CH248930A - Gasturbinenanlage. - Google Patents

Description

  Gasturbinenanlage.    Die Erfindung bezieht sich auf eine  Gasturbinenanlage, bei der ein Teil des  Arbeitsmittels unter Verdichtung in min  destens einem Verdichter und Entspannung  in     mindestens    einer     Turbine    in einem Kreis  lauf umströmt, aus welchem ständig eine  Teilmenge von     Arbeitsmittel    unter Entspan  nung in mindestens zwei Turbinen entnom  men wird und in welchen als Ersatz für  die Entnahme durch mindestens einen Ver  dichter     Arbeitsmittel    wieder eingeführt  wird.

   Die Erfindung ist dadurch gekenn  zeichnet, dass mindestens eine einen     Ver-          dichter    treibende Turbine durch den im  Kreislauf umströmenden Teil des Arbeits  mittels und mindestens eine andere, eben  falls einen Verdichter antreibende Turbine  und die Nutzleistungsturbine durch den aus  dem Kreislauf entnommenen Teil des  Arbeitsmittels beaufschlagt ist.  



  Die durch den aus dem Kreislauf ent  nommenen Teil des Arbeitsmittels beauf  schlagten Turbinen werden zweckmässig  hintereinandergeschaltet. Es empfiehlt sich,  hierbei die einen Verdichter antreibende Tur  bine vor die Nutzleistungsturbine zu schal  ten. Zwischen der Verdichterturbine und der  Nutzleistungsturbine kann ein Gaserhitzer  angeordnet sein, welcher zum Beispiel als  Brennkammer ausgebildet ist, in welcher  Brennstoff mit Hilfe des im entnommenen  Teil des Arbeitsmittels enthaltenen Sauer  stoffes verbrannt wird.    Die Erfindung ist nachstehend an Hand  von vier in den Fig. 1 bis 4 der Zeichnung  dargestellten Ausführungsbeispielen näher er  läutert. Die Anlagen nach     Fig.    2 und 3 sind  grundsätzlich gleich gebaut wie die Anlage  nach     Fig.    1.

   Die Anlage nach     Fig.    2 ist mit  gewissen     Verfeinerungen    ausgerüstet,     welche     zu einer Verbesserung hinsichtlich Wir  kungsgrad, Regelmöglichkeit und Platzbe  darf führen. Die Anlage nach     Fig.    3 unter  scheidet sich von derjenigen nach     Fig.    1  durch umgekehrte Reihenschaltung der Tur  binen, welche von dem aus dem Kreislauf       entnommenen    Teil des Arbeitsmittels     beauf-          schlagt    sind.

   Die Besonderheit der Anlage  nach     Fig.    4 besteht darin, dass die Turbine,  welche von dem aus dem Kreislauf entnom  menen Teil des Arbeitsmittels     beaufschlagt     ist, einen Kreislaufverdichter treibt,     während     der die Ersatzluft fördernde Verdichter  durch eine Kreislaufturbine betrieben wird.  In allen Figuren     sind    für entsprechende Teile  die gleichen Bezugszeichen verwendet.  



  Die durch die Verdichter 1 und 2 unter  Zwischenkühlung im Kühler 3 verdichtete  Luft wird zum Teil durch eine Leitung 4  dem     Wärmeaustauscher    5 und zum andern  Teil durch eine Leitung 6 dem     Wärmeaus-          tauscher    7 zugeführt. Die beiden parallel im  Luftstrom liegenden     Wärmeaustauscher    5  und 7 kommen als     Vorwärmer    zur Wirkung,  wobei die Verteilung der Luftmengen durch  die in den Leitungen 4 und 6 angeordneten       Durchflussorgane    den Betriebserfordernissen      angepasst werden kann.

