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.
Method for operating a gas turbine system, in particular for small capacities * Gas turbine system for carrying out the method The present invention relates to a method for operating a gas turbine system, in particular for small capacities, which includes a turbine, a compressor, a combustion chamber and a heat exchanger with a heat utilization rate of over <B> 85% </B>, and the process is characterized in that the gas inlet temperature is above 600 C,
the pressure ratio below 3 and the pressure loss of the exhaust gases in the heat exchanger is kept below 700 mm WS.
The invention further relates to a gas turbine system for carrying out the method according to the invention, which is characterized in that the heat exchanger is in the form of an annular, rotatable regenerator through which there is flow in the axial direction.
Small gas turbine systems can only be expected to have poor efficiency in the Ver denser or in the turbine, especially because of the small Reynolds numbers. Therefore, according to the invention, the pressure ratio is kept as small as possible, whereby given the air or
Gas weight the volumes become larger, the lower the pressure is. In order to obtain the most favorable pressure ratio, i.e. the ratio of the gas inlet pressure in the turbine to the gas outlet pressure from the turbine, with low values, the heat exchanger's degree of waste heat utilization must be kept as high as possible and the pressure loss in the heat exchanger as small as possible.
FIG. 1 in the drawing shows a diagram which shows the efficiency of a gas turbine plant as a function of the degree of waste heat utilization. The degree of waste heat utilization is the ratio of the temperature increase in the heat exchanger to the temperature difference between the gas outlet from the turbine and the air outlet from the compressor.
The upper curve labeled a represents the efficiency in the absence of any pressure loss. This is of course only a theoretical limit case. The curve b below is obtained with a moderate pressure loss (400 mm water column on the air side and 200 mm water column on the gas side). It can be seen from this that, on the one hand, the efficiency increases sharply only in the area of high waste heat utilization rates and, on the other hand, the pressure loss has a very unfavorable effect here.
Unfortunately, in order to enable high levels of waste heat utilization, very large heat exchange surfaces are required, which increase disproportionately in areas with high levels of waste heat utilization. For this reason, with tubular heat exchangers, it is not possible to go beyond a degree of utilization of 80-85.
A heat exchanger in the form of a ring-shaped, rotatable regenerator through which there is flow in the axial direction, however, makes it possible to go much higher with the degree of waste heat utilization.
FIGS. 2 to 9 of the drawing show exemplary embodiments of regenerators for gas turbine systems, not shown, for implementing the method.
Fig. 2 shows a cross section of the regenerator. The regenerator housing consists of the outer jacket 1 and the inner jacket 2. A large number of radial walls 3 are arranged between these two boundary walls. Through the walls and the two jackets cavities 4 are formed, in the special packing, such as. B. tubes 5 with a small diameter, that is, with an outer diameter of about 2 mm and an inner diameter of about 1 mm, are inserted, which z. B. can consist of ceramic masses or steel.
The tubes are laid in such a way that their axes lie in the direction of flow, the direction of flow coinciding with the axis of the regenerator. Instead of the tubes, differently processed fillers can also be used, such as cross pieces with a large number of closely spaced holes, or bent sheet metal strips that enclose small cavities between them.
When the exhaust gases enter the heat exchanger, their temperature is high and when they exit the same, their temperature is low. As a result, there will be a heat flow within the packing from the inlet to the outlet side. But that is undesirable. To avoid this inconvenience, it is advantageous. to subdivide the packing very often in the direction of flow, so that the heat flow in the packing is interrupted by many separating joints.
It is known that a so-called start-up flow is formed in the beginning of a small passage opening, which. very high heat transfer coefficients results. However, this initial current only extends over a short distance. As the inrush flow subsides, the heat transfer rate also falls. Due to the frequent subdivision of the packing or pipes, each part works in the starting flow. When the gases or air enter the next part, the starting flow with the most favorable heat transfer conditions is again forced.
The subdivision of the packing is therefore also advantageous in this respect. It is advisable to keep the individual sections of the filling body so short that they reach at most the length of the starting flow.
The walls 3 can also be curved instead of straight.
Fig. 3 shows a longitudinal section through one half of the symmetrically designed Re generator. End boxes 6, which are divided into two parts by ribs 7, are arranged at both ends of the regenerator. The closure boxes 6 contain the spaces 8 for the air and 9 for the exhaust gases. The air is supplied through the connector 10 and the exhaust gases are discharged through the connector 11.
