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.
Gas turbine plant. The invention relates to a gas turbine system in which part of the working fluid flows around under compression in at least one compressor and expansion in at least one turbine in a circuit, from which a subset of working fluid is constantly removed under relaxation in at least two turbines and in which as a replacement for the removal by at least one Ver dense work equipment is reintroduced.
The invention is characterized in that at least one turbine driving a compressor is acted upon by the part of the working medium flowing around in the circuit and at least one other turbine, also driving a compressor, and the power turbine by the part of the working medium removed from the circuit .
The turbines acted upon by the part of the working fluid removed from the circuit are expediently connected in series. It is advisable to switch the turbine driving a compressor upstream of the power turbine.A gas heater can be arranged between the compressor turbine and the power turbine, which is designed as a combustion chamber, for example, in which fuel is contained in the extracted part of the working medium Oxygen is burned. The invention is explained in more detail below with reference to four embodiments shown in FIGS. 1 to 4 of the drawings. The systems according to FIGS. 2 and 3 are basically built in the same way as the system according to FIG. 1.
The system according to FIG. 2 is equipped with certain refinements, which may lead to an improvement in terms of efficiency, control options and space requirements. The system according to FIG. 3 differs from that according to FIG. 1 by the reversed series connection of the turbines which are acted upon by the part of the working medium removed from the circuit.
The peculiarity of the system according to FIG. 4 is that the turbine, which is acted upon by the part of the working medium withdrawn from the circuit, drives a circuit compressor, while the compressor delivering the replacement air is operated by a circular turbine. The same reference symbols are used in all figures for corresponding parts.
The air compressed by the compressors 1 and 2 with intermediate cooling in the cooler 3 is fed partly through a line 4 to the heat exchanger 5 and partly through a line 6 to the heat exchanger 7. The two heat exchangers 5 and 7 lying parallel in the air flow act as preheaters, whereby the distribution of the air quantities can be adapted to the operating requirements by the flow organs arranged in the lines 4 and 6.
The two Teilmen conditions of the air unite in preheated system state in the line 8 to again split into two parts at the point 9 to who the. One part flows through the line 10 into the space surrounding the tubes 11 of the gas heater 12. In the heated state ge then reached the compressed air through the line 13 in the turbine 14, where it releases a wesent union part of its energy to the runner from under relaxation and cooling. The relaxed air flows through the line 15 into the heat exchanger 5, in which it preheats the portion of the compressed air supplied through the line 4 as it flows through the tubes 16.
After exiting the heat exchanger 5, a further part of its residual heat is withdrawn from the relaxed air in a cooler 17. The now cooled air flows back through the line 18 into the compressor 1 in order to start the cycle again here.
A partial amount is constantly taken from the described air circuit at point 9 and passed through line 19 into combustion chamber 20 of gas heater 12. Here it is used to burn the fuel atomized by the burner 21. The combustion gas then flows through the heat exchange tubes 11, the air flowing around the circuit being heated. After some of its heat has been given off, the combustion gas flows through the line 22 into the turbine 23 and, after heating it once in the gas heater 24, into the turbine 25.
The gas heater 24 is designed as a combustion chamber in which the fuel supplied by the burner 26 is burned with the aid of the oxygen still contained in the combustion gas of the gas heater 12. The gas expanded in the turbine 25 finally flows through the line 27 into the heat exchanger 7, where, when flowing through the tubes 28, part of its residual heat is transferred to the subset of the compressed air of the circuit supplied through the line 6.
After leaving the heat exchanger 7, the combustion gas flows through the line 29 into further consumption points (not shown), for example in waste heat utilizers, or directly into the open.
As a replacement for the part of the working medium removed from the circuit at point 9, the compressor 30 removes air from the atmosphere, compresses it and introduces it through the line 31 into the line 32 of the circuit connecting the heat exchanger 5 to the cooler 17 . During operation with normal load, the compressor 30 compresses the air to approximately 3 atmospheres, at which pressure it flows to the low-pressure compressor 1.
