DE1002570B

DE1002570B - Gasturbinenanlage mit doppeltem Kreisprozess

Info

Publication number: DE1002570B
Application number: DEM26986A
Authority: DE
Inventors: Marko Majcen
Original assignee: MARKO MAJCEN
Current assignee: MARKO MAJCEN
Priority date: 1955-05-04
Filing date: 1955-05-04
Publication date: 1957-02-14
Also published as: DE1002570C2

Description

DEUTSCHES

Der Wirkungsgrad von Gasturbinen, in denen sich die Zufuhr der Wärme bei konstantem Druck abspielt, ist eine Funktion des Verhältnisses der maximalen und minimalen Temperaturen des Prozesses, des Kompressionsverhältnisses und der einzelnen Wirkungsgrade des Kompressors, der Turbine, der Verbrennungskammer und eventueller Wärmeaustauscher.

Gasturbinenanlage
mit doppeltem Kreisprozeß

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Da die Wirkungsgrade der bekannten Kompressoren, Turbinen, Brennkammern und Wärmeaustauscher der theoretisch erreichbaren Grenze nahekommen, kann eine Verbesserung einer Gasturbinenanlage nur von Erhöhung der maximalen Arbeitstemperaturen erwartet werden.

Die Erhöhung der maximalen Arbeitstemperaturen ist aber durch die Widerstandsfähigkeit des verwendeten Materials, insbesondere der rotierenden Turbinenteile, die infolge der Zentrifugalkräfte große Beanspruchungen erleiden, beschränkt.

Es ist bereits eine Gasturbinenanlage mit doppeltem Kreisprozeß bekannt, in der ein normaler heißer Kreisprozeß stattfindet, bei dem eine Teilmenge der im Kompressor komprimierten Luft nach dem Durchgang durch einen Hochdruckwärmeaustauscher zur Brennstoffverbrennung bei sehr hoher Temperatur in einer Verbrennungskammer dient. Die Verbrennungsgase expandieren sodann in einer Hochdruckturbine und anschließend in einer Niederdrückturbine und erwärmen auf ihrem weiteren Weg in dem Hochdruckwärmeaustauscher die Verbrennungsluft. Dabei findet gleichzeitig mit dem heißen Kreisprozeß ein kalter Kreisprozeß mit wesentlich niedrigeren maximalen Temperaturen als im heißen Kreisprozeß statt, indem von dem Kompressor etwa die gleiche Menge komprimierter Luft, wie sie für die Durchführung des heißen Kreisprozesses erforderlich ist, in derselben Turbine wie die \^Aerbrennungsgase, jedoch räumlich getrennt von ihnen expandiert.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine Gasturbinenanlage diesert Art derart auszubilden, daß sie mit großen Temperaturdifferenzen zwischen Gas und Luft betrieben werden kann, wobei eine mittlere Schaufeltemperatur erzielt werden soll.

Demgemäß bestehen die wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung darin, daß die Luft für den kalten Kreisprozeß zwischen dem Verdichter und dem Wärmeaustauscher von der Verbrennungsluft abgezweigt, anschließend ohne vorherige Wärmezufuhr in der Hochdruckturbine teilweise expandiert, sodann in einem Wärmeaustauscher durch die Verbrennungsgase des heißen Kreisprozesses erwärmt und in der Niederdruckturbine weiter expandiert wird.

Anmelder:
Marko Majcen, Zagreb (Jugoslawien)

Vertreter: Dipl.-Ing. W. Paap, Patentanwalt,
München 22, Mariannenplatz 4

Marko Majcen, Zagreb (Jugoslawien),
ist als Erfinder genannt worden

Auf diese Weise wird gegenüber der bekannten

ao Gasturbinenanlage mit doppeltem Kreisprozeß erreicht, daß die Temperatur im kalten Kreisprozeß wesentlich niedriger gehalten werden kann. Die Temperaturdifferenz zwischen Verbrennungsgas und Kühlluft wird hierdurch erhöht und die Kühlwirkung verbessert.

