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Gasturbinenanlage Die in der Brennkammer einer Gasturbinenanlage entstehende
Temperatur des Treibmittels liegt im allgemeinen zu hoch, als daß man das Gas mit
diesem Zustand unmittelbar in die Turbine einführen könnte. Im Brennraum oder hinter
ihm muß daher eine zusätzliche Luftmenge eingeführt werden in solchem Maße, daß
die sich ergebende Mischungstemperatur in den für die Turbine zulässigen Bereich
verlegt wird. Die Erfahrungen zeigen, daß dieser Mischvorgang häufig, trotz Anwendung
besonderer Kunstgriffe, unvollkommen ist. Es entstehen dann an der Turbinenbeschaufelung
Temperaturspitzen, die das zulässige Maß weit überschreiten.
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Die Erfindung geht davon aus, die angedeuteten Schwierigkeiten unter
Verwendung einer Speichermasse zu vermeiden, die dazu dient, für die Turbinenbeschaufelung
gefährliche Temperaturspitzen durch Herbeiführung eines Temperaturausgleiches auszuschalten.
An sich ist die Einschaltung von Wärmespeichern in Gasturbinenanlagen bereits bekannt.
Beispielsweise sind für mit einem geschlossenen Kreislauf des Treibmittels arbeitende
Gasturbinenanlagen Lösungen angegeben worden, bei denen ein Wärmeaustauscher mit
rotierender Speichermasse vorhanden ist und durch einen Teilabschnitt der rotierenden
Speichermasse in einer Brennkammer erzeugte Brenngase zur Aufheizung hindurchgeleitet
werden, während in einem anderen Teilabschnitt der rotierenden Speichermasse im
Gegenstrom gegenüber dem aufheizenden Brenngas geführte Luft durch die Speichermasse
hindurchgeführt wird, wodurch die als Treibmittel der Turbine verwendete Luft aufgeheizt
wird.
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Wenn auch bei derartigen Gasturbinenanlagen mit einer stetig im Gegenstrom
von einem Verbrennungsgas bzw. dem Treibmittel einer Turbine durchströmten Speichermasse
die Beschaufelung gefährdende Temperaturspitzen vermeidbar sind, so ist doch diese
Anordnung ausschließlich dadurch bedingt, daß unter gegenseitiger Isolierung Wärme
von einem gasförmigen Mittel auf ein anderes gasförmiges Mittel übertragen werden
soll. Diese Anordnung bedingt eine verhältnismäßig verwickelte und kostspielige
Ausführung des mit einer rotierenden Speichermasse arbeitenden Wärmeaustauschers,
bei dem sich insbesondere im Hinblick auf die Berücksichtigung der hohen Temperaturen.
erhebliche Schwierigkeiten in der Isolierung und Abdichtung der beiden gegenläufig
durch die Speichermasse geführten Gasströme ergeben.
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Ferner ist auch die Anwendung von aus Speichermassenwärmeaustauschern
gebildeten Regeneratoren für Gasturbinenverdichteranlagen zur Winderzeugung von
Hochöfen bekannt. Charakteristisch ist für eine solche bekanntgewordene Anlage,
daß umschaltbare Speichermassenwärmeaustauscher abwechselnd inter-
| mittierend während einer Aufheizl -riode vor die einen |
| Verdichter für die Hochofenanlag e antreibende Gas- |
| turbine geschaltet sind, um ds, zur Aufheizung |
| dienende Verbrennungsgas in dem Bereich niedrigerer |
| Temperatur in der Gasturbine rbeiten zu lassen, |
| während sie abwechselnd nach de- Aufheizung in den |
| von dem Verdichter gespeisten ` Tindstromkreis des |
| Hochofens eingeschaltet ist. |
| Gegenstand der Erfindung i.-' demgegenüber eine |
| Gasturbinenanlage mit einem ter den Verdichter |
| und vor die Gasturbine geschah. ;:n, im Gleichstrom |
| von der verdichteten Luft dur. strömten, nach Art |
| eines Regenera,tors ausgebildeter: Wärmespeicher, die |
| sich dadurch auszeichnet, daß di vom Verdichter ge- |
| förderte Luft den durch eine W" 1°speichermasse ge- |
| bildeten Regenerator stetig durcl _trömt und die Ruf- |
| heizung des Regenerators durc" Verbrennung von |
| intermittierend in die Luft einge :ritztem Brennstoff |
| erfolgt. Als Regenerator kann 1--rbei ein einfacher |
| Wärmespeicher ohne Umschal+ - öglichkeit Anwen- |
| dung finden, der abwechselnd v@ kälterer und durch |
| Wärmezufuhr aufgeheizter Lu beaufschlagt wird, |
| wodurch sich ergibt, daß auch ;e Turbine in zeit- |
| licher Staffelung abwechselnd xrch Brenngas und |
| Luft beaufschlagt wird. Ob i : dabei die Brenn- |
| kammer unmittelbar in den Sp ier einbaut oder sie |
| als getrennten Bauteil vor den icher setzt, hat für |
| die Erfindung keine Bedeutung )ie Frage wird von |
| Fall zu Fall entsprechend dei °weils vorliegenden |
| Verhältnissen entschieden werd< - müssen. Die Rege- |
| lung des Aggregats bei Laständ-ungen erfolgt durch |
| Einstellung der relativen Brei.. .eit, d. h. Änderung |
| des Verhältnisses von Heiz- z Kühlzeitdauer; sie |
| wird im allgemeinen durch die -ehzahländerung der |
| Turbine veranlaßt. |
Der zwischen Brennkammer und Turbine eingeschaltete Speicher kann
unter Umständen die Aufgabe übernehmen, die Brenngase mindestens teilweise von mechanischen
Verunreinigungen zu befreien. Dann kann es zweckmäßig sein, zwei derartige Speicher
vorzusehen. von denen jeweils nur einer in Betrieb ist, während der zweite gereinigt
wird. Auch hier wird wieder von Fall zu Fall geprüft werden müssen, ob sich die
Aufwendungen für den zweiten Speicher lohnen.