At the outlet from the high-pressure compressor, the air in the circuit is compressed to a final pressure of approximately 12 atmospheres. With this pressure, the air, after being heated in the heat exchanger 12, flows into the turbine 14 in order to be relaxed again to the original pressure of approximately 3 atmospheres while working. To change the power, the compression ratio of the compressor 30 is changed, for example, by changing the speed of the turbine 23. When idling, it will compress the air to around 0.2 atmospheres, and at maximum overload around 3.5 atmospheres.
The maximum pressures in the circuit stel len then at the outlet of the compressor 22 to 3 respectively. 16 atü. The compression ratio in the circuit is thus also changed when the power is changed, and in fact it is significantly smaller at low power than at high power. By changing the compression ratio in the circuit, the control range can be significantly expanded without accepting economic disadvantages.
If particularly high levels of efficiency can be dispensed with, the performance of the system can be increased even further by increasing the pressure of the replacement air to 4-5 atmospheres, for example, even at normal load.
The highest pressure in the circuit at normal load will then also rise above 12 atmospheres, for example to 20 atmospheres or even higher.
The turbine 14, which is impacted by the air of the circuit, drives the circuit compressors 1 and 2. With the machine group consisting of the compressors 1, 2 and the turbine 14, an auxiliary electrical machine 33 is also coupled, which may be used as a motor or generator as required come into effect and can thus be used to start the system and to compensate for a lack of power or an excess of power at the turbine 14. The turbine 23, which is first acted upon by the combustion gas, drives the compressor 30, which introduces the replacement air into the circuit. Finally, the utility turbine 25 drives the variable-pitch propeller 35, which is designed as a variable-pitch propeller.
In the exemplary embodiment shown in Fig. 2, two compressors 36 and 37 are used to supply replacement air into the circuit. Between the compressors, at least part of the compression heat is extracted from the partially compressed air in a cooler 38. In this way, the pressure level of the Kreislau fes can be increased significantly. The pressure of the air introduced into the circuit through line 31 can be, for example, 5 atmospheres and even more, while the highest pressure at the outlet from the circulator 2 is about 20 atmospheres and more. The performance of the system can thus be changed over a larger area. It is possible, for example, to achieve an overload that is up to eight times greater than the normal load with good efficiency.
A further improvement is achieved in that the air preheated in the heat exchanger 7 is fed through the line 39 to a point in the heat exchanger 5 at which the same temperature prevails as at the outlet from the heat exchanger 7. In this way, it is possible both to preheat the part of the circulating air flowing through the line 4 and the part of the circulating air flowing through the line 6 to the same temperature and thus regain a maximum amount of waste heat. Systems according to Fig. 2 are particularly suitable for cases where large Leistun conditions are housed in tightly limited spaces and good efficiencies have to be achieved, for example for propelling ships, especially warships.
In the exemplary embodiment shown in FIG. 3, the power turbine 25 is first acted upon by the combustion gas from the gas heater 12 and only then is the compressor turbine 23 acted upon. In this way, the regulation can be simplified in certain cases. Intermediate heating of the combustion gas between the two turbines can also be dispensed with.
It can also be combined as in the system shown in Fig. 4 in the circuit be sensitive low pressure compressor 1, the replacement air promoting compressor 30, the rotary turbine 14 and the electrical auxiliary machine 33 to form a group. The high-pressure compressor 2 of the circuit is then driven by the turbine 23, which is acted upon by the combustion gas from the gas heater 20.
With this circuit, a better elasticity of the control can be achieved in certain cases because the operation of the high pressure compressor 2 can be influenced more quickly in this way than if it were driven by a circular turbine.
If the addition of a reverse turbine for ship propulsion systems is dispensed with, a reversing gear, for example a fluid transmission or a gear transmission or a combined transmission with fluid couplings and gear transmission, can also be used instead of an adjustable propeller.