CH330986A - Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

      Gasturbinenanlage       Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf  eine     CTast-Lim-binenanlage.        Gasturbinenanlagen,     die nicht mit einem     VG        ärmeaust.auscher    aus  gerüstet sind, haben nur     einen    geringen ther  mischen     Wirkungisgrad,    während man solche  Anlagen mit     Rekuperator    bisher so gebaut       hut,

      dass die Turbine und der     R.ekuperator    ge  trennte Einheiten darstellen und auf diese  Weise nicht die     maximale        thermisehe    Ausnut  zung     erzielt.    wird.  



  Das Ziel der Erfindung besteht. darin, eine       Gasturbinenanlage    zu schaffen, die einen     Re-          kuperator    besitzt, der einen hohen thermischen  Wirkungsgrad     aufweist.     



  Gemäss der Erfindung wird das Aggregat  so ausgebildet,     dass    der     Rekuperator    Ringform  hat und die Teile der Anlage umschliesst, so  dass die Wärmeverluste durch Abstrahlung  vermindert werden.     Vorzugsweise    ist. die Ver  brennungshammer     gleichfalls    ringförmig und  koaxial innerhalb des     Rekuperators    eingebaut,  so dass     die    ganze Anordnung eine kompakte       Sti-imktur    aufweist.  



  Die     Erfindung-    soll nachstehend an     Aus-          fülirun        ,isbeispielen    unter Bezugnahme auf die       Zeichnungen    näher erläutert werden.  



       Fig.    1 stellt in teilweisem Schnitt eine nach  der Erfindung konstruierte Maschine dar.       Fiu.    2 ist. ein Schnitt nach     11-II    in     Fig.    1..       Fig.    3 zeigt in teilweisem Schnitt eine an  ders     konstruierte        Masehine    gemäss der Er  findung.

           Fig.    4 gibt. einen Schnitt nach der Linie       IV--IV    in     Fig.    3     wieder        und          Fig.    5 betrifft eine     Einzelheit,    nämlich  die Anordnung des     Luft-Ein-    und     -ALUslasses     bei der in den     Fig.    3 Lund 4 dargestellten     lIa-          schine.     



  Die     Gasturbinenanlage,    die in den     Fig.    1       und    2     ersichtlich    ist, besteht aus einer Tur  bine G, einer     Verbrennungskammer        B    und  einem     Rekuperat.or    D. Die beiden letztgenann  ten Teile haben Ringform. Die Verbrennungs  kammer     B    ist koaxial innerhalb des     Rekupera-          tors    D angeordnet, so dass der     Radialschnitt     vier koaxiale Ringe 11, 12, 13, 14 aufweist,  wie es     aus        Pig.    2 ersichtlich ist.  



  Eine Luftleitung D, welche dien     Rekupe-          rator   <I>D</I> mit der     Verbrennungskanuner   <I>B</I> ver  bindet, wird     einerseits    durch einen konkaven,  ringförmigen Deckel 22 gebildet, der     eich    zwi  schen einer     Abschlussplatte    21 des     Rekupe-          rators,    im     nachstehenden        a;ls    rückwärtige       Endplatte    bezeichnet, und der innern Wand  11 der Verbrennungskammer B erstreckt und       anderseits    durch eine Wand 18     begrenzt.     



  Zwischen einem Mantel einer Wellenab  deckung 3 und einer Verlängerung 10 der  äussern Wand 12 der     Verbrennung.skammer-B     ist ein     Abführungskanal    F geschaffen, der  dazu dient, die     VerbrennLtngsgase    nach     einem.          Gasauslass    C zu führen.  



  Der ringförmige Raum     zwischen    der     in-          nern    Wand 13 des     Rekuperators    D und der  äussern *Wand 12 der     Verbrennungskammer              bildet    den     Gasauslass.    C mit den     Öffnungen    I,  welche den Eintritt .der Abgase in den     Reku-          perator    D gestatten.  



  Der     Hohlraren,    den die innere     Wand:    11  der Verbrennungskammer     umschliesst,    bildet  einen offenen     Raum    A, in welchem eine     Kühl-          luftzuleitung    16 für die Turbine     eingebaut        ist          und    auch eine Einrichtung     zur        Vorwä.rmung     für den     Brennstoff        vorgesehen    sein kann,  wenn es gewünscht     wird.     