Gegenüber Gasturbinenanlagen, bei denen die Turbinenschaufeln zur Durchführung des Betriebes mit möglichst hohen Temperaturen der Laufschaufeln mit Trennaufsätzen zur Durchströmung von zwei voneinander getrennten Medien ohne praktische Mischung versehen sind, ist bei der Anlage nach der Erfindung die Anordnung vorzugsweise so getroffen, daß die kalte Luft des kalten Kreisprozesses in den inneren Teilen der Schaufelung und die heißen Verbrennungsgase des heißen Kreisprozesses in den äußeren Teilen der Schaufelung Arbeit leisten, wobei die mechanisch höher beanspruchten Teile der Schaufeln in einer thermisch weniger beanspruchten Zone liegen.

Durch die gemäß der Erfindung erfolgende Führung des doppelten Kreisprozesses stehen große Kühlflächen und eine große Kühlluftmenge zur Verfügung, und es wird ermöglicht, daß die Rotorschaufeln, die in an sich bekannter Weise mit Thermosiphonkühlung versehen sein können und jeweils einen geschlossenen, teilweise mit Kühlflüssigkeit gefüllten Hohlraum aufweisen, auf die Lange ihres profilierten Arbeitsteiles gleichzeitig von etwa gleichen Gewichtsmengen des heißen und kalten Arbeitsmittels angeströmt werden. Sie nehmen daher eine zwischen den Temperaturen des heißen und kalten Arbeitsmittels liegende Durchschnittstemperatur an, ohne daß es erforderlich ist, die Kühlflächen etwa durch Verlängerungen oder Zwischenteile zu vergrößern oder eine weitere Kühleinrichtung im Schaufelträger anzuordnen.

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In der Zeichnung ist ein- Ausführungsbeispiel der In der Turbine g expandiert er bis auf den Außen-

Erfindung dargestellt. druck und strömt ins Freie ab.

Abb. 1 zeigt die gesamte Gasturbinenanlage in Die beiden Turbinen e und g, die mindestens eine

schematischer Übersicht; Arbeitsstufe haben, sind so konstruiert, daß sich der

Abb. 2 stellt einen Schnitt, durch eine bei der An- 5 heiße und der kalte Teil des Arbeitsmediums nicht

lage nach Abb. 1 verwendete Turbine dar; mischen können. Wie aus der schematischen Dars'.el-

■ Abb. 3 zeigt eine Laufschaufel der Turbine nach lung der Turbine in Abb. 2 ersichtlich ist, ist die Be-

Abb. 2 in der Ansicht; schaufelung der Turbine in einen Außenteil ν und

Abb. 4 ist ein Querschnitt durch die Schaufel nach einen Innenteil u unterteilt. Durch den Außenteil ν

der Linie a-a der Abb. 3, und io strömen dabei die heißen Verbrennungsgase, während

Abb. 5 stellt einen Längsschnitt durch die der kühle Teil des Arbeitsmediums durch den Innen-

Schaufel dar. ' "" teil u strömt.

Die Gasturbinenanlage nach Abb. 1 weist einen Da die Turbinenschaufeln gleichzeitig von den

Kompressor α auf, der einerseits über die Rohr- Arbeitsmedien hoher und niedriger Temperatur durchleitung b mit dem Hochdruckwärmeaustauscher c und 15 strömt werden, werden dk Laufschaufeln n, die so-

andererseits über die Rohrleitung K mit der Hoch- wohl in dem Außenteil ν der Beschaufelung als auch

druckturbine e in Verbindung steht. Diese ist über im Innenteil u arbeiten, von verschiedenen Tempera-

die Rohrleitung / mit der Niederdruckturbine g ver- türen beeinflußt.

bunden, die ihrerseits wiederum mit dem Hochdruck- Damit die Wärme, die auf den äußeren Teil der wärmeaustauscher c über die Rohrleitung h ver- 20 Schaufeln übertragen wird, auf den inneren Teil der

bunden ist. Schaufeln η und von hier aus auf das Kühlungs-

An die Hochdruckturbine e ist die Verbrennungs- medium übergehen kann, sind die Schaufeln ent-

kammer d angeschlossen, die wiederum mit dem sprechend Abb. 3 ausgebildet.

