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Gasturbinenanlage mit einem Strahlapparat oder einer Ausgleichdüse
Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit einem in der Zuführung des Arbeitsmittels
zur Gasturbine angeordneten Strahlapparat oder mit einer darin angeordneten Ausgleichdüse,
in dem oder in der aus dem Freien angesaugte verdichtete und gegebenenfalls in einer
regelbaren Hauptbrennkammer erhitzte Druckluft als Treibmittel zum Verdichten entweder
eines aus einer ungeregelten Entnahmestelle der Gasturbine entnommenen Arbeitsmittel-Teilstromes
mit einem niedrigeren Druck als am Turbineneinlaß oder eines aus dem Freien angesaugten
Luftstromes dient.
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Der Wirkungsgrad von Strahlapparaten und von Ausgleichdüsen ist bekanntlich
um so besser, je größer das Verhältnis der spezifischen Gewichte des zu verdichtenden
Mittels und des Treibmittels zueinander ist: Eine Annäherung an das optimale Verhältnis
dieser spezifischen Gewichte ist bei herkömmlichen Anlagen durch Temperaturerniedrigung
und/oder durch Drucksteigerung des Treibmittels am Eintritt in den Strahlapparat
erreichbar. Eine Temperaturerniedrigung des Treibmittels durch Stillegen der vorgeschalteten
Brennkammer oder durch Kühlen des Treibmittels vor dem Eintritt in den Strahlapparat
ist allerdings nur in engen Grenzen möglich. Erste Voraussetzung ist das Vorhandensein
eines Kühlmittels überhaupt und zweitens ist die Temperatur des Kühlmittels (Wasser,
Luft usw.) gegeben. Bei einer Gasturbinenanlage, ohne oder mit relativ wenig Kühlmittel
auszukommen, gilt nun als ein so wichtiger Vorteil dieser Anlagen, daß eine zusätzliche
Kühlmittelverwendung nicht erwünscht ist und daher nur in Sonderfällen als beschränkt
geeignetes Mittel angesehen werden kann. Die Wärmezufuhr zu dem Frischarbeitsmittel
der Gasturbine muß dann außerdem ganz oder vorwiegend ganz nach seinem Durchgang
durch den Strahlapparat erfolgen.
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Auch eine Annäherung an das optimale Verhältnis der beiden spezifischen
Gewichte des zu verdichtenden Mittels und des Treibmittels zueinander durch Drucksteigerung
des Treibmittels hat wesentliche Nachteile. Hohe Verdichtungsdrücke können nämlich
mit Rotationsverdichtern, sofern sie überhaupt noch im Rahmen der beherrschbaren
Verdichtungsverhältnisse liegen, nur bei entsprechend großen Volumen, also großen
Treibmittelmengen, mit brauchbaren Wirkungsgraden erreicht werden, so daß entweder
eine Beschränkung auf Anlagen großer Leistung oder die Anwendung von Kolbenverdichtern
an Stelle von Rotationsverdichtern notwendig ist.
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Eine weitere Einschränkung liegt darin, daß das optimale Verdichtungsverhältnis
im Hauptverdichter das für das optimale Verhältnis der beiden spezifischen Gewichte
der beiden Medien im Strahlapparat wesentlich ist, in seiner Tendenz gegenläufig
zum optimalen Druckverhältnis der Gasturbine ist, so daß hier Kompromißlösungen.
nicht zu vermeiden sind.
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Durch eine Kombination der genannten Maßnahmen ist jedoch eine teilweise
Annäherung an das optimale Verhältnis der beiden spezifischen Gewichte der zwei
Medien im Strahlapparat erreichbar. Schwieriger ist dagegen die Änderung und. Anpassung
des Verhältnisses der spezifischen Gewichte bei wechselnder Belastung der Gasturbinenanlage.
Ist nämlich die Kühlung - entsprechend der Temperatur des Kühlwassers -- bereits
bei der Auslegungslast in Anspruch genommen worden, so kann eine weitere Erhöhung
des spezifischen Gewichtes des Treibmittels lediglich durch einen drehzahlgeregelten
Hauptverdichter oder, wenigstens in gewissen Grenzen, durch einen Hauptverdichter
mit verstellbaren Schaufeln erreicht werden. Jedoch wird dadurch die Anlage kompliziert
und teuer.