  An der     verengten        Austrittsstelle    aus der  Verbrennungskammer B     ist    die Turbine an  geordnet. Ihre axiale Welle 2 ist mit dem  Rotor 1 eines     Zentrifugal-Kompressors    für  die Luft verbunden. An den     Zentrifugal-          Kompressor    sind     Auslassrohre    4 und ein ge  meinsames, ringförmiges Kopfstück 5 ange  schlossen. Dieses Kopfstück 5 ist an der Vor  derplatte 8 des     Wärmeaustauschers        befestigt,     die     nachstehend    als Frontplatte bezeichnet  werden soll.  



  Es soll     nur    nach der Schilderung des all  gemeinen Aufbaus auf die Einzelheiten der  Anordnung eingegangen werden.  



  Das     Zentrifugalgebläse    hat mehrere Aus  lassrohre 4, die nach dem ringförmigen Samm  ler 5 des     Wärmeaustauschers    D führen.  



  Dieser     Wärmeanstauscher    D hat. Ring  form und     umschliesst    die Turbine und die       Verbrennungskammer    B. Er besteht aus einen       innern        schalenförmigen        Mantel,    der durch die  Wand 13     gebildet    wird, den     Abschlusspla.tten     8 und 21 und dem äussern Mantel 14.

   Die       rückwärtige        Abschlussplatte    21 des     Wärme-          austauschers        stellt    die     Fortsetzung    der äu  ssern     Wand:    12 der Verbrennungskammer .dar.

    Am andern Ende dieser Wand 12 der Ver  brennungskammer ragt eine Anzahl von ra  dialen     Abstandsstücken    23 gegen die innere  Wand 13 des     Wärmeaustauschem,    welche die  Lage der     Verbrennungskammer    B innerhalb  des Mantels 13     festlegen.    Sie können so an"  geordnet sein, dass eine freie     thermische        Aus-          dehnung    ermöglicht wird.

   Der     Wärmeaus-          tamscher    D entspricht dem Gegenstromtyp  und ist mit einer Reihe von Rohren 19     aus-          gestattet,    die von den Endplatten 8     und    21  getragen werden und     parallel    zu der innern    Wand 13 ,des     Wärmeaustauschers    liegen. Diese  Rohre     erlauben    den Fluss der komprimierten  Luft aus dem Kopfstück 5 nach der Verbren  nungskammer B :durch die     Luftzuleitung    F,  welche aus dem konkaven äussern Deckel 22  und der Wand 18 gebildet wird.  



  Die Verbrennungskammer B wird, wie be  reits erwähnt, von den beiden ringförmigen  Wänden 11 und 12 begrenzt und hat, dadurch       selbst    Ringform. Im Längsschnitt erkennt.  man, dass der erste Teil. der Kammer B sieh       konisch        erweitert.,    während der zweite, der       Hauptteil    der     Kammer,        eine    sieh     koniselr    ver  engende Form     aufweist,    beide Teile in Rich  tung der Ströme betrachtet.

   In den konka  ven, ringförmigen Deckel 22 sind Brenner 20  derart eingebaut, dass ihre     Achsen    mit der  Symmetrieachse des Längsschnittes der Ver  brennungskammer B     zusammenfallen.    Ein  mit Löchern versehener     Flammraumbegrenzer     17 ist     innerhalb    der     Verbrennunuskam.mer        ho     angeordnet, dass noch genügend freier Raum  für die Zufuhr von Sekundärluft offen bleibt.

    In. dem verengten     Auslass    der     Verbr,ennurrg@s-          kammer    sind feststehende Schaufeln 9 vorge  sehen, die     d-en        Gasstrorn    unmittelbar zu den  Laufschaufeln 7 eines Turbinenrades führen.

    Die beiden     Endabdeckungen    3 und 22 der Ma  schine sind folgendermassen     aitisgeführt:    An  einem Ende sind die     Verbrennungskammer    B  und der     Wärmeaustauseher    D miteinander  durch die konkave, ringförmige     Absch,lnss-          platte    2-2 verbunden, die zusammen mit der       @Vand    18 die     Luftleitung    T bildet.

   Die innere  Wand 11 der     Verbrennungskammer    und: die  Endplatte 21 des     Wärmeaustauschers    sind da  durch aneinander     angeschlossen.    Am     andern     Ende der Maschine     ist    die     Abdeeluuzg    3 vor  handen, welche     Ringform    besitzt und zusam  men mit, der Verlängerung 10 der äussern  Wand 12 der     Verbrennungskanrmer    den Aus  lass F bildet. Sie ist. an der innern     Wand   <B>1.3</B>  des     Wärmeaustaruschers    befestigt. Diese     Ab-          deekung    3 gestattet auch der Welle 2 den  Durchtritt.