Hochdruckwärmeaustauscher c in Verbindung steht. Hiernach sind im Schaufelkörper vertikale, röhren-Von der Hochdruckturbine e geht ferner eine Rohr- 25 förmige Kammern q angeordnet, die etwa bis zur leitung / aus, die in den Niederdruckwärmeaus- Hälfte mit einer Materie gefüllt sind, deren Siedetauscher/ mündet. Dieser steht wiederum über die temperatur der erwünschten mittleren Temperatur Rohrleitung m mit der Niederdruckturbine g in Ver- entspricht, auf die die Schaufeln beim Betrieb der bindung. Der Hochdruckwärmeaustauscher c ist durch Anlage gleichmäßig erwärmt werden sollen, einen Rohrstutzen mit dem Niederdruckwärmeaus- 30 Das Verschließen der Kammern q erfolgt nach der tauscher;' verbunden. Füllung zweckmäßig im Vakuum durch Stumpf-Der Kreislauf in dieser Anlage ist durch die in schweißen. Durch das Vakuum wird der schädliche Abb. 1 eingezeichneten Pfeile angedeutet und verläuft Einfluß der. Luft vermieden. Beim Betrieb der Turin folgender Weise: bine wird sich der in den Kammern eingeschlossene Das kalte Arbeitsmedium bzw. die Außenluft tritt 35 Stoff infolge der Zentrifugalkraft immer im heißen in den Kompressor α ein. Ein Teil des Arbeits- Teil der Kammer q befinden und dort zum Sieden mediums, z. B. eine Hälfte der Gesamtmenge, der in kommen. Die Dämpfe aber werden an der kühleren einem normalen Kreisprozeß mit Wärmezufuhr bei Wand kondensieren und die Tropfen sofort in den konstantem Druck arbeitet, strömt durch die Rohr- äußeren Teil der Schaufeln geschleudert. Die Konleitung b zu dem Hochdruckwärmeaustauscher c, in 40 densation erhöht den Wärmeübergang wesentlich, so welchem er durch Abgase vorgewärmt wird, und ge- daß auf diese Weise die Schaufeln praktisch die Siedelangt dann in die Verbrennungskammer d, in der er temperatur der Materie in der Kammer q annimmt, durch die Brennstoff verb rennung auf die maximale Durch richtige Dimensionierung der erwärmten Arbeitstemperatur erwärmt wird. und der gekühlten Schaufeloberfläche wird die ge-Aus der Verbrennungskammer d strömen die war- 45 wünschte Schaufeltemperatur erreicht, d. h. gerade men Gase in die Hochdrückturbine e, wo sie durch jene, die notwendig ist, um auf die gekühlte Fläche Expansion bis zu einem Mitteldruck eine entsprechende dieselbe Wärmemenge zu übertragen, die von der erArbeit leisten. Anschließend gelangen die Gase durch wärmten Fläche aufgenommen wurde, und diese Temdie Rohrleitung/ zu der Niederdruckturbineg, wo peratur wird längs der Schaufel fast gleichmäßig eine Expansion auf den Außendruck stattfindet. Die 50 verteilt.

noch immer warmen Abgase gelangen dann durch die Der Vorteil dieser Konstruktion ist außerdem auch

Leitung h in den Hochdruckwärmeaustauscher c, wo der, daß ein eventuelles Temperaturgefälle entgegen

sie, wie bereits erwähnt, einen Teil der Wärme auf der Richtung der Zentrifugalkraft orientiert ist, d. h.,

das Arbeitsmedium, das zur Verbrennungskammer d die Schaufel ist im Bereich der größeren mechani-

strömt, übertragen, und strömen dann durch den 55 sehen Beanspruchungen thermisch weniger bean-

Niederdruckwärmeaustauscher;', wobei sie noch einen sprucht, und umgekehrt.

Teil der Wärme dem anderen Teil des Arbeits- Nach der Temperatur in einzelnen Stufen, die in

mediums übergeben. Sie werden dann ins Freie bezug auf die heute bekannten Legierungen zwischen

geführt. 600 bis 750° C variieren wird, können Elemente oder

Der zweite Teil des Arbeitsmediums verläßt den 60 anorganische Verbindungen als Materie für die

Kompressor α durch die Leitung k und gelangt direkt Wärmeübertragung in den Kammern verwendet

in die Hochdruckturbine e, wo er unter Expansion werden.

auf demselben Arbeitsdruck wie die heißen Gase eine Die Auswahl der Materien in einzelnen Fällen

entsprechende Arbeit leistet. wird auch von der Legierung, aus der die Schaufel

Nach der Expansion gelangt dieser kalte Teil des 65 angefertigt ist, abhängen.