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Um die geschilderten Nachteile zu vermeiden, schlägt die Erfindung
vor, in der Ansaugleitung des Strahlapparates/der Ausgleichdüse eine Hilfsbrennkammer
einzubauen. In weiterer Ausbildung schlägt die Erfindung vor, Wärmeaustauscher anzuwenden,
die das Treibmittel und/oder das im Strahlapparat in der Ausgleich-düse zu verdichtende
Mittel unter Verwendung der Gasturbinenahwärme vorwärmen-Dabei kann das der Gasturbine
entnommene und im Strahlapparat zu verdichtende Mittel in einem Düsensystem vorverdichtet
werden. Das vom Hauptverdichter gelieferte Treibmittel für den Strahlapparat/die
Ausgleichdüse kann zweckmäßig der Hauptverdichter aus einer ungeregelten Entnahmestelle
der Gasturbine ansaugen. Vorteilhaft ist es dabei, das Treibmittel für den Strahlapparat
nach der Entnahme aus der Gasturbine und vor dem Eintritt in den Hauptverdichter
in einem Düsensystem vorzuverdichten.
Der wesentliche Vorteil der
Erfindung liegt demnach darin, daß durch die Möglichkeit der Erhöhung der Temperatur
des angesaugten Mittels mittels der Hilfsbrennkammer dessen spezifisches Gewicht
kleiner gemacht werden kann, so daß eine weitgehende Freizügigkeit in bezug auf
das -Einstellen eines optimalen Verhältnisses der spezifischen Gewichte der beiden
Medien im Strahlapparat/in der Ausgleichdüse gesichert ist.-Die Anwendung der Erfindung
ist an Hand von Beispielen erläutert und mit dem bekannten Verfahren verglichen.
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Die Fig. 1 zeigt eine bereits bekannte Gasturhinenanlage mit einem
Strahlapparat oder einer Ausgleichdüse.
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Der Verdichter l saugt Umgebungsluft an und verdichtet sie. Die verdichteteLuftwird
in einem Wärmeaustauscher 7 vorgewärmt und in der Brennkammer 6' auf die gewünschte
Temperatur erhitzt. Im Strahlapparat oder in der Ausgleichdüse 5 saugt das heiße
Hochdrucktreibmittel einen Teil der Abgase der Gasturbine2, die einen niedrigeren
Druck und eine mittlere Temperatur aufweisen, ab und vereinigt sich mit diesen zu
einem Treibmittel mittleren Druckes und mittlerer Temperatur. Dieses Treibmittel
wird in der Gasturbine 2 unter Arbeitsabgabe entspannt. Die gewonnene Energie wird
zum Antrieb des Verdichters 1 verwendet. Von den Abgasen der Gasturbine2 wird demnach
ein Teilstrom von dem Strahlapparat oder von der Ausgleichdüse 5 angesaugt, während
der Rest in der Gasturbine3 unter Arbeitsabgabe auf etwa Atmosphärendruck expandiert.
Die in der Gasturbine3 gewonnene Energie wird zum Antrieb eines Stromerzeugers 4
oder einer andren Arbeitsmaschine verwendet. Die entspannten -Abgase der Gasturbine
3 geben im Wärmeaustauscher 7 ihre Wärme weitgehend an die vom Verdichter 1 kommende
Luft ab und. -entweichen anschließend ins Freie.
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Die Fig.2 bis 6 zeigen Beispiele von Anwendungen der Erfindung. Hierbei
wurden für die gleichen Teile der gleichen Bezugsziffern wie in der Fig. 1 verwendet.
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Die Fig.2 zeigt eine einfache Gasturbinenanlage, bei der das zu verdichtende
Mittel über den Wärmeaustauscher 7' aus dem Freien angesaugt und in einer Brennkammer
6 zur Herabsetzung des spezifischen Gewichtes hocherhitzt wird. Das Treibmittel
für den Strahlapparat oder für die Ausgleichdüse 5 wird vom Verdichter 1 geliefert.
Um das spezifische Gewicht des Treibmittels möglichst hochzuhalten, wird es dem
Strahlapparat oder der Ausgleichdüse 5 ohne vorherige Erhitzung zugeführt. Aus regeltechnischen
Gründen kann jedoch beim Anfahren der Anlage und zum Einstellen des optimalen Verhältnisses
der spezifischen Gewichte, zumindest zeitweise, eine gewisse Aufheizung des Treibmittels
notwendig sein, so daß zweckmäßig auch noch die bei der vorbeschriebenen bekannten
Gasturbinenanlage verwendete Brennkammer 6' vorzusehen ist.