   Die Turbine selbst besteht aus  einem Antriebsrad 6,     das    auf der in der Ab  deckung     gelagerten    Welle 2 befestigt     ist.    Die  Abdeckung 3 ist so weit verlängert,     dass    sie           einerseits    die Abdeckung des     Turbinengehäu-          ses    und der Abgasleitung F bildet., wie be  reits erwähnt, anderseits aber eine     'fand    des       Kompressorengehäuses    darstellt.

   Der rück  wärtige Teil des     Turbinengehäuses    wird durch  eine     Fortsetzung    der innern Wand 11 der       Verbrennungskammer    gebildet. Eine Zutritts  öffnung im Zentrum     dieser    Verlängerung ist  durch die Platte 15 abgedeckt, durch welche  die     Kühlliuftleitung    hindurchgeht. Das     An-          triel-)8rad    6 ,der Turbine weist im Zentrum eine       Ausnehmung    auf, die     eine    Zutrittsöffnung  besitzt.

   Die Schaufeln 7 und die Seheibe 6 sind  an den     Hohlraiun    derart     angesehlossen,    dass  beide Teile     wirksam    durch Luft gekühlt wer  den können. Die     Küh        Luftleitung    16 ist an  den     Luftkompressor    angeschlossen.  



  Beim     Bethieb    der     1Tasehine    wird atmo  sphärische Luft in den Kompressor     angesaugt     und vor dem Durchtritt durch die Rohre 4  in     dass        Einlasskopfst.iiek    5 für d en     Wärmeaus-          taiuscher    D komprimiert. Aus dem Kopfstück  5 strömt. die Luft durch die Rohre 19 des       Wärmeaustauuschers    nach rückwärts,     gelangt     in den Luftkanal     h    und von da in die Ver  brennungskammer.

   Während des     Durchströ-          mens    der Rohre     des        Rekuperatois    nimmt die       komprimierte    Luft. infolge des     'V#@'ärmeaiustau-          sches    mit den Abgasen erhöhte     Temperatur     an.  



  In der     Verbrennungskammer    B mischt sieh  die     vorgewärmte        komprimierte    Luft an der  Eintrittsstelle mit. einem fein verteilten, ver  sprühten Brennstoff, der     dauernd    eingespritzt  wird. Die so gebildete brennbare Mischung  wird durch einen Funken entzündet.  



  An der Eintrittsstelle in die Verbren  nungskammer B wird ein Teil der vorgewärm  ten, komprimierten Luft, die sogenannte. Se  kundärluft, in den Raum     zwischen    dem       Flammraumbegrenzer    17     und    der     innern    so  wie der äussern     Begrenzungswand    der Ver  brennungskammer und von da, durch die Lö  cher in den     Plammraum    geführt, um eine       vollständige    Verbrennung     sicherzuustellen.     



  Die Verbrennung findet in der Verbren  nungskammer unter     konstantem    Druck statt  und die     Verbrennungsprodukte    werden zum    Teil in den feststehenden     Schaufeln    9     iuid     zum Teil in den     Laufschaufeln    7     entspannt,     wo ihre     kinetische    Energie in mechanische  Energie     umgewandelt    wird. Ein Teil der sich  daraus ergebenden     Leistung    an der Welle  wird     dazu    benutzt., den Rotor 1 des Luftkom  pressors zu drehen. Der Rest     stellt    die Nutz,  Leistung der Maschine dar.

   Die niedrig ge  spannten Gase, die     durch    den Kanal F ab  strömen,     gelangen    durch den Raum C in den       Wärineaustauscher    D, wo sie den grössten  Teil. ihres Wärmeinhaltes an die komprimierte  Luft abgeben, welche durch die Rohre 19  fliesst. Auf diese Weise wird die Wärme der       Abgase    wieder     verwendet.    Nach dem Durch  strömen des     -'#Väu-neauustauschers    werden sie  durch das Rohr     K        ins    Freie     abgelassen.     



  Die in den     Fig.    3, 4 und 5 der     Zeichnungen     dargestellte     Gasturbine    arbeitet nach demsel  ben     Prinzip    wie die vorstehend     beschriebene     Maschine. Die     Bezugszeichen        undi        Buchstaben,     welche beiden     Ausführungsformen    gemeinsam  sind, betreffen ähnliche     Bestandteile.     



  Bei der zweiten     Auusführuingsform    besteht  die Maschine aus einem     Zentrifugalgebläse     mit dem Rotor 1 und den Austrittsrohren 4,  die nach einer keilförmigen     Eintrittsöffnung     <I>L</I> des ringförmigen     Wä.rmeaitstauschers   <I>D</I>  führen. Der     -#V        ärmeatustaluseher    wird von den  koaxialen Wänden 13 und 14     umschlossen.     Drei Rippen 25 sind im     Turbinengehäuse    dazu       bestimmt,    die Lage der Turbine innerhalb  der     ringförmigen    Wand 13 festzulegen. Diese  Rippen können einstellbar sein.

