CH313656A - Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage, insbesondere für kleine Leistungen, und Gasturbinenanlage zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

  Verfahren zum Betrieb einer     Gasturbinenanlage,    insbesondere für kleine Leistungen*       Gasturbinenanlage    zur Durchführung des Verfahrens    Vorliegende     Erfindung    betrifft ein Ver  fahren zum Betrieb einer     Gasturbinenanlage,     insbesondere für kleine Leistungen, welche  eine Turbine, einen Verdichter, eine     Brenn-          kammer    und einen     Wärmeaustauscher    mit Ab  wärmeausnutzungsgrad von über<B>85%</B> besitzt,  und das Verfahren ist dadurch gekennzeich  net, dass die     Gaseintrittstemperatur    über  600  C,

   das Druckverhältnis unter 3 und der       Druekverlust    der Abgase im Wärmeaus  tauseher unter 700 mm WS gehalten wird.  



  Weiter betrifft die Erfindung eine Gastur  binenanlage zur Durchführung des erfin  dungsgemässen Verfahrens, welche dadurch  gekennzeichnet ist, dass der     Wärmeaustauscher     die Form eines ringförmigen, drehbaren, in  axialer Richtung durchströmten     Regenerators     hat.  



       Kleingasturbinenanlagen    lassen im Ver  dichter bzw. in der Turbine, -besonders wegen  der kleinen     Reynoldschen    Zahlen, nur einen  schlechten Wirkungsgrad erwarten. Darum  wird erfindungsgemäss das Druckverhältnis so  klein wie möglich gehalten, wobei bei gege  benem Luft- bzw.

   Gasgewicht die Volumina  desto grösser werden, je kleiner der Druck     ist.     Um das günstigste Druckverhältnis, das heisst  das Verhältnis vom     Gaseintrittsdruck    in die  Turbine zum     Gasaustrittsdruck    aus der Tur  bine, bei kleinen Werten zu erhalten, muss man  den     Abwärmeausnutzungsgrad    des     Wärmeaus-          tauschers    möglichst hoch und den Druckver-         lust    im     Wärmeanstauscher    möglichst klein  halten.  



  Die     Fig.    1 in der Zeichnung zeigt ein  Diagramm, welches den     Wirkungsgrad    einer       Gasturbinenanlage    in Abhängigkeit vom     Ab-          wä.rmeausnutzungsgrad    darstellt. Unter     Ab-          wärmeausniLtzungsgrad    ist das Verhältnis der       Temperaturerhöhung    im     Wärmeaustauscher     zur Temperaturdifferenz zwischen dem Gas  austritt aus der Turbine und dem Luftaus  tritt aus dem Verdichter gemeint.  



  Die obere mit a bezeichnete Kurve stellt  den     Wirkungsgrad    bei Fehlen eines jeglichen  Druckverlustes dar. Das ist natürlich nur ein  theoretischer Grenzfall. Die     darunterliegende     Kurve b erhält man bei einem mässigen Druck  verlust (400 mm WS luftseitig und 200 mm WS  gasseitig). Man ersieht hieraus, dass einerseits  nur im Bereich hoher     Abwärmeausnutzumgs-          grade    der Wirkungsgrad stark zunimmt und  dass anderseits sich der Druckverlust hier sehr  ungünstig auswirkt.  



  Um hohe     Abwärmeausnutzungsgräde    zu er  möglichen, benötigt man leider sehr grosse       Wärmeaustauschflächen,    die im Gebiet hoher       Abwärmeausnutzungsgradeunverhältnismässig     stark zunehmen. Bei     Röhrenwärmeaustau-          schern    kann man aus diesem Grunde auch  über einen Ausnutzungsgrad von 80-85  nicht hinausgehen.  



  Ein     Wärmeaustauscher    in Form     eines    ring  förmigen, drehbaren, in axialer Richtung      durchströmten     Regenerators    gestattet es  jedoch, mit dem     Abwärmeausnutzungsgrad     wesentlich höher     zu    gehen.  