   Die beiden Teilmen  gen der Luft vereinigen sich in vorgewärm  tem Zustand in der Leitung 8, um erneut an  der Stelle 9 in zwei Teile     aufgeteilt    zu wer  den. Der eine Teil strömt durch die Leitung  10 in den die Rohre 11 des Gaserhitzers 12  umgebenden Raum. In erhitztem Zustand ge  langt dann die verdichtete Luft durch die  Leitung 13 in die Turbine 14, wo sie unter       Entspannung    und Abkühlung einen wesent  lichen Teil ihrer Energie an den Läufer ab  gibt. Die entspannte Luft strömt durch die  Leitung 15 in den Wärmeaustauscher 5, in  welchem sie beim Durchströmen der Rohre  16 die durch die Leitung 4 zugeführte Teil  menge der verdichteten Luft vorwärmt.

    Nach Austritt aus dem Wärmeaustauscher 5  wird in einem Kühler 17 der entspannten  Luft ein     weiterer    Teil ihrer Restwärme ent  zogen. Die nunmehr gekühlte Luft strömt  durch die Leitung 18 in den Verdichter 1  zurück, um hier den Kreislauf von neuem zu  beginnen.  



  Dem     beschriebenen    Luftkreislauf wird an  der Stelle 9 ständig eine Teilmenge entnom  men und durch die Leitung 19 in den     Brenn-          raum    20 des Gaserhitzers 12 geführt. Hier  dient sie zur     Verbrennung    des durch den  Brenner 21 zerstäubten Brennstoffes. Das       Verbrennungsgas    strömt alsdann durch die  Wärmeaustauschrohre 11, wobei die im  Kreislauf umströmende Luft erhitzt wird.  Nach der Abgabe eines     Teils    seiner Wärme  strömt das Verbrennungsgas durch die Lei  tung 22 in die Turbine 23 und nach aber  maliger Erhitzung im     Gaserhitzer    24 in die  Turbine 25.

   Der Gaserhitzer 24 ist als       Brennkammer    ausgebildet, in welcher der  durch den     Brenner    26 zugeführte Brennstoff  mit Hilfe des im Verbrennungsgas des     Gas-          erhitzers    12 immer noch enthaltenen Sauer  stoffes verbrannt wird. Das in der Turbine  25     entspannte    Gas strömt schliesslich durch  ,die Leitung 27 in den     Wärmeaustauscher    7,  wo beim Durchströmen durch dessen Rohre  28 ein Teil seiner     Restwärme    an die durch  die Leitung 6 zugeführte Teilmenge der ver  dichteten Luft des Kreislaufes übertragen    wird.

   Nach Verlassen des     Wärmeaustau-          schers    7 strömt das Verbrennungsgas durch  die Leitung 29 in weitere, nicht gezeichnete       Verbrauchsstellen,    zum Beispiel in     Abwärme-          verwerter,    oder     unmittelbar    ins Freie.  



  Als Ersatz für den dem Kreislauf an der  Stelle 9     entnommenen    Teil des Arbeitsmit  tels wird durch den Verdichter 30 Luft aus  der     Atmosphäre    entnommen, verdichtet und  durch die Leitung 31 in die den     Wärmeaustau-          scher    5 mit dem Kühler 17 verbindende Lei  tung 32 des     Kreislaufes        eingeführt.    Beim  Betrieb mit     normaler    Last wird durch den  Verdichter 30 die Luft etwa auf 3 atü ver  dichtet, mit welchem Druck sie dem     Nieder-          druckverdichter    1 zuströmt.

   Am Austritt aus  dem Hochdruckverdichter ist die Luft des       Kreislaufes    auf einen Enddruck von unge  fähr 12 atü verdichtet. Mit diesem Druck  strömt die Luft nach Erhitzung im Wärme  austausGher 12 in die Turbine 14, um unter  Arbeitsleistung wieder auf den ursprüngli  chen Druck von ungefähr 3 atü     entspannt    zu  werden. Zur Veränderung der Leistung wird  beispielsweise durch Verändern der Drehzahl  der     Turbine    23 das     Verdichtungsverhältnis     des Verdichters 30 verändert. Bei Leerlauf  wird er die Luft     ungefähr    auf 0,2 atü ver  dichten, bei höchster Überlast     ungefähr    auf  3,5 atü.