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Da die Trägheit des Speichers die durch die Regelung eingeleitete
Temperaturänderung verzögert, ist es zweckmäßig, vor die Turbine eine zusätzliche
Regelbrennkanimer zu schalten. Auch ist die Einschaltung einer Mischkammer möglich,
in Gier dem heißen Gas kältere Luft zugesetzt wird. Der Impuls für die Dosierung
der Brennstoffmenge für die Regelbrennkammer bzw. für die Zuführung kalter Luft
in die Mischkammer wird zweckmäßigerweise ebenfalls von der Drehzahländerung abgenommen.
Ein "Temperaturfühler vor der Regelbrennkammer bzw. Mischkammer. also hinter dem
Speicher, wirkt auf das Bretiiistoffventil der Regelbrennkammer bzw. die Kaltlufteinführung
der Mischkammer und berücksichtigt die durch den Speicher verzögerte Auswirkung
der Hauptregelung derart, daß unerwünschte Temperaturänderungen vor der Turbine
vermieden werden. Eine weitere Regelmöglichkeit besteht darin, einen Teil der Speichermasse
zu- und abschaltbar zu machen oder auch im Speicher Entnahmestellen vorzusehen.
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Eine weitere Ausgestaltung eines intermitterend beheizten Speichers,
die einen besonders gleichmäßigen Temperaturverlauf an der Austrittsseite ergibt,
sei durch die anschließende Beschreibung erläutert: Für die folgenden Ausführungen
muß zunächst kurz auf das Verhalten des im Gleichstrom betriebenen Regenerators
eingegangen werden. Die Vorgänge sind außerordentlich verwickelt und führen bei
rechnerischer Behandlung auf Differentialgleichungen, zu deren Studium auf die Fachliteratur
verwiesen werden muß (Hausen, »Wärmeübertragung im Gegenstrom, Gleichstrom und Kreuzstrom«,
insbesondere Abb. 173
bis 175). Die intermittierende Beheizung des Regenerators
kann diagrammatisch nahezu als eine Rechteck-Temperaturkurve dargestellt werden
(etwa senkrechter Anstieg bei Einsetzen der Beheizung bis zur Temperaturhöhe der
Heizgase, waagerechtes Stück für die Dauer dieser Heizung, angenähert senkrechter
Abfall bei Abschaltung der Heizung). Ganz anders ist jedoch der zeitliche Temperaturverlauf
des aus dem Generator austretenden Gases, der einer Sinusschwingung geringerer Amplitude
ähnelt und dessen genauer Verlauf sich neben der Kapazität und der Speicherlänge
besonders nach der Dauer der Heizperiode richtet.
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Die Erklärung für diesen Verlauf ergibt sich daraus, daß am Speicheranfang
die größten Wärmeübergänge vom Gas zur Speichermasse - oder umgekehrt - stattfinden,
da hier die größten Temperaturunterschiede zwischen beiden Medien vorkommen. Durch
die Längsströmung des Gases wird der jeweils aufgeheizte bzw. abgekühlte Speicherquerschnitt
vom Speicheranfang ausgehend allmählich durch den ganzen Speicher hindurchgeschoben.
Dies geschieht durch ständige, weitere wechselseitige Wärmeübergänge zwischen Gas
und Speichermasse, die sich aber gegen Speicherende wegen der immer geringer werdenden
Temperaturunterschiede verringern. Der räumliche Temperaturverlauf entlang der Speicherachse
ähnelt also einer zum Speicherende abklingenden Sinuskurve, die sich ständig langsam
in Strömungsrichtung weiterschiebt.