  Die     Fig.    2 bis 9 der     Zeichnung    zeigen Aus  führungsbeispiele von     Regeneratoren    für nicht  gezeichnete     Gasturbinenanlagen    zur Durch  führung des Verfahrens.  



       Fig.    2 zeigt einen Querschnitt des     Regene-          rators.    Das     Regeneratorgehäuse    besteht aus  dem äussern Mantel 1 und dem innern Mantel  2.     Zwischen    diesen beiden Begrenzungswän  den ist eine grosse Anzahl radialer Wände 3  angeordnet. Durch die Wände     und    die beiden  Mäntel werden Hohlräume 4 gebildet, in die  besondere     Füllkörper,    wie z. B. Rohre 5 mit  kleinem Durchmesser, das heisst mit Aussen  durchmesser von etwa 2 mm und mit Innen  durchmesser von etwa 1 mm, eingelegt sind,  welche z. B. aus keramischen Massen oder aus  Stahl bestehen können.

   Die Rohre sind so einge  legt, dass     dieAchsen        derselbenin    der Strömungs  richtung liegen, wobei die Strömungsrichtung  mit der Achse des     Regenerators    zusammen  fällt. Statt der Rohre können auch anders  gearbeitete Füllkörper verwendet werden, wie  beispielsweise Querstücke mit sehr vielen, dicht       nebeneinanderliegenden    Bohrungen, oder ge  bogene Blechstreifen, die kleine Hohlräume  zwischen sich     einschliessen.     



  Beim Eintritt der Abgase in den Wärme  austauscher ist ihre Temperatur hoch     und          beim    Austritt aus demselben niedrig. Dadurch  wird ein     Wärmefluss    innerhalb der     Füllkörper     von der Eintritts- zur Austrittsseite hin statt  finden. Das ist aber     unerwünscht.    Zur Ver  meidung dieses     Übelstandes        ist    es     vorteilhaft.     die Füllkörper in der     Strömungsrichtung    sehr  oft zu unterteilen, so dass der Wärmestrom  im Füllkörper durch viele Trennfugen unter  brochen wird.  



  Es ist bekannt, dass sich im Anfang einer  kleinen     Durchtrittsöffnung    eine sogenannte  Anlaufströmung ausbildet, die . sehr hohe       Wärmeübergangszahlen    ergibt. Diese Anlauf  strömung erstreckt sich jedoch nur auf eine  kurze Strecke. Mit dem Abklingen der An  laufströmung fällt auch die Wärmeübergangs  zahl. Durch eine häufige Unterteilung der    Füllkörper bzw. Rohre arbeitet jeder Teil in  der     Anlaufströmung.        Beim    Eintritt der Gase  bzw. der Luft in den nächsten Teil     wird    wie  derum die     Anlaufströmung    mit günstigsten       Wärmeübergangsverhältnissen    erzwungen.

   Die  Unterteilung der     Füllkörper    ist also auch  in dieser Hinsicht vorteilhaft. Es ist zweck  mässig, die einzelnen Teilabschnitte der Füll  körper so kurz zu halten, dass sie höchstens die  Länge der Anlaufströmung erreichen.  



  Die Wände 3 können statt gerade auch ge  bogen sein.  



       Fig.    3 zeigt einen Längsschnitt durch eine  Hälfte des     symmetrisch    ausgebildeten Re  generators. An beiden Enden des     Regenera-          tors    sind     Abschlusskästen    6 angeordnet, die  durch Rippen 7 in zwei Teile geteilt sind. Die       Abschlusskästen    6 enthalten die Räume 8  für die Luft und 9 für die Abgase.  Die Luft wird durch den Stutzen 10 zu-,  und die Abgase werden durch den Stutzen 11  abgeführt.