   Die Höchstdrücke im     Kreislauf    stel  len sich dann am     Austritt    des Verdichters       22        auf    3     bezw.        16        atü.        Das        Verdichtungsver-          hältnis    im     Kreislauf    wird somit bei Verände  rung der Leistung ebenso verändert, und  zwar ist es bei niedriger Leistung wesent  lich kleiner als bei grosser Leistung. Durch  die Veränderung des Verdichtungsverhältnis  ses im Kreislauf lässt sich der Regelbereich  ohne Inkaufnahme wirtschaftlicher Nachteile  bedeutend erweitern.

   Kann auf besonders  hohe Wirkungsgrade verzichtet werden, so  kann die Leistung der Anlage noch weiter  erhöht werden, indem der Druck der Ersatz  luft schon bei Normallast zum Beispiel auf  4-5 atü erhöht wird.  



  Der höchste Druck im Kreislauf bei Nor  mallast wird dann     ebenso    über 12     atü,    zum      Beispiel auf 20 atü oder noch höher, anstei  gen.  



  Die durch die Luft des Kreislaufes be  aufschlagte Turbine 14 treibt die Kreislauf  verdichter 1 und 2. Mit der aus den Verdich  tern 1, 2 und der Turbine 14 bestehenden  Maschinengruppe ist noch eine elektrische  Hilfsmaschine 33 gekuppelt, welche nach Be  darf als Motor oder als Generator zur Wir  kung kommen und so zum     Anlassen    der An  lage und zum Ausgleich eines Leistungs  mangels oder eines Leistungsüberschusses  an der Turbine 14 herangezogen werden  kann. Die durch das Verbrennungsgas zuerst  beaufschlagte Turbine 23 treibt den die Er  satzluft in den Kreislauf einführenden Ver  dichter 30. Schliesslich treibt die Nutz  leistungsturbine 25 über das Getriebe 34  die als Verstellpropeller ausgebildete Schiffs  schraube 35.  



  Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausfüh  rungsbeispiel     sind    zur Zuführung von Ersatz  luft in den Kreislauf zwei Verdichter 36 und  37 verwendet. Zwischen den Verdichtern  wird der zum Teil     verdichteten    Luft in  einem Kühler 38 mindestens ein Teil der  Verdichtungswärme entzogen. Auf diese  Weise kann das Druckniveau des Kreislau  fes wesentlich erhöht werden. Der Druck der  durch die Leitung 31 in den Kreislauf ein  geführten Luft kann zum Beispiel 5 atü und  noch mehr betragen, während der höchste  Druck am Austritt aus dem Kreislaufver  dichter 2 etwa 20 atü und mehr beträgt. Die  Leistung der Anlage lässt sich so in einem  grösseren Bereich verändern. Es ist zum Bei  spiel möglich, bei guten Wirkungsgraden  eine Überlast zu erreichen, die bis achtmal  grösser als die Normallast ist.  



  Eine weitere Verbesserung wird dadurch  erreicht, dass die im Wärmeaustauscher 7  vorgewärmte Luft durch die Leitung 39  einer Stelle des Wärmeaustauschers 5 zuge  führt wird, an welcher die gleiche Tempe  ratur herrscht wie am Austritt aus dem  Wärmeaustausches 7. Auf diese Art ist es  möglich, sowohl den durch die Leitung 4  als auch den durch die Leitung 6 strömen-    den Teil der Kreislaufluft auf gleich hohe  Temperatur     vorzuwärmen    und damit ein  Höchstmass von Abwärme wieder zurück  zugewinnen. Anlagen nach Fig. 2 eignen  sich besonders für Fälle, wo grosse Leistun  gen in eng begrenzten Räumen     untergebracht     und gute Wirkungsgrade erreicht werden  müssen, zum Beispiel zum Antrieb von  Schiffen,     insbesondere    von Kriegsschiffen.  



