DE1085717B - Gasturbinenanlage mit einem Strahlapparat oder einer Ausgleichduese - Google Patents

Gasturbinenanlage mit einem Strahlapparat oder einer Ausgleichduese

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DE1085717B
DE1085717B DEL28043A DEL0028043A DE1085717B DE 1085717 B DE1085717 B DE 1085717B DE L28043 A DEL28043 A DE L28043A DE L0028043 A DEL0028043 A DE L0028043A DE 1085717 B DE1085717 B DE 1085717B
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DE
Germany
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gas turbine
nozzle
propellant
jet device
compressed
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DEL28043A
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English (en)
Inventor
Dipl-Ing Siegfried Kriese
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Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Original Assignee
Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/34Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid with recycling of part of the working fluid, i.e. semi-closed cycles with combustion products in the closed part of the cycle
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/32Inducing air flow by fluid jet, e.g. ejector action

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Fig. 1 zeigt eine bereits bekannte Gasturhinenanlage mit einem Strahlapparat oder einer Ausgleichdüse.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. 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, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ansaugleitung des Strahlapparates oder der Ausgleichdüse (5) eine Hilfsbrennkammer (6) eingebaut ist.
  2. 2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmeaustauscher (7, 7') vorhanden sind, die das Treibmittel und/oder das zu verdichtende Mittel des Strahlapparates oder der Ausgleichdüse (5) unter Verwendung der Abwärme der Gasturbine vorwärmen.
  3. 3. Anlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das im Strahlapparat oder in der Ausgleichdüse (5) zu verdichtende, der Gasturbine (2) entnommene Mittel in einem Düsensystem (8) vorverdichtet wird.
  4. 4. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Hauptverdichter (1) gelieferte Treibmittel für den Strahlapparat oder für die Ausgleichdüse (5) durch den Hauptverdichter (1) aus einer ungeregelten Entnahmestelle der Gasturbine (2) angesaugt wird.
  5. 5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel für den Strahlapparat oder für die Ausgleichdüse (5) nach seinem Entnehmen aus der Gasturbine (2) und vor dem Eintritt in den Hauptverdichter (1) in einem Düsensystem (8') vorverdichtet wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 870 781; USA.-Patentschrift Nr. 2 011420.
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