. Fig. 2 shows a cross section through this. The pressure exchanger consists of the housing 7 and a cell wheel B. The wheel can be driven by the shaft 9, but it can also be kept rotating by the air or gas flow itself.
The air entering at 5 is captured by the cells and conveyed to the opposite side of the housing, where it leaves the housing at 10.
Part of the compressed air is now removed for use and at 11 z. B. the turbine 20 for the purpose of work performed, while the remaining part is promoted by the fan 12 in the combustion chamber 13 ge, partly to the entering at 14 the fuel as combustion air to supply the necessary oxygen, partly to cool the actual combustion to flow around and only to mix with the exhaust gases at the end of the combustion chamber.
This stream enters the pressure exchanger 6 at 15, is pre-expanded therein, leaves it at 16 and is subsequently expanded in the turbine 18, in order to then escape into the open at 19 or to be further used in a heat exchanger.
The turbine 20 is provided with a tap 21, which is connected to the gas outlet channel 16 from the pressure exchanger 6. For the purpose of correct energy distribution, air can either flow from the utility turbine 20 into the compressor turbine or gas can flow in the opposite direction, as indicated by the double arrow.
Fig. 3 shows a further embodiment of the invention. The system again consists of a turbo compressor 1, a pressure exchanger 6, a combustion chamber 13, a turbine 18. Instead of extracting useful air at 11, as in FIG. 1, combustion gas is tapped at 28 and a preliminary stage 22 of the turbine 18 fed. In space 23, the gas tapped at 28 mixes with the part flowing through the pressure exchanger and works with it in the lower stage. The net output of the system is obtained from shaft 24.
By withdrawing air at 25, the temperature of the gases withdrawn at 28 can be reduced to a value that is permissible for the turbine. The tempera ture can, for. B. can be regulated with the help of a flap 26, through which the air removal can be completely or partially ge blocked. The same applies to the flap 29 with regard to the gas extraction at 28. Both setting elements 26 and 29 make it possible to act on the preliminary stage 22 either with compressed air only or with fuel gases or any mixture of both. The gases flowing in at 16.
may be hotter than that flowing out of the high-pressure part 22, so that the gases of the preliminary stage are temporarily heated.
The partial amount flowing through the high pressure part of the turbine can pass through organs 27, such as. B. throttle valve, nozzle valves, rotatable guide vanes or the like rubbed: are. The high pressure part of the turbine can consist of one or more stages. It can be housed in the main housing or in a separate housing.
The useful air extraction 11 of FIG. 1 can also be left in addition to the extraction 28 and 25 of FIG. Then the useful power is no longer exclusively obtained on the shaft 24, but partly or entirely in the form of the useful air at 11, or as work of the machine driven by this useful air. The withdrawals 21, 28 and 25 can then be used to compensate for power and to regulate the turbine 18 and the fan 1.
In FIG. 4 the fan 1, pressure exchanger 6 and turbine 18 are seated on the same shaft. FIG. 5 shows a section at point A-A in FIG. 4. The air passes through three ducts 5 from the supercharger 1 into the wheel of the pressure exchanger 6. In contrast to the previous example, a cell of the pressure exchanger goes through the compression and expansion cycle three times during one revolution. The air enters the combustion chamber 13 and the gases or a part of them pass through three channels 15 back to the pressure exchanger 6.
The subdivision of the volume in the pressure exchanger into several work cycles has the advantage. da.ss the radial forces on the rotor are balanced.
6 shows, as an embodiment according to the invention, a gas turbine system suitable as a power plant for a locomotive. The air is precompressed in the fan 1, compressed in an intermediate bucket 30, post-compressed in the pressure exchanger 6 and heated in the exhaust gas preheater 31 the gases exiting the pressure exchanger are further heated at 32, again thanks to the high gas temperatures that the pressure exchanger allows.
Part of the gases or the air is optionally at 28 respectively. 25 removed and fed to the working cylinders 33 of the locomotive. The amount withdrawn can be regulated, for example, by regulating the filling of the working cylinders. The working cylinders can drive the drive wheels 35 through a linkage 34. However, each driving axle can also have its own motor.
The use of a pressure exchanger in a gas turbine system results in the following advantages: A characteristic of the pressure exchanger is that the relatively cold air and the hot gas are compressed or respectively in the same rotor. be relaxed. This runner thus assumes an average temperature between the two media. This results in the extremely important property of the pressure exchanger that it can process very hot gases. Intermediate heating of the gases at the entry into the lower stage can therefore be avoided.
Another characteristic of the pressure exchanger is that a certain amount of heat is transferred from the hot gases to the colder air, while this heat flow is practically prevented during compression and expansion in separate machines, as in the lower stage.
A warming of the air on the lower stage is much more harmful than on the upper stage, because it either increases the work of the entire subsequent compression device or it requires the dissipation of this heat in an intercooler. The heat absorbed on the upper level, however, is retained in the cycle.
At first glance, the heat dissipation of the gases in the pressure exchanger appears to be a disadvantage because it reduces the working capacity of the downstream turbine. The special properties of the pressure exchanger, however, allow the temperature of the gases entering the pressure exchanger to be increased by so much that, despite the heat given off to the air, they enter the lower stage at the full temperature required for the turbine. This eliminates the disadvantage.
A plurality of pressure exchangers can also be provided as the upper stage, which can be connected in parallel or one behind the other. They could be connected to the turbo machines, for example, by a supply and discharge line common to all pressure exchangers, or by several such lines, with any groups of pressure exchangers again being able to be combined.