   Eine Mehr  zahl von gekrümmten Rohren 31 ist     zwischen     den Wänden 13 und 14 des     Wärmeaustau-          schers    D ringförmig eingebaut. und verbindet  die     Einlassöffnung        I.    mit dem     gleichfalls    keil  förmigen     Aitslass    H, der seinerseits     durch    die  Luftleitung F mit der     Verbrennungskammer     B in     Verbindung    steht.

   Ein     Gemisch    von Luft  aus dem Kompressor H     zusammen    mit fein  verteiltem Brennstoff     wird    in den Brennern  20     in    der     Verbrennungskammer    B     entzündet     und die Verbrennungsprodukte strömen durch  einen ringförmigen Raum N nach der     Com-          poundturbine    G.

   Das Turbinenrad 6 der     Com-          poundturbine    G treibt die Welle 2 an, welche      die Kraft an den Rotor 1 des     Kompressors     abgibt,     während.    das     Turbinenrad    25,     das     Laufschaufeln 27     besitzt,    die gegenüber zu  gehörigen Leitschaufeln 26 angeordnet.

   sind,  die Welle 30 antreibt,     welche    von dem Man  tel 29     umschlossen        ist.    Von der Turbine strö  men die Gase     durch    die     Abführungsleitung    F  und den Kanal C in den     Einl.ass    I des     Wärme-          austauschers,    der von einer     Wand:    24 abge  deckt wird.

   Aus dem Einlass I     strömen    die  Gase     aussen        tun.    die gebogenen Rohre 31 her  -um, indem sie in einem     Kreis    den     Wärmeaus-          tauscher    D durchlaufen, im Gegen     strom    zu  der in den Rohren 31 fliessenden Luft.. Die  Wärme der Abgase wird     da-bei    durch die  Rohre 31 hindurch an die Luft abgegeben,  welche auf diese Weise     wirksam    vorgewärmt       wird.  

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH G asturbinenanlage mit Wärmeaustauscher, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaus- tauscher (D) Ringform besitzt. und die Teile der Anlage umschliesst, so dass die Wärme abstrahlung von diesen Teilen herabgesetzt wird.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Gasturhinenanlage nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ver brennungskammer (B) ringförmig ausgebildet. ist und koaxial innerhalb des W äraneanstau schers liegt.

   2. Gasturbinenanlage nach Patentan spruch, gekennzeichnet durch mindestens ein auf einer Welle (2) befestigtes Turbinenrad (6), durch einen Luftkompressor (1), einen von zylindrischen Wänden gebildeten Wärme- aiustauscher (D), Rohre (19), welche sieh in der Längsrichtung des Wäianeaustausehers (D) erstrecken und so eingerichtet sind, diass sie mit der komprimierten Luft beschickt wer den können, durch einen Luftkanal (F) von diesen Rohren (19)

   nach der Verbrennungs- kammer (B), Brenner in der Verbrennungs kammer (B), durch einen Abzugskanal für d ,ie expandierten, aber noch heissen Gase zum Wärmeaustauseher (D), und durch ein Aus lassrohr (K) aus dem Wärmeaustauscher (D).

   3. Gasturbinena.nlage nach Patentanspruch und Unteranspruch 2, dadurch gekenii7eiell- net, dass der Luftkompressor ein Zentrifugal gebläse (1) ist, das an dem vom Antriebsrad entfernten Ende der Welle (2) der Turbine montiert ist.

   4. Gasturbinenanlage nach Patentaitsprttch und Unterailspiareh \', dadurch gekenlizeieh- net, dass der Wärmeaustatischraum durch Endplatten (8, 21) abgeschlossen ist, welche auch d.ie Rohre (19) des Wärnleaustauschers (D) tragen, und dass ' das Turbinenrad (6) durch mit dem Wärmeaustauseher (D) ver bundene Abdeckungen (3, 11, 22) abgedeckt ist. 5.

   Gasturbinenanlage nach Patentanspruch und Unteranspinzch 4, diadtireh gekennzeiell- net, dass die Abdeckung (11, 22) an der Seite des ALustrit.ts der komprimierten Luft aus den Rohren des Wärmeaustausehers (D) einen ringförmigen, konkaven Hohlraum begrenzt, der den Luftkanal (F) zur Verbindung des Wärmeaastauschers (D) mit der Verbren nungskammer (B) darstellt.