   Die     Abschlusskästen    6 sind fest  stehend und gegenüber den äussern und innern  Mänteln 1 und 2 des drehbaren     Regenerator-          gehäuses    am äussern Umfang durch     Laby-          rinthe    12 und am innern Umfang durch     Laby-          rinthe    13 abgedichtet. Der     Regenerator    wird  um seine Achse gedreht, und zwar schrittweise  um jeweils den     Zentriwinkel        9p,    um den die  Wände im Ringraum voneinander entfernt  sind.

   Die Dreh- bzw.     Schaltgesehwindigkeit     wird so gewählt, dass die     einzelnen    Hohlräume  4 zwischen den radialen Rippen 3 so lange von  den Abgasen bzw. der Luft durchströmt wer  den, dass die Füllmasse bzw. Rohre 5 möglichst  hoch aufgeheizt bzw. möglichst     viel    Wärme an  die Luft abgeben     wird.     



       Fig.    4 zeigt einen Längsschnitt einer Dich  tungsleiste längs der Linie     A-B    der     Fig.    3,  und       Fig.5    zeigt einen Querschnitt derselben  Dichtungsleiste längs der Linie     C-D    der       Fig.    4.  



  Die Abdichtung an den beiden Endflächen  des     Regenerators    wird hier durch Dichtleisten  14 bewirkt, die in den Enden der Rippen 7  angeordnet sind und durch die Federn 15  gegen die Enden der radialen Wände 3 ge-      drückt werden. Da das     Regeneratorgehäuse     jeweils um den     Zentriwinkel        cp        ruckartig    wei  tergeschaltet wird, so kommt     immer    die Dicht  leiste 14 auf das Ende einer Wand 3 zu liegen.  



  Die Dichtleisten können mit den Federn  in einem besonderen, durch Wasser oder Öl  oder auf andere Art gekühlten Gehäuse in den       Absehlusskasten    eingesetzt sein. Eine solche  Anordnung zeigt     Fig.10.    Hier sind die durch  Federn 15 an die Stirnstücke 21     angepressten     Dichtleisten in ein Gehäuse 40 eingesetzt, wel  ches einen Kühlraum 41 enthält. Dieses Ge  häuse mit dem Kühlraum, den     Dichtleisten     und den Federn ist dann in dem Stirnstück  gelagert.  



  Um die     Undichtigkeitsverluste    bei den  Labyrinthen 12 und 13 herabzusetzen, hat der  äussere Mantel 1 beim Beispiel nach     Fig.6     ein Endstück 16 mit kleinerem     Durchmesser.     Der innere Mantel 2 trägt einen zylindrischen  Ansatz 17, der durch den     Absehlusskasten    6  hindurchgeführt ist und der an seinem äussern  Ende einen Zahnkranz 18 besitzt, in den das  Schalt- bzw. Drehgetriebe zum Schalten bzw.  Drehen des     Regenerators    eingreift.  



       Fig.    7 zeigt einen Querschnitt nach Linie       A-B    der     Fig.    3 einer Dichtungsleiste, die sich  bei kontinuierlicher Drehung des     Regenerators     eignet. Die Rippe bzw. Trennungswand 7 be  sitzt an ihrem Ende ein Stirnstück 20, welches  zwei Dichtungsleisten 14 trägt, die durch Fe  dern 15 an die entsprechend verbreiterten  Stirnstücke 21 der radialen Wände 3     ange-          presst    sind.

   Der Abstand der beiden Dich  tungsleisten 14 voneinander ist etwas grösser  als der Spalt 22 zwischen den beiden Stirn  stücken 21, so dass ein gleichzeitiges Einströ  men von Abgas und Luft in denselben Sektor  des     Regenerators    bei der Drehung desselben  vermieden wird.  