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Die Amplituden und Wellenlängen dieser abklingenden Sinusschwingungen
hängen dabei besonders von den vorgenannten Faktoren (Dauer der Heizperiode. Speicherkapazität
und -länge) ab, und je nach der Bemessung dieser Faktoren ergibt sich auch eine
Phasenverschiebung zwischen den Schwankungen der jeweiligen Eintrittstemperaturen
gegenüber den Schwankungen der gleichzeitigen Austrittstemperaturen des Gases. Es
ist dabei durch eine geeignete Ausführung des Speichers also beispielsweise zu erreichen,
claß beim austretenden Gas der Temperaturhöchstwert erreicht wird, wenn der Speichereintritt
bereits längere Zeit von kalter Luft durchströmt wird.
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Von diesem Verhalten des Regenerators wird gemäß der Erfindung Gebrauch
gemacht, um eine verbesserte Temperaturgleichrichtung zu schaffen, und zwar dadurch,
daß man durch mehrere Zonen verschiedener Regeneratorwirkung (verschiedene Längen,
Querschnitte, Füllung usw.) Temperaturschwingungen erzeugt. die zeitlich gegeneinander
phasenverschoben aus dem Speicher austreten und sich derart überlagern, daß die
resultierende Temperatur sich einem möglichst gleichbleibenden Mittelwert nähert.
Auch hat man es in der Hand, durch Zumischung heißer Brenngase, die nicht durch
die Speicherfüllung gehen, Temperaturtäler auszufüllen.
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Die Phasenverschiebung kann aber auch dadurch erreicht werden, daß
man den Regenerator in mehreren Teilströmen mit mehreren Brennkammern phasenverschoben
intermittierend beheizt.
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Aus dem Regenerator treten jetzt Teilströme von verschiedenen Temperaturen
aus. Sollte der Strömungsweg bis zur Verwendungsstelle keine ausreichende Sicherheit
bieten, daß innerhalb des Gases Temperaturausgleich eintritt, so kann man gemäß
der Erfindung einen Temperaturausgleicher vor die Verwendungsstelle schalten, etwa
in Form eines »Siebes« aus gut wärmeleitendem Material, das durch sein Wärmeleitvermögen
quer zum Strömungskanal Temperaturspitzen des einen Teilstromes abbaut und die abgeleitete
Wärmemenge auf den kälteren Strom überleitet.
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Es sei bemerkt, daß die erläuterte Temperaturgleichrichtung durch
zeitlich phasenverschobene Temperaturverlaufskurven auch in anderen Anwendungsfällen
von Regeneratoren möglich ist, nicht nur bei Gasturbinenanlagen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur dargestellt,
und zwar in Verbindung mit einer im offenen Prozeß arbeitenden Anlage. Die Arbeitsluft
wird vom Verdichter 1 auf Druck gebracht und gelangt nach Durchströmen des Wärmeaustauschers
2 in den aus Brennkammer 3 und Speichermasse 4 bestehenden Wärmespeicher. 5 ist
die bereits erwähnte Regelbrennkammer, 6 die Turbine, die neben dem Verdichter 1
auch den Stromerzeuger 7 antreibt.
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Die Anlage soll, wie bereits ausgeführt wurde, mit intermittierender
Verbrennung arbeiten. Es sei angenommen, daß der Betriebszustand erreicht ist, in
dem der Speicher neu aufgeladen werden muß. Das geschieht durch Verbrennung von
Brennstoff in der Brennkammer 3. Der Brennstoff wird durch eine Pumpe 12 gefördert
und über das Schaltventil 9 in die Brennkammer 3 eingegeben. Solange das Schaltventil
9 den Brennstoffdurchtritt freigibt, erhält der Wärmespeicher 4 ein Gemisch aus
Verbrennungsgasen und Luft. Ist die Brennstoffzufuhr abgestellt, so wird die Speichermasse
4 nur noch von Frischluft durchströmt.
Die Dauer der Brennzeit wird
im allgemeinen durch den Drehzahlregler der jeweiligen Belastung entsprechend eingestellt.
Dieses Betriebsverfahren ist möglich, weil, wie eingehende Untersuchungen zeigen,
durch die Anwendung des Gleichstromes sich die Temperaturen hinter der Speichermasse
4 sowohl bei Ladung wie bei Entladung, wenn bestimmte Betriebsbedingungen eingehalten
werden, praktisch nicht ändern.
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Die Brennkammer 5 dient, wie bereits ausgeführt ,%-urde, ebenfalls
zu Regelzwecken, insbesondere zur Beschleunigung des Regelvorganges. Die ihr zuzuführende
Brennstoffmenge wird durch ein Ventil 11
geregelt, das vom Regler 10 der Turbine
6 aus und auch durch einen Temperaturfühler beeinflußt werden kann.