The closure boxes 6 are stationary and are sealed off from the outer and inner shells 1 and 2 of the rotatable regenerator housing on the outer circumference by labyrinths 12 and on the inner circumference by labyrinths 13. The regenerator is rotated around its axis, step-by-step by the central angle 9p by which the walls in the annular space are spaced from one another.
The rotation or switching speed is selected so that the exhaust gases or air flows through the individual cavities 4 between the radial ribs 3 for so long that the filling compound or pipes 5 are heated as high as possible or as much heat as possible Will give off air.
Fig. 4 shows a longitudinal section of a sealing strip along the line A-B of FIG. 3, and Fig. 5 shows a cross section of the same sealing strip along the line C-D of FIG.
The sealing on the two end faces of the regenerator is brought about here by sealing strips 14 which are arranged in the ends of the ribs 7 and are pressed by the springs 15 against the ends of the radial walls 3. Since the regenerator housing is jerked white by the central angle cp, the sealing strip 14 always comes to rest on the end of a wall 3.
The sealing strips can be inserted into the lock box with the springs in a special housing cooled by water or oil or in some other way. Such an arrangement is shown in FIG. Here, the sealing strips pressed against the end pieces 21 by springs 15 are inserted into a housing 40 which contains a cooling chamber 41. This Ge housing with the cooling space, the sealing strips and the springs is then stored in the end piece.
In order to reduce the leakage losses in the labyrinths 12 and 13, the outer casing 1 in the example according to FIG. 6 has an end piece 16 with a smaller diameter. The inner casing 2 carries a cylindrical extension 17 which is passed through the closure box 6 and which has a toothed ring 18 at its outer end, in which the gear or rotary gear engages for switching or rotating the regenerator.
Fig. 7 shows a cross section along line A-B of Fig. 3 of a sealing strip which is suitable for continuous rotation of the regenerator. The rib or partition wall 7 is seated at its end with an end piece 20 which carries two sealing strips 14 which are pressed against the correspondingly widened end pieces 21 of the radial walls 3 by springs 15.
The distance between the two sealing strips 14 from each other is slightly larger than the gap 22 between the two end pieces 21, so that a simultaneous inflow of exhaust gas and air into the same sector of the regenerator when rotating it is avoided.
FIG. 8 shows a longitudinal section through one half of the symmetrically designed regenerator, in which the sealing strips 14 are replaced by labyrinths, and FIG. 9 shows the cross section of a partition wall of the end box along the line EP of FIG Sealing strips 14 here are labyrinths 34 inserted into the widened end 20 of the partition 7.
To keep the game between the labyrinths 34 and the widened end pieces 21 of the radial walls 3 equal, an arm 30 is attached to the outer shell 1 of the regenerator, which carries two rollers 32 rotatably with means of cones 31. The rollers are supported on both sides of the flange 33 of the end box 6.
It must be ensured that the distance between the heat exchange drum and the end boxes remains exactly the same regardless of heating. This is achieved by making at least one of the two closing boxes, preferably the one arranged on the air inlet side, somewhat displaceable in the axial direction.
The described regenerator cleans itself automatically during operation. If the filling bodies of a cavity 4 are somewhat contaminated by the exhaust gases, these bus or ash parts are torn away with the compressed air flow as soon as the cavity reaches the end box when the regenerator is turned. The dirt particles torn loose in this way naturally get there from the heat exchanger to the turbine.
In the case of fuels with a high content of ash, an ash chamber (not shown in the drawing) can be switched into the closure box, which is located on the exit side of the compressed air. This chamber would have to be located between the sector that carries the exhaust gases and the sector that carries the compressed air, specifically in the approximate size of a cavity 4.
When the regenerator is rotated, each cavity 4 located between the walls 3 passes one after the other at the transition from the exhaust sector to the compressed air sector in front of the ash chamber in the closure box, with the air entering at the inlet end at high speed in the ash stuck in the regenerator blows out the ashtray.
If the ash pan is connected to the exhaust pipe after it has emerged from the re-generator, the ashes enter the exhaust pipe. This makes it possible to use fuels with a high ash content, which without this measure would endanger the operation of the gas turbine system.