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Die Erfindung betrifft eine Gasturbine, umfassend einen Verdichter, eine Brennkammer und einen Expander.
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Der Wirkungsgrad herkömmlicher Gasturbinen ist auf ca. 36 % begrenzt, da die eingesetzten Werkstoffe keine höheren Temperaturen als ca. 1.200 °C ertragen. Es gibt daher Überlegungen, den Wirkungsgrad zu vergrößern, ohne die Abgastemperaturen der Brennkammer zu erhöhen.
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In der Praxis wird das Abgas von Gasturbinen nicht in allen Fällen benutzt, Beispiele dafür sind Verdichterstationen oder Spitzenlastkraftwerke, die z. B. bei Gas- und Dampfkraftwerken eingesetzt werden.
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Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, die im Abgas enthaltene Wärme zum Vorheizen der Luft für die Brennkammer einer Gasturbine zu benutzen, um auf diese Weise den Wirkungsgrad zu erhöhen. Diese Lösung führt jedoch zu einer Erhöhung der Auslasstemperatur der Brennkammer, so dass spezielle Beschichtungen und spezielle Werkstoffe erforderlich werden.
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Es ist auch bekannt, den Wirkungsgrad einer Turbine zu erhöhen, ohne dass die Ausgangstemperatur der Brennkammer erhöht wird, indem ein Dampfkreislauf vorgesehen wird, wie etwa bei Gas- und Dampfkraftwerken. Es ist auch bekannt, für diesen Zweck einen Rankine-Zyklus oder einen Organic Rankine Cycle (ORC) einzusetzen. Allerdings werden für diesen Prozess z. B. zusätzliche Dampfturbinen benötigt, dementsprechend entstehen hohen Investitionskosten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine anzugeben, die einen erhöhten Wirkungsgrad aufweist, ohne dass zusätzliche Turbinen benötigt werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Gasturbine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass sie einen Kompressor zum Komprimieren von Umgebungsluft aufweist, der mit einem Wärmetauscher gekoppelt ist, um mittels Abwärme des Expanders die komprimierte Umgebungsluft weiter zu erhitzen, wobei der Wärmetauscher mit der Brennkammer oder dem Expander gekoppelt ist, um die erhitzte Luft der Brennkammer oder dem Expander zuzuführen.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der Wirkungsgrad einer herkömmlichen Gasturbine erhöht werden kann, indem Wärme, die aus Abwärme der Gasturbine stammt, wieder der Brennkammer zugeführt wird, um auf diese Weise den Wirkungsgrad der Gasturbine zu erhöhen. Wesentlich ist dabei, dass für die Erzeugung bzw. Bereitstellung der erwärmten Luft keine zusätzliche Turbine oder andere aufwändige Komponenten erforderlich sind.
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Eine besonders effiziente Verbrennung ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Gasturbine, wenn der Kompressor zum Komprimieren der Umgebungsluft auf etwa 3 bis 5 bar, und/oder eine Temperatur von 150 °C bis 200 °C ausgebildet ist. Somit wird lediglich ein Kompressor benötigt, nicht jedoch eine zusätzliche Turbine. Der gewählte Druck hängt jeweils von der Art der Einspritzung ab.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Wärmetauscher zum Erwärmen der komprimierten Umgebungsluft auf eine Temperatur von 400 °C bis 600 °C, vorzugsweise 500 °C, ausgebildet ist. In dem Wärmetauscher wird Wärme, die den Expander verlässt, an die komprimierte Umgebungsluft abgegeben, die dadurch weiter erwärmt wird. Der Druck der komprimierten Umgebungsluft ändert sich beim Passieren des Wärmetauschers hingegen nicht, dieser bleibt im Wesentlichen konstant.
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Gemäß einer ersten Erfindungsalternative kann es vorgesehen sein, dass die Brennkammer zwei Stufen aufweist und der Wärmetauscher mit der zweiten Stufe gekoppelt ist. Dementsprechend wird die komprimierte und erhitzte Umgebungsluft über den Wärmetauscher der zweiten Stufe der Brennkammer zugeführt. Alternativ kann die Brennkammer mehr als zwei Stufen aufweisen, beispielsweise drei, vier oder mehr Stufen, wobei der Wärmetauscher mit einer dieser Stufen gekoppelt ist. Bei dieser Variante kommt eine modifizierte ringförmige Brennkammer zum Einsatz, von der Wärme abgeführt wird. Auf diese Weise wird die Temperatur auf ca. 1.200 °C im Bereich der Verdichterschaufeln reduziert. Dementsprechend können bei der erfindungsgemäßen Gasturbine herkömmliche Verdichterschaufeln verwendet werden, die für eine Betriebstemperatur von ca. 1.200 °C ausgelegt sind.
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Im Hinblick auf die Brennkammer wird es bei der erfindungsgemäßen Gasturbine bevorzugt, dass die Brennkammer für eine Temperatur von näherungsweise 1.350 °C bis 1.450 °C, vorzugsweise 1.400 °C, vorgesehen ist. Durch diese erhöhte Temperatur erhöht sich der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Gasturbine.