Arbeitsmediums durch die Leitung I in den Nieder- Nur durch Anwendung von derartigen Laufdruckwärmeaustauscher ;", wo er durch die Abgase schaufeln ist die Verwendung von Gasturbinenanlagen der Niederdruckturbine g erwärmt \vird, und wird mit doppeltem Kreisprozeß bei höheren Verbrendann so erwärmt über die Leitung m der Niederdruck- nungstemperaturen ermöglicht, als man sie bei beturbine g zugeführt wo er entsprechende Arbeit leistet. 70 kannten Aggregaten anwenden kann, weil die Lauf-

Claims

schaufeln mit anderen Methoden nicht so erfolgreich gekühlt werden können. Die Vorteile des Aggregates sind folgende: Bei gleicher Temperatur der Turbinenlaufschaufeln, wie sie bisher in den bestehenden Gasturbinen verwirklicht wurde, besitzt die Anlage nach der Erfindung

1. einen besseren Wirkungsgrad, auch wenn die andere Gasturbinenanlage bedeutend komplizierter ausgeführt ist,

2. einen besseren Wirkungsgrad als Dampfturbinen mit größten Leistungen, Druck und Temperatur, die bis heute ausgeführt wurden,

3. einen Wirkungsgrad, der ungefähr gleich dem von langsam laufenden Schiffs-Dieselmotoren ist, die sich heute im Betrieb befinden, bei geringerem Schmierölverbrauch als diese, und

4. ein geringeres Gewicht als alle oben angeführten Anlagen, da sie bedeutend einfacher ist und nicht die geringste Wassermenge für den regelmäßigen Betrieb benötigt.

Die Anwendung kann auf allen Gebieten der Krafterzeugung, bei stationärem Betrieb und für größere Leistungen im beweglichen Betrieb, besonders im Schiffsbetrieb und bei Lokomotiven, stattfinden. Außerdem können die Turbine und Schaufeln auch im Flugwesen Anwendung finden.

Patent λ ν s γ r v c ti ε :

1. Gasturbinenanlage mit doppeltem Kreisprozeß, in der ein normaler heißer Kreisprozeß stattfindet, bei dem eine Teilmenge der im Kompressor komprimierten Luft nach dem Durchgang durch einen Hochdruckwärmeaustauscher zur Brennstoffverbrennung bei sehr hoher Temperatur in einer Verbrennungskammer dient und die Verbrennungsgase in einer Hochdruckturbine und anschließend in einer Niederdruckturbine expandieren, um dann in dem Hochdruckwärmeaustauscher die Verbrennungsluft zu erwärmen, wobei gleichzeitig mit dem heißen Kreisprozeß ein kalter Kreisprozeß mit wesentlich niedrigeren maximalen Temperaturen als im heißen Kreisprozeß stattfindet, indem von dem Kompressor etwa die gleiche Menge komprimierter Luft, wie sie für die Durchführung des heißen Kreisprozesses erforderlich ist, in derselben Turbine wie die Verbrennungsgase, jedoch räumlich getrennt von ihnen, expandiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft für den kalten Kreisprozeß zwischen dem Verdichter (a) und dem Wärmetauscher (c) von der Verbrennungsluft abgezweigt, anschließend ohne vorherige Wärmezufuhr in der Hochdruckturbine (e) teilweise expandiert, sodann in einem Wärmetauscher (;') durch die Verbrennungsgase des heißen Kreisprozesses erwärmt und in der Niederdruckturbine (g) weiterexpandiert wird.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, bei der die Turbinenschaufeln zur Durchführung des Betriebes mit möglichst hohen Temperaturen der Laufschaufeln mit Trennaufsätzen zur Durchströmung von zwei voneinander getrennten Medien ohne praktische Mischung versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die kalte Luft des kalten Kreisprozesses in den inneren Teilen (κ) der Schaufelung und die heißen Verbrennungsgase des heißen Kreisprozesses in den äußeren Teilen (v) der Schaufelung Arbeit leisten, wobei die mechanisch höher beanspruchten Teile der Schaufeln in einer thermisch weniger beanspruchten Zone liegen.

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorschaufeln in an sich bekannter Weise mit Thermosiphonkühlung versehen sind und jeweils einen geschlossenen, teilweise mit Kühlflüssigkeit gefüllten Hohlraum aufweisen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 879 485;
schweizerische Patentschriften Nr. 268 948,
484;

französische Patentschrift Nr. 943 379;
britische Patentschrift Nr. 679 467.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen