DE1136160B - Gasturbinen-Kraftanlage mit wenigstens einer Brennkammer und mit einer indirekt durch die Turbinen-abgase geheizten Heizeinrichtung fuer die der Turbine zugefuehrten Gase - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

H 40853 Ia/46f

ANMELDETAG: 3. NOVEMBER 1960

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT:

6. SEPTEMBER 1962

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinen-Kraftanlage mit wenigstens einer Brennkammer und mit einer Heizeinrichtung für die der Turbine zugeführten Gase, die indirekt durch die Wärmeenergie der Auslaßgase der Turbine geheizt ist.

Es ist bekannt, die Abgase einer Gasturbine einem Wärmeaustauscher zuzuführen und die in dem Wärmeaustauscher gewonnene Wärme zur Vorheizung oder Zwischenerhitzung des der Turbine zugeführten Gases zu verwenden. Es ist ferner bekannt, diese Wärmeübertragung indirekt vorzunehmen, indem die Wärme der Abgase in einem ersten Wärmeaustauscher auf eine Flüssigkeit übertragen wird, die ihre Wärmeenergie dann in einem zweiten Wärmeaustauscher an die der Brennkammer zugeführte verdichtete Luft abgibt.

Die bekannten Einrichtungen ermöglichen naturgemäß keine Erhitzung auf Temperaturen, die oberhalb der Abgastemperatur liegen. Andererseits ist die Temperatur der Abgase in vielen Turbinenanlagen relativ niedrig, während eine Vor- oder Zwischenerhitzung auf wesentlich höhere Temperaturen erwünscht ist.

Durch die Erfindung wird dieser Nachteil der bekannten Anlagen beseitigt. Eine Gasturbinen-Kraftanlage mit wenigstens einer Brennkammer und mit einer Heizeinrichtung für die der Turbine zugeführten Gase, die indirekt durch die Wärmeenergie der Abgase der Turbine heizbar ist, ist nämlich gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sie eine elektrische Heizeinrichtung, die von einem durch die Wärmeenergie der Abgabe betriebenen elektrischen Generatur gespeist wird, aufweist.

Die Heizeinrichtung dient vorzugsweise zur Vorheizung des der Brennkammer zugeleiteten Arbeitsmediums.

Die Temperatur der Abgase der Turbine braucht bei dieser Anlage nicht sehr hoch über der Temperatur an der Auslaßseite des Verdichters oder über der Temperatur an der Auslaßseite derjenigen Einrichtung zu liegen, die der Brennkammer das Betriebsmittel zuführt, weil durch die Umwandlung des Wärmeinhaltes der Abgase in elektrische Energie zur Vorheizung des Betriebsmittels eine höhere Temperatur als die Abgastemperatur erzeugt werden kann, wenn man die elektrische Einrichtung entsprechend entwirft.

Wenn jedoch die Temperatur der Abgase der Turbine erheblich höher ist als die Temperatur an der Ausgangsseite des Verdichters kann dem Betriebsmittel ein gewisser Betrag der Wärmeenergie der Abgase unmittelbar in einem Wärmeaustauscher zugeführt werden, und der übrige Teil der Wärmeenergie Gasturbinen-Kraftanlage mit wenigstens einer Brennkammer und mit einer indirekt durch die Turbinenabgase geheizten Heizeinrichtung für die der Turbine zugeführten Gase

Anmelder:

The de Havilland Engine Co. Ltd., Leavesden, Hertfordshire (Großbritannien)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld

und Dr. D. v. Bezold, Patentanwälte,

München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 3. November 1959 und 7. März 1960 (Nr. 37 321 und Nr. 8046)

David Mark Cockburn, London, ist als Erfinder genannt worden

der Abgase, dessen Temperatur für die Speisung eines unmittelbar wirkenden Wärmeaustauschers nicht ausreicht, kann dann auf elektrischem Weg auf eine höhere Temperatur gebracht werden.

Die Heizeinrichtung kann jedoch auch ein Überhitzer an der Auslaßseite der Brennkammer sein.

Die beste Stelle für die elektrische Heizung hängt von der jeweiligen Natur des betreffenden Systems ab.

Wenn das Betriebsmittel durch eine Hilfsgasturbine mit Eigenantrieb und eigener Brennkammer geliefert wird, so kann eine weitere Brennkammer vorhanden sein; die Brennkammer der Hilfsturbine kann aber auch die einzige Brennkammer der Anlage sein. Die Heizeinrichtung kann vor oder hinter diesen Brennkammern angeordnet sein.

Zweckmäßigerweise enthält die Heizeinrichtung einen Heizwiderstand, der von dem elektrischen Generator gespeist wird und seine Wärme an das Betriebsmittel weitergibt. Dieses Heizelement kann auf einer sehr viel höheren Temperatur als die Tempera-

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tür des Betriebsmittels, das in die Vorheizeinrichtung eintritt, liegen, und der Wirkungsgrad der 'ganzen elektrischen Einrichtung kann daher sehr hoch sein.

Es ist ferner möglich, einen Dampfkreislauf vorzusehen, der eine Dampfturbine oder eine andere Dampfmaschine zum Antrieb "des elektrischen Generators und die Sekundärseite eines Wärmeaustauschers enthält, dessen Primärseite mit den Abgasen der Turbine 'gespeist wird. Dadurch' wird" es" möglich, mit der Wärmeenergie der Abgase Dampf zum Antrieb der Dampfmaschine und des elektrischen Generators zu erzeugen. '■'-■■

Der elektrische Generator kann auch ein thermoelektrischer Generator sein, dessen heiße Lötstellen von der Wärmeenergie der Abgase der Turbine geheizt werden.

Der Generator, der natürlich entweder ein Gleichstromgenerator oder ein Wechselstromgenerator sein kann, kann über eine geeignete Schalteinrichtung auch elektrische Energie an andere Verbraucher liefern. Dies kann insbesondere dann nützlich sein, wenn die Kraftanlage zum Schiffsantrieb benutzt wird und wenn das Schiff im Hafen liegt, so daß für das Schiff keine Antriebsenergie benötigt wird.

Bei Benutzung für Schiffsantriebe, worauf die Erfindung insbesondere anwendbar ist, kann die Kraftanlage auch zusätzlich zu der Hauptturbine noch eine Umkehrturbine enthalten sowie Einrichtungen, um das Betriebsmittel wahlweise der einen oder anderen dieser Turbinen zuzuleiten.

Bei Schiffsantrieben oder anderen Anwendungsgebieten, bei denen brennbares Gas abgeleitet werden muß oder aus sonstigen Gründen verfügbar ist, kann eine Einrichtung angewendet werden, durch die der Wärmeinhalt der brennbaren Gase zur Erhöhung der für eine Umwandlung in elektrische Energie zur Verfügung stehenden Wärmemenge nutzbar gemacht wird. Entweder können dann mit dem Wärmeinhalt der brennbaren Gase die Abgase der Turbine noch weiter erhitzt werden oder kann mit dem Wärmeinhalt dieser abzuleitenden brennbaren Gase Wasser zur Erzeugung von Dampf in einem Dampfkreislauf vorerhitzt werden. Man kann auch den Dampf überhitzen.

Offensichtlich ist zur Erzeugung einer bestimmten Ausgangsleistung bei der beschriebenen Ausnutzung der Wärmeenergie der Abgase weniger Brennstoff erforderlich als bei Anlagen ohne eine derartige Ausnutzung der Wärmeenergie der Abgase.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele, die sich auf den Antrieb eines Schiffes beziehen, beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in der die Wärmeenergie der Abgase über einen Wärmeaustauscher zur Dampferzeugung benutzt wird;

Fig. 2 zeigt eine etwas abgewandelte, aber im übrigen gleichartige Einrichtung, bei der das Betriebsmittel ebenfalls unmittelbar von den Abgasen aufgeheizt und im übrigen außerdem noch elektrisch vorgeheizt wird, und

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Einrichtung nach den Fig. 1 oder 2, und zwar sind der Wärmeaustauscher und die Dampferzeugungseinrichtung durch einen thermoelektrischen Generator ersetzt.

Bei der in der Fig. 1 dargestellten Anlage wird das Betriebsmittel für eine Gasturbine 11 von einer aus einem Verdichter 13, einer Brennkammer 36 und einer Hilfsturbine 12 bestehenden Einheit (an deren Stelle auch ein Freikolbengasgenerator treten kann) gehefert, an die eine Vorheizeinrichtung 14 und eine Hauptbrennkammer 15, in welcher Kohlenwasserstoffbrennstoff in komprimierter Luft verbrannt wird und von der aus das Verbrennungsgas der Eingangsseite der Hauptturbine Il mit [erhöhter Temperatur zugeleitet wird, angeschlossen igt.

Das expandierte Gas an der Ausgangsseite der Turbine 11 hat einen gewissen Wärmeinhalt, obgleich seine Temperatur im allgemeinen nicht mehr sehr ίο hoch sein wird und sogar unterhalb der Temperatur an der Eingangsseite der Vorheizeinrichtung 14 liegen kann. Die Abgase der Turbine 11 werden durch die Primärseite 16 eines Wärmeaustauschers 17 hindurchgeleitet, dessen Sekundärseite 18 einen Teil eines Dampf kreislauf es bildet, der im übrigen noch eine unabhängig angetriebene Speisewasserpumpe 19, eine kleine. Dampfturbine 21, eine Abzugspumpe 22 und einen Kondensator 23 enthält.

Das der Sekundärseite 18 des Wärmeaustauschers 17 zugeführte Speisewasser wird im Wärmeaustauscher 17 mit Hilfe der Abgase verdampft, und dieser Dampf treibt dann die Dampfturbine 21 an, auf deren Welle ein Wechselstrom- oder ein Gleichstromgenerator 24 sitzt. Die Ausgangsklemmen dieses Generators as 24 sind an den Heizwiderstand 25 in der Vorheizeinrichtung 14 .angeschlossen.

Vermöge der Bemessung dieser elektrischen Schaltung befindet sich der Heizwiderstand 25 auf einer Temperatur, die sehr viel höher ist als die Temperatur der komprimierten Gase an der Eingangsseite der Vorheizeinrichtung -14.