   6. GastLirbinenanlage nach Patentanspruch und Unteranspiiteh 5, dadurch gekennzeieli- net, dass die Abdeckung (11, 22) die Brenner für die Verbrennungskammer (B) trägt. 7. Gasturhinenanlage nach Patentanspruch und Unteransprneh 4, dadurch gekennzeich net, dass an die Abdeckung (3) an .der Seite des Eintritts der komprimierten Luft.

   in die Rohre (19) des Wärmeaitstausehers (D) Rohre (4) anschliessen, die vom Gebläse (1) zu eitlem gemeinsamen Kopfstück (5) des Wärmeaustausehers (D) führen. B. Gasturbinenanlage nach Pa:

   tentansprueli und Unteranspruch 7, dadurch gekennzeich net, dass die letztgenannte Abdeckung (3) eine iingförinige Verlängerung von grösserem Durchmesser aufweist, die eine Wand des Ge häuses für das Turbinenrad und weiterhin mit einem Vorsprung der äussern Wand der Verbrennungskammer (B) einen Abführtngs- kanal (F) bildet, durch den die entspannten Gase von der Turbine zu einem Auslass gelei tet werden,

   welcher durch die Aussenwand der Verbrennungskammer (B) mit ihrem Vor- Sprung und der innern Wand des Wärmeaus- tausehers (D) begrenzt wird, wobei die Ab deckung (3) an einem Ende des Wärmeaus- tauseheis (D) so befestigt ist, d ass eine leichte Entfernbarkeit zwecks Pflege und Reinigung der Turbinenschaufeln sichergestellt ist.

   9. Gasturbinenanlage nach Patentansprich und Unteranspruch 8, dadurch gekennzeich net, dass die Abdeckung (3) an ihrem andern Ene eine Wand' des Gehäuses des Luftkom- pressons (1) bildet.

   10. Gasturbinenanlage nach Patentan- epruch, gekennzeichnet durch eine Verbund turbine mit zwei unabhängig drehbaren Wel len, durch einen Kompressor (1), einen von zylindrischen Wänden gebildeten 'N#@'ärmeaus- tauscher (D), Rohre (19), welche sich in der Umfangsrichtung des Wärmeaustauschers (D) erstrecken, keilförmige Eintritts- und Aus- trittsöffnungen, die mit den Rohren in Ver bindung stehen und so eingerichtet. sind,

   dass sie mit komprimierter Luft. beschickt werden können, einen Luftkanal (E) von der Aus- trittsöffnung des Wärmeaustauschers (D) nach der Verbrennungskammer (B), die in nerhalb des Wärmeaustauschers (D) liegt, Brenner in der Verbrennungskammer (B), Abdeckungen (3, 29) für die Welle (2), einen Abzugskanal (C), durch welchen die ent spannten, aber noch immer heissen Gase zum Wärmeauntanseher (D) geleitet werden,

   um dort ihren Wärmeinhalt abzugeben, und durch ein Auslassrohr (K) aus dem Wärmeaustau- scher (D). 11. Gasturbinenanlage nach Patentan spruch und Unteranspi-Lich 10, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Lustkompressor ein Zentrifugalgebläse (1) ist, dessen Rad auf einer Welle (2) montiert ist, die das Hoch druck .turbinenra,d trägt und die unabhängig von einer zweiten Welle (16) ist,

   welche das Niederdruekturbinenrad (28) trägt. 12. Gasturbinena.nlage nach Patentan spruch und Unteranspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, (ass die zylindrischen Wände, die den Wärrneaustauscher-Ringraum begren zen, an einer Stelle ihres Umfangs unterbro chen sind, iun den keilförmigen Ein- und Aus trittsöffnungen des Wärmeaustauschers (D) den Durchtritt zu gestatten, wobei die Ein trittsöffnung mit dem Luftkompressor (1) verbunden ist,

   während die Austrittsöffnung durch einen Luftkanal (E) mit der Verbren nungskammer (B) in Verbindung steht.. 13. Gasturbinenanlage nach Patentan spruch, dadürch gekennzeichnet, dass die Ver- brennungskammer (B) Abstandshalter zwi schen der Aussenwand der Kammer und der Innenwand des Wärmeaustauschers (D) auf weist, welche den Abstand zwischen diesen Wänden festlegen und, die freie thermische Ausdehnung gestatten. 14.

   Gasturbinenanlage nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die in nere Wand (11) der Verbrennungskammer (B) einen freien Hohlraum begrenzt, in dem eine Kühlluitleitung für das Turbinenrad und eine Vorwärmeinriehtung für den Brennstoff untergebracht sind.