DE1132764B

DE1132764B - Mit Waermeaustausch arbeitende Gasturbinenanlage mit einer Verdichterantriebs-Luftturbine, mit einer Nutzleistungs-Brenngasturbine und mit Waermeaustauschern

Info

Publication number: DE1132764B
Application number: DEV16189A
Authority: DE
Inventors: Gustav Preiskorn
Original assignee: FORSCH VERSUCHSANSTALT fur ST
Current assignee: FORSCH VERSUCHSANSTALT fur ST
Priority date: 1959-03-17
Filing date: 1959-03-17
Publication date: 1962-07-05

Description

Mit Wärmeaustausch arbeitende Gasturbinenanlage mit einer Verdichterantriebs-Luftturbine, mit einer Nutzleistungs-Brenngasturbine und mit Wärmeaustauschern Die Erfindung betrifft eine mit Wärmeaustausch arbeitende Gasturbinenanlage mit einer Verdichterantriebs-Luftturbine, mit einer Nutzleistungs-Brenngasturbine und mit Wärmeaustauschern, von denen einer mit der Brennkammer in Verbindung steht und zwischen der Verdichterantriebs-Luftturbine und der Nutzleistungs-Brenngasturbine liegt.
Bei Gasturbinenanlagen wird die Brennkammer im allgemeinen entweder zwsichen dem Verdichter und der Verdichterantriebsturbine oder zwischen dem Wärmetauscher und der Verdichterantriebsturbine angeordnet.
Bei einer anderen Bauanordnung befindet sich die Brennkammer oder der Lufterhitzer zwischen den Turbinen.
Diesen bekannten Bauanordnungen haftet jedoch eine Reihe von Nachteilen an, so z. B. in der Gefährdung der nachgeschalteten Nutzleistungs-Brenngasturbine durch chemisch aktive Verbindungen in dem gasförmigen Arbeitsmedium oder auch durch Staubteilchen.
Als eine weitere Anordnung für die Brennkammer bzw. für die Lufterhitzungsanlage ist es bekannt, eine Lufterhitzungseinrichtung (Lufterhitzer, Brennkammer oder Wärmeübertrager) zwischen der Verdichterantriebsturbine und der Nutzleistungsturbine und eine zweite hinter der Nutzleistungsturbine anzubringen.
Der Nachteil all dieser Anordnungen ist, daß die Gasaustrittsverluste durch das Anheben des Temperaturniveaus vergrößert werden.
Nach der erfindungsgemäßen Anordnung werden die beschriebenen Nachteile dadurch vermieden, daß der zweite Wärmeaustauscher, in Richtung der Brenngasströmungsrichtung gesehen, nach der ersten Lufterhitzungseinrichtung (Lufterhitzer, Brennkammer oder Wärmeübertrager) für die Verdichterantriebs-Luftturbine und vor der Nutzleistungs-Brenngasturbine angeordnet ist.
Erfindungsgemäß wird weiterhin vorgeschlagen, daß dieser Wärmeübertrager auch noch für fremde Wärmebezieher, z. B. für andere Kreisprozesse Wärmeenergie liefern kann.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung werden verschiedene Vorteile erzielt, deren wesentliche in folgenden Merkmalen bestehen: Das Temperaturgefälle, das durch die für die Erwärmung des Arbeitsmediums notwendige Temperaturdifferenz gegeben ist, kann in der nachgeschalteten Nutzleistungsturbine zur Verbesserung des Wirkungsgrades verwertet werden.
Der Wärmetauscher wird durch Anordnung in einem Bereich höheren Druckes baulich wesentlich kleiner, weil die Wärmeübergangsverhältnisse dergestalt vom Druck abhängen, daß der Wärmeübergang um so besser ist, je höher der Druck ist.
Bei Abzweigung eines Teiles des Wärmeenergiestromes für maschinenfremde Energiebedarfsträger oder aber bei der Wahl kleiner Druckverhältnisse kann die Temperatur vor der Nutzleistungsturbine so weit gesenkt werden, daß eine Gefährdung der Beschaufelung durch chemisch aktive Gase - die besonders im Temperaturbereich von 600° C und darüber wirksam sind - verhindert werden. Weiter ist es dadurch möglich, Erosionsschäden infolge des mitgeführten Staubes durch die Anwendung von nichtmetallischen überzügen, die eine große Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion und Erosion aufweisen, zu vermindern. Bei genügend tiefen Temperaturen kann der Erosionsüberzug beispielsweise durch Aufvulkanisieren natürlichen oder synthetischen Gummis oder durch Aufbringen anderer Kunststoffe geschaffen werden. Hierbei ist es denkbar, daß die endgültige Profilgebung der Beschaufelung der Turbine im wesentlichen durch die aufgebrachten Natur- oder Kunststoffe erzielt wird und daß nur die Festigkeit durch eine metallisches Skelett gegeben ist.
Als Wärmetauscher können die bekannten Bauarten verwendet werden. Man wird den Regenerativ-Wärmetauscher gegenüber der Rekuperatorbauart bevorzugen, weil jener die Erzielung eines höheren Wirkungsgrades ermöglicht. Durch die Anordnung eines Regenerativ-Wärmetauschers zwischen der Verdichterantriebs- und der Nutzleistungsturbine werden die bei der Regenerativbauart des Wärmetauschers unvermeidlichen Leckverluste in ihrer Auswirkung auf den Gesamtwirkungsgrad qualitativ und quantitativ dadurch herabgemindert, daß die Leckmenge in der nachgeschalteten Nutzleistungsturbine noch Arbeit leistet.
In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Im einzelnen zeigt Abb. 1 die Anordnung bei einer normalen Verbrennungsturbinenanlage, Abb. 2 ein zugehöriges IS-Diagramm, Abb.3 die Anordnung bei einer Sauggasturbine (Kreisprozeß reicht in das Unterdruckgebiet hinein), Ab. 4 ein zugehöriges IS-Diagramm.
Als Wärmetauscher 2 a, 2 b wird nach Abb. 1 vorzugsweise ein Doppelwärmetauscher angewendet, und bei dieser Anordnung wird nur ein kleiner Teil der aus der Verdichterantriebs-Luftturbine 3 austretenden Heißluft in der Brennkammer 4 zur Verbrennung herangezogen, um ein möglichst großes Temperaturgefälle zwischen Luft und Heizgas zu erzielen. Der andere Luftanteil kann entweder im Wärmetauscher 2 b zugemischt werden oder er wird, wie die gestrichelte Linie A zeigt, unter Umgehung des Wärmetauschers 2 b hinter diesem, aber vor der Nutzleistungs-Brenngasturbine 5 wieder in den Kreisprozeß zurückgeführt. In dem zum Schaltschema Abb. 1 gehörigen IS-Diagramm Abb. 2 tritt das Arbeitsmedium (angesaugte atmosphärische Luft) bei a in den Kreisprozeß ein, wird dann verdichtet, im Wärmetauscher bis Punkt b aufgeheizt, expandiert in der Verdichterantriebs-Luftturbine 3 polytropisch, und danach wird ein Teil des Arbeitsmediums in der Brennkammer 4 bis zum Punkt c aufgeheizt. Im nachfolgenden Wärmetauscher 2a wird das Arbeitsmedium abgekühlt, wobei der in der Brennkammer 4 nicht aufgeheizte Anteil der Luft im zweiten Teil des Wärmetauschers 2b oder hinter dem Wärmetauscher 2 b (Endwärmetauscher) zugemischt wird. Anschließend expandiert die gesamte Luftmenge in der nachgeschalteten Nutzleistungsturbine 5 polytropisch auf Umgehungsdruck und tritt im Punkt d aus dem Kreisprozeß aus.
Für den Wärmetauscher 2 nach Abb. 3 gilt sinngemäß das zu Abb. 1 Gesagte. Bei dem im IS-Diagramm Abb. 4 dargestellten Verfahren nach Abb. 3 tritt das Arbeitsmedium bei a in den Kreisprozeß ein, und zwar in den Wärmetauscher 2 b, wo es bis zum Umkehrpunkt b erwärmt wird; dann folgt die Expansion in der Verdichterantriebs-Luftturbine 3. Hierauf wird ein Teilstrom bis zum Punkt c erwärmt, und zwar in der Brennkammer 4, so daß das Arbeitsmedium am Brennkammeraustritt bzw. am Wärmeaustauschereintritt (gasseitig) seine Höchsttemperatur aufweist, worauf der andere Teil des Arbeitsmediums im zweiten Teil des Wärmetauschers 2b zugemischt und bis zum Eintritt in die Nutzleistungs-Brenngasturbine 5 abgekühlt oder aber unter Umgehung des Wärmetauschers 2b, wie die gestrichelte Linie A zeigt, unmittelbar vor der Nutzleistungs-Brenngasturbine 5 zugeführt wird. Nach Leistungsabgabe in der Nutzleistungs-Brenngasturbine 5 wird das Arbeitsmedium im nachfolgenden Verdichter 1 auf den atmosphärischen Außendruck verdichtet und im Punkt d ausgestoßen. Der Stromerzeuger 6 wird von der Nutzleistungs-Brenngasturbine 5 angetrieben.