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Nachdem das optimale Verdichtungsverhältnis von Strahlapparaten bei
relativ niedrigen Verdichtungsverhältnissen liegt, andererseits aber das optimale
Druckverhältnis der Gasturbine je nach Temperatur wesentlich höher liegen kann,
wird es in vielen Fällen zweckmäßig sein, das von dem Strahlapparat oder der Ausgleichdüse
zu verdichtende Mittel nicht aus dem Freien anzusaugen, sondern der Gasturbine mit
entsprechend höherem Druck au entnehmen. Der höhere Druck wirkt sich durch die hiermit
verbundene Erhöhung des spezifischen Gewichtes des in dem Strahlapparat oder in
der Ausgleichdüse zu verdichtenden Mittels zunächst ungünstig auf denWirkungsgrad
aus, jedoch kann dies durch entsprechende Wahl .der Temperatur ausgeglichen werden
und darüber hinaus durch die Verbesserung des Wirkungsgrades des Apparates infolge
eines kleineren Druckverhältnisses zu einer günstigeren Lösung führen als bei niedrigerem
AnsaugdruckundgrößeremVerdichtungsverhältnis. Beide Faktoren: Verhältnis der spezifischen
Gewichte und Verdichtungsverhältnis müssen in einem optimalen Verhältnis sein und
zueinander stehen.
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Die Fig.3 stellt ein Beispiel einer dementsprechend gestalteten Anlage
dar, wobei die gestrichelt eingezeichnete Brennkammer 6' aus den bereits genannten
Gründen mit eingezeichnet wurde. Aus Gründen regenerativer Ausnutzung der Gasturbinenabwärme
wird das Treibmittel im Wärmeaustauscher 7 vorgewärmt. Dies wirkt sich auf das Verhältnis
der spezifischen Gewichte der zwei Mittel und mithin auf den Wirkungsgrad des Strahlapparates
oder derAusgleichdüse ungünstig aus; infolge besserer Wärmeausnutzung im Gesamtprozeß
führt es dennoch. zu einem günstigeren Gesamtwirkungsgrad der Anlage. Zur Verminderung
des Verdichtungsverhältnisses in dem Strahlapparat kann bei der Entnahme des zu
verdichtenden Mittels aus der Gasturbine dieses in bekannten Düsensystemen zur Umwandlung
von Wärmeenergie in Druckenergie »vorverdichtet« werden.
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Die Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer derartigen Schaltung. Außer den
bereits erläuterten Bezugsziffern ist mit 8 ein Düsensystem zur Umwandlung von Wärmeenergie
in Druckenergie beziffert. Hierbei wird das Arbeitsmittel in einer Düse nahezu adiabatisch
entspannt und in einem Diffusor unter Kühlung nahezu isothermisch verdichtet. Der
Kühler 9 soll das am Übergang zwischen der Düse und dem Diffusor zum Einstellen
der notwendigen Druckverhältnisse (insbesondere beim Anfahren) abgesaugte Mittel
vor dein Eintritt in den Verdichter 1 kühlen.
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Die Fig.5 zeigt ein Beispiel einer Anlage entsprechend der Fig.4,
jedoch mit auf zwei Wärmeaustauscher 7 und 7' aufgeteilter Abwärmeausnutzung der
Gasturbine, was bei gleicher Wärmeausnutzung, wie in der Anlage entsprechend der
Fig. 4, zu einem günstigeren Verhältnis der spezifischen Gewichte der beiden Mittel
für den Strahlapparat oder für die Ausgleichdüse führt.
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Um den Vorteil eines hohen spezifischen Gewichtes des Treibmittels
im Strahlapparat oder in der Ausgleichdüse ausnutzen zu können, kann auch eine Vorverdichtung
des Treibmittels durch ein bekanntes Wärme-Druckumformer-Düsensystem verwendet werden.
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Die Fig.6 zeigt ein Beispiel einer so gestalteten Anlage. Hierbei
wird das Treibmittel für den Strahlapparat oder für die Ausgleichdüse der Gasturbine
2 entnommen, im Düsensystem 8' vorverdichtet und dem Verdichter 1 zugeführt. Dem
Verdichter 1 kann erforderlichenfalls auch noch ein Kühler vorgeschaltet werden.
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Die erläuterten Beispiele stellen relativ einfache Anlagen dar. Die
Erfindung kann jedoch sinngemäß auch für Anlagen mit ein- und mehrmaliger Zwischenerhitzung
sowie mit oder ohne Zwischenkühlung für Gasturbinen mit geschlossenem und mit offenem
Kreislauf und auch in Kombinationen mit Freikolben-Treibgas-Erzeugern verwendet
werden.