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Gemäß einer zweiten Erfindungsalternative kann es vorgesehen sein, dass zwischen dem Wärmetauscher und der Brennkammer ein zusätzlicher Gasbrenner angeordnet ist, um die komprimierte Umgebungsluft weiter zu erhitzen. Die Leistung des zusätzlichen Gasbrenners ist jedoch klein und beträgt ca. 1 %–3 % der Leistung der erfindungsgemäßen Gasturbine. Der zusätzliche Gasbrenner ist zwischen dem Wärmetauscher und dem Expander angeordnet, so dass die komprimierte Umgebungsluft, die bereits in dem Wärmetauscher weiter erwärmt worden ist, durch den zusätzlichen Gasbrenner auf eine höhere Temperatur erhitzt und in den Expander injiziert wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Gasturbine wird es bevorzugt, dass der zusätzliche Gasbrenner zum Erhitzen der komprimierten Umgebungsluft auf 700 °C bis 800 °C, vorzugsweise auf 750 °C, ausgebildet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gasturbine; und
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gasturbine.
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Die in 1 gezeigte Gasturbine 1 umfasst einen Verdichter 2, dem Luft 3 zugeführt wird, anschließend gelangt die verdichtete Luft in eine Brennkammer 4, in der ein Gas 5 verbrannt wird. An die Brennkammer 4 schließt sich ein Expander 6 an, in dem das Gas entspannt wird, während der Druck und die Temperatur abnehmen. Im Bereich des Expanders wird die thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt, um beispielsweise einen Kompressor 7, einen Generator (nicht dargestellt) oder dergleichen anzutreiben.
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Der Expander 6 ist mit einem Wärmetauscher 8 gekoppelt, so dass der Wärmetauscher 8 von dem heißen Gas des Expanders 6 durchströmt wird. Ein Kompressor 9 dient zum Komprimieren von Umgebungsluft, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Umgebungsluft auf einen Druck von 3 bis 5 bar komprimiert, dabei erwärmt sie sich auf ca. 150 bis 200 °C. Die Kompression kann in Abhängigkeit von Randbedingungen auch zweistufig erfolgen. Diese erhitzte Umgebungsluft wird dem Wärmetauscher 8 zugeführt, der sich durch das Abgas des Expanders 6 auf einem höheren Temperaturniveau befindet. Dementsprechend wird die komprimierte und erhitzte Luft in dem Wärmetauscher 8 weiter erhitzt, bis sie eine Temperatur von ca. 500 °C erreicht hat, der Druck bleibt dabei näherungsweise konstant. Über eine Leitung 10 wird die erhitzte und komprimierte Luft in die in Gasturbine 1, genauer gesagt in die Brennkammer 4 injiziert. Die Brennkammer 4 ist als modifizierter ringförmiger Brenner ausgebildet. Durch einen Pfeil 11 wird angedeutet, dass Wärme von der Brennkammer 4 abgeführt wird, dadurch geht die Temperatur des Gases, die in der Brennkammer 4 ca. 1.400 °C beträgt, auf ca. 1.200 °C im Bereich des Expanders 6 zurück, so dass herkömmliche Werkstoffe für diesen Bereich und gegebenenfalls für Turbinenschaufeln und ähnliche Komponenten verwendet werden können. Temperatur und Druck nehmen in dem Expander 6 in Strömungsrichtung von 16–18 bar/1.200 °C auf 3–5 bar/750 °C bis auf 1 bar/555 °C ab.
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Da in einer Gasturbine ein direkter Brayton-Kreisprozess (Joule-Kreisprozess) abläuft und durch das zugeführte, erhitzte Gas ein indirekter Brayton-Kreisprozess abläuft, findet in der in 1 gezeigten Gasturbine eine Kombination der beiden Brayton-Kreisprozesse statt, wobei lediglich eine einzige Gasturbine 1 erforderlich ist. Da eine einzige Gasturbine einen Wirkungsgrad von ca. 36 % erzielen kann und ein indirekter Brayton-Kreisprozess einen Wirkungsgrad von ca. 28 % erzielen kann, kann bei einer Gasturbine, in der beide Kreisprozesse kombiniert sind, mit einem Wirkungsgrad von ca. 45 % gerechnet werden.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Gasturbine 12, wobei für übereinstimmende Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet werden. In Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Gasturbine 12 einen Verdichter 2, dem Luft 3 zugeführt wird, die anschließend in einer Brennkammer 13 mit zugeführtem Gas 5 verbrannt wird. An die Brennkammer 13 schließt sich ein Expander 6 an, in dem das heiße Gas expandiert und abgekühlt wird. Das heiße Gas kann für den Antrieb eines Kompressors 7, der an eine Gaspipeline angeschlossen ist, verwendet werden.
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In Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel ist ein Kompressor 9 zum Komprimieren von Umgebungsluft vorgesehen, diese komprimierte Luft durchströmt einen Wärmetauscher 8, der andererseits von heißem Abgas, das den Expander 6 verlässt, durchströmt wird. Nach dem Durchströmen des Wärmetauschers 8 hat die komprimierte und erhitzte Luft eine Temperatur von ca. 500 °C. Anschließend wird diese komprimierte und erhitzte Luft weiter mittels eines Gasbrenners 14 auf eine Temperatur von 750 °C erhitzt, der Druck bleibt dabei konstant bei ca. 13 bar. In diesem Zustand wird die erhitzte und komprimierte Luft in den Expander 6 injiziert. In diesem Ausführungsbeispiel wird keine modifizierte, ringförmige Brennkammer benötigt, stattdessen kann eine herkömmliche Brennkammer 13 verwendet werden. Durch das Injizieren der erhitzten und komprimierten Luft in den Expander 6 wird der Wirkungsgrad der Gasturbine 12 beträchtlich verbessert.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Die angegebenen Druckwerte sind lediglich als Beispiele zu sehen, es sind auch andere Ausführungen möglich, bei denen die Umgebungsluft auf 10 bis 15 bar komprimiert wird, vorzugsweise auf 13 bar.