       Fig.    8 zeigt einen Längsschnitt durch eine  Hälfte des     symmetrisch    ausgebildeten     Regene-          rators,    bei welchem die Dichtungsleisten 14  durch Labyrinthe ersetzt sind, und       Fig.    9 zeigt den Querschnitt einer Trenn  wand des     Abschlusskastens    längs der Linie       E-P    der     Fig.    B.    An Stelle der Dichtungsleisten 14 sind  hier Labyrinthe 34 in das verbreiterte Ende 20  der Trennwand 7 eingesetzt.

   Zur Gleich  haltung des Spiels zwischen den Labyrinthen  34 und den verbreiterten Endstücken 21 der  radialen Wände 3 ist am äussern Mantel 1 des       Regenerators    ein Arm 30 befestigt, der mit  tels Zäpfen 31 zwei Rollen 32 drehbar trägt.  Die Rollen stützen sich auf beide Seiten des  Flansches 33 des     Abschlusskastens    6 ab.  



  Man muss dafür sorgen, dass der Abstand  zwischen der     Wärmeaustauschtrommel    und  den     Abschlusskästen    ohne     Rücksicht    auf Er  wärmung genau gleich bleibt. Man erreicht  dies dadurch, indem man wenigstens einen  der zwei     Abschlusskästen,    vorzugsweise den an  der     Lufteintrittsseite    angeordneten, in axialer  Richtung etwas     verschieblich    ausführt.  



  Der beschriebene     Regenerator    reinigt sich  im Betrieb automatisch.     Wenn    die     Füllkörper     eines Hohlraumes 4 durch "die Abgase etwas  verschmutzt werden, so werden diese     Buss-          oder        Ascheteile    mit dem verdichteten Luft  strom fortgerissen, sobald der Hohlraum beim  Drehen des     Regenerators    vor den entsprechen  den     Abschlusskasten    gelangt. Die auf diese  Weise losgerissenen Schmutzteile gelangen  natürlich vom     Wärmeaustauscher    noch in die  Turbine.  



  Bei stark     aschehaltigen    Brennstoffen kann  in den     Abschlusskasten,    der sich an der Aus  trittsseite der Druckluft befindet, noch eine in  der Zeichnung nicht dargestellte Aschenkam  mer eingeschaltet werden. Diese Kammer  müsste sich zwischen dem die Abgase führen  den Sektor und dem die Druckluft führenden  Sektor befinden, und zwar in der ungefähren  Grösse eines Hohlraumes 4.

   Bei einer Drehung  des     Regenerators    gelangt     dann    nacheinander  jeder sich zwischen den Wänden 3 befind  liche Hohlraum 4 beim Übergang von .dem  Abgassektor zum     Druckluftsektor    zunächst vor  die Aschenkammer im     Abschlusskasten,    wobei  die am     Eintrittsende    mit grosser Geschwindig  keit eintretende Luft die im     Regenerator    fest  sitzende Asche in den     Aschenkasten    hinaus  bläst.

        Wird der     Aschenkasten    mit der Abgas  leitung nach Austritt derselben aus dem Re  generator     verbunden,    so gelangt die Asche in  die     Ausptüfleitung.    Dadurch ist es möglich,  stark     aschehaltige    Brennstoffe zu verwenden,  die ohne diese Massnahme den Betrieb der Gas  turbinenanlage gefährden würden.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zum Betrieb einer Gas turbinenanlage, insbesondere für kleine Lei stungen, welche eine Turbine, einen Verdich ter, eine Brennkammer und einen Wärmeaus- tautscher mit Abwärmeausnutzttngsgrad von über 85% besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseintrittstemperatur über 600 C, das Druckverhältnis unter 3 und der Druckver lust der Abgase im Wärmeaustauscher unter 700 mm WS gehalten wird.

   II. Gasturbinenanlage zur Durchführung des Verfahrens gemäss Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustau- scher die Form eines ringförmigen, drehbaren, in axialer Richtung durchströmten Regene- rators hat.

   UNTERAINSPRÜCHE 1. Gasturbinenanlage nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Regene- rator durch eine Anzahl radialer Wände in eine ebenso grosse Anzahl gleicher Hohlräume mit Kreisringstückquerschnitt unterteilt ist.

   2. Gasturbinenanlage nach Patentanspruch II und Unteranspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Drehung des Regenerators schrittweise derart erfolgt, dass der Regenera- tor bei jedem Schritt um einen durch zwei benachbarte radiale Wände (3) bestimmten Zentriwinkel weiter gedreht wird.

   3. Gasturbinenanlage nach Patentanspruch II und Unteransprüchen 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, dass die Hohlräume (4) zwi schen den radialen Wänden (3) des negenera- tors mit in der Längsrichtung des Regener a- tors angeordneten Füllkörpern ausgefüllt sind.

   4. Gasturbinenanlage nach Patentanspruch II und Unteransprüchen 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die Füllkörper des Regene- rators in der Durehströmrichtung der Gase unterteilt sind, damit sich in den Dur chströ- mungsöffn-tingen der hintereinanderliegenden Teilabschnitte jedesmal die Anlaufströmung wieder ausbildet,

   so dass der Wärmefluss in den Füllkörpern weitgehend unterbunden und der Wärmeübergang infolge der Anlaufströmung erhöht wird. 5. Gasturbinenanlage nach Patentanspruch II und Unteransprüchen 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass die einzelnen Teilabschnitte der Füllkörper in Strömungsrichtung so kurz gehalten sind, dass sie höchstens die Länge der Anlaufströmung erreichen. 6. Gasturbinenanlage nach Patentanspruch II und Unteransprüchen 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, dass die Füllkörper Röhrchen (5) sind.

   7. Gasturbinenanlage nach Patentanspruch II und Unteransprüchen 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, dass der Regenerator an beiden Enden je einen Abschlusskasten (6) besitzt, in dem sich die Räume (8, 9) für Luft und Abgase befinden, wobei die Abdichtung zwi schen den Abschlusskästen und der drehbaren Regeneratortrommel am äussern und innern Umfang durch Labyrinthe (12, 13) erfolgt.

   B. Gasturbinenanlage nach Patentanspruch II und Unteransprüchen 1 bis 7, deren Re- generatortrommel an ihren Stirnflächen durch Dichtleisten abgedichtet ist, die in den Trenn wänden der Räume für Luft und Gas angeord net und durch Federn an die Stirnflächen der Regeneratortrommel gedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtleisten mit den Federn in einem besonderen, gekühlten gasten angeordnet sind.

   9. Gasturbinenanlage nach Patentanspruch II und Unteransprüchen 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, dass sich im Abschlusskasten auf der Luftaustrittsseite der Regeneratortrommel zwischen den Räumen für Luft und Abgas ein Aschenraum befindet, in dem die aus den Füll körpern der Regeneratortrommel durch die Luft ausgeblasene Asche aufgefangen wird und der mit der Abgasleitung hinter dem Regenerator verbunden ist.

   10. Gasturbinenanlage nach Patentan spruch II und Unteransprüchen 1 bis 9, da- durch gekennzeichnet, dass der Aschensammel- kasten nur so breit ist wie der Abstand zweier benachbarter Wände in der Regenerator- trommel. 11. Gasturbinenanlage nach Patentan spruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneratortrommel durch gebogene Wände in eine Vielzahl von Hohlräumen unterteilt ist.

   12. Gasturbinenanlage nach Patentan spruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung an den Stirnflächen der Regene- ratortrommel zwischen den Räumen (8, 9) für Luft und Abgas durch Labyrinthe (24) be wirkt wird, wobei zur Gleichhaltung des Spiels zwischen den Labyrinthblechen und der Re generatortrommel ein Abschlusskasten (6) in axialer Richtung verschiebbar ist, wobei meh rere, in an der Regeneratortrommel befestig ten Armen (30) angebrachte Rollen (32) sich an beiden Seiten je eines Flansches der Ab schlusskästen abstützen.