Claims

PATENTANSPRLUCHE: 1. Mit Wärmeaustausch arbeitende Gasturbinenanlage mit einer Verdichterantriebs-Luftturbine, mit einer Nutzleistungs-Brenngasturbine und mit Wärmeaustauschern, von denen einer mit der Brennkammer in Verbindung steht und zwischen der Verdichterantriebs-Luftturbine und der Nutzleistungs-Brenngasturbine liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wärmeaustauscher (2b), in der Brenngasströmungsrichtung gesehen nach dem ersten Lufterhitzer (2 a) und vor der Nutzleistungs-Brenngasturbine (5) angeordnet ist.
2. Turbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wärmetauscher (2b) in bekannter Weise so ausgebildet ist, daß der Wärmeautausch, und zwar vorzugsweise mit der gesamten Luftmenge, zugleich auch für weitere Kreisprozesse erfolgt.
3. Turbinenanlage nach Anspruch 1 und/oder 2, bei der nur ein Teil der aus der Verdichterantriebs-Luftturbine austretenden Heißluft in die Brennkammer geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Restteil der aus der Verdichterantriebs-Luftturbine (3) austretenden Heißluft direkt in die zur Nutzleistungs-Brenngasturbine (5) fühdende Leitung eingeführt wird, und zwar entweder vor dem zweiten Wärmeaustauscher (2 b) oder unmittelbar vor dem Einlaß der Nutzleistungs-Brenngasturbine (5). In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 873 015; schweizerische Patentschrift Nr. 243 910.