  Bei dem in     Fig.    3 gezeigten Ausfüh  rungsbeispiel wird zuerst die     Nutzleistungs-          turbine    25 durch das Verbrennungsgas des       Gaserhitzers    12 und erst anschliessend daran  die     Verdichterturbine    23     beaufschlagt.    Es  kann auf diese Weise in bestimmten     Fällen     eine Vereinfachung der Regelung erzielt  werden. Ebenso kann auch auf eine Zwi  schenerhitzung des Verbrennungsgases zwi  schen den beiden Turbinen verzichtet wer  den.  



  Es können auch wie bei der in     Fig.    4  dargestellten Anlage der im Kreislauf be  findliche     Niederdruckverdichter    1, der die  Ersatzluft fördernde Verdichter 30, die  Kreislaufturbine 14     und    die elektrische Hilfs  maschine 33 zu einer     Gruppe    vereinigt sein.  Der Hochdruckverdichter 2 des Kreislaufes  wird dann von der Turbine 23     getrieben,     welche durch das Verbrennungsgas des     Gas-          erhitzers    20     beaufschlagt    ist.

   Durch diese  Schaltung kann in bestimmten Fällen eine bes  sere Elastizität der Regelung erreicht wer  den, weil der Betrieb des Hochdruckverdich  ters 2 sich auf diese Weise rascher beein  flussen lässt, als wenn er durch eine Kreis  laufturbine angetrieben wäre.  



  Wenn auf die Hinzufügung einer Rück  wärtsturbine für     Schiffsantriebsanlagen    ver  zichtet wird, kann an Stelle eines Verstell  propellers auch ein     Umkehrgetriebe,    zum  Beispiel ein Flüssigkeitsgetriebe oder ein  Zahnradgetriebe oder ein kombiniertes Ge  triebe mit Flüssigkeitskupplungen und     Zahn-          radübertragung,    Verwendung finden.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Gasturbinenanlage, bei der ein Teil des Arbeitsmittels unter Verdichtung in minje- stens einem Verdichter und Entspannung in mindestens einer Turbine in einem Kreislauf umströmt, aus welchem ständig eine Teil menge von Arbeitsmittel unter Entspannung in mindestens zwei Turbinen entnommen wird und in welchen als Ersatz für die Entnahme durch mindestens einen Verdichter Arbeits mittel wieder eingeführt wird, dadurch ge kennzeichnet, dass mindestens eine einen Ver dichter treibende Turbine durch den im Kreislauf umströmenden Teil des Arbeits mittels und mindestens eine andere,

   ebenfalls einen Verdichter antreibende Turbine und die Nutzleistungsturbinedurch den aus dem Kreislauf entnommenen Teil des Arbeitsmit tels beaufschlagt ist. UNTERANSPRÜCHE: 1. Gasturbinenanlage nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den aus dem Kreislauf entnommenen Teil des Arbeitsmittels beaufschlagten Tur binen hintereinandergeschaltet sind. 2. Gasturbinenanlage nach Unteran spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einen Verdichter antreibende Turbine vor die Nutzleistungsturbine geschaltet ist. 3. Gasturbinenanlage nach Unteran spruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwi schen der Verdichterturbine und der Nutz- leistimgsturbine ein Gaserhitzer angeord net ist.

   4. Gasturbinenanlage nach Unteran spruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaserhitzer als Brennkammer ausgebildet ist, in welcher Brennstoff mit Hilfe des im ent nommenen Teil des Arbeitsmittels enthalte nen Sauerstoffes verbrannt wird. 5. Gasturbinenanlage nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den entnommenen Teildes. Arbeitsmit tels beaufschlagte, zum Antrieb eines Ver dichters bestimmte Turbine den die Ersatz menge in den Kreislauf einführenden Ver dichter antreibt.