Bei dieser Ausnutzung der Abgase der Hauptturbine 11 zur Aufheizung des Betriebsmittels der Hauptturbine auf elektrischem Weg auf eine hohe Temperatur wird eine hohe Wirtschaftlichkeit des Brennstoffver-. brauches erreicht.

Auf der Welle der Hauptturbine 11 kann der Rotor einer kleineren Rücklaufturbine 26 angebracht werden, und Ventile 27 dienen zur Einschaltung entweder der Hauptturbine 11 oder der Rücklaufturbine 26. Mittels' einer Abzugspumpe wird die Luft aus der jeweils nicht im Betrieb befindlichen Turbine abgesaugt, um deren Luftreibungsverluste zu vermindern. Als Abzugspumpe wird zweckmäßigerweise die Pumpe 22 verwendet, die auch zur Absaugung von Luft aus . dem Kondensator 23 dient.

Die ganze Kraftanlage ist sehr leicht in Betrieb zu nehmen. Die .Hilfsturbine 12 und der Verdichter 13 werden in üblicher Weise angelassen, und der Brennkammer 15 wird Brennstoff zugeführt Gleichzeitig mit : dem dabei entstehenden Temperaturanstieg in der elektrischen Vorheizeinrichtung 14 kann die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer 15 ziemlich stark vermindert werden^,-und trotzdem kann dabei die Eingangstemperatur der Hauptturbine 11 aufrechterhalten werden.

Wenn das Schiff keine Antriebsenergie benötigt, weil es beispielsweise im Hafen liegt kann das Betriebsmittel für die Hauptturbine 11 an ihr vorbeigeleitet werden, und der Generator 24 kann elektrische Leistung für Winden, Werkzeuge und andere Zwecke statt für die Vorheizung erzeugen. Auf diese Weise läßt sich auch ein besonderer Hilfsgenerator, der nur während der Liegezeiten des Schiffes benutzt wird, ersparen.

- Man kann auch andere Einrichtungen treffen, wie im folgenden an Hand einiger Beispiele kurz erwähnt werden möge.

Die elektrische Vorheizung kann in der Zuleitung der Hilf sgasturbine stattfinden. Wenn außer der Brennkammer 15 zwischen der Hilfsturbine 12 und den Hauptturbinen 11 und 26 eine zusätzliche erste Brennkammer 36, wie beim ersten beschriebenen Ausführungsbeispiel, angewendet wird, kann die elektrische Heizung auch unmittelbar vor der ersten Brennkammer 36, wie in der Fig. 1 mit punktierten Linien bei 31 angedeutet ist, angeordnet werden.

Wenn die Temperatur der Abgase der Turbine 11 erheblich über der Temperatur des der Brennkammer 36 zufließenden Betriebsmittels liegt, kann ein direkter Wärmeaustausch gemäß der Fig. 2 vorgenommen werden, bis die Abgase für die Durchführung eines solchen direkten Wärmeaustausches nicht mehr heiß genug sind. Es kann also ein Wärmeaustauscher 33 mit seiner Primärseite 34 in die Leitung zwischen der Hauptturbine 11 und dem Wärmeaustauscher 17 eingeschaltet werden und mit seiner Sekundärseite 35 in die Leitung zwischen dem Verdichter 13 und der elekirischen Vorheizeinrichtung 31. Der Rest des Wärmeinhaltes kann dann, wie oben beschrieben, auf elektrischem Weg nutzbar gemacht werden. Vor der Brennkammer 36 der Hilfsturbine 12 kann sowohl eine unmittelbare als auch eine elektrische Erhitzung des Gases vorgenommen werden; man kann aber auch direkten Wärmeaustausch vor der ersten Brennkammer 36 und elektrischen Wärmeaustausch vor der zweiten Brennkammer 15 vornehmen, wenn eine solche, wie bei der in Fig. 1 dargestellten Anlage, zwischen den beiden Turbinen liegt.

Wenn keine zweite Brennkammer vorhanden ist, kann direkter Wärmeaustausch vor der Brennkammer 36 und eine elektrische Vorerhitzung zwischen den beiden Turbinen 12 und 11 vorgenommen werden.

Wenn Freikolbengasgeneratoren benutzt werden, werden alle Vorheizungen, d. h. elektrische und unmittelbare Vorheizungen, unmittelbar vor der Hauptbrennkammer 15 und lediglich an dieser Stelle vorgenommen.

Wie in der Fig. 3 dargestellt ist, kann der Wärmeaustauscher 17 durch eine Thermoelement-Säule 41 ersetzt werden, deren heiße und kalte Lötstellen jeweils in Wärmeaustausch mit einer Flüssigkeit oder einem Gas in einem von zwei getrennten Kreisläufen 42 und 43 stehen. Der Kreislauf 42 für die heißen Lötstellen führt Abgase der Turbine 11 und der Kreislauf 43 für die kalten Lötstellen eine Kühlflüssigkeit oder ein Kühlgas, die in einer zweckmäßig ausgebildeten Abkühlungseinrichtung gekühlt werden.

In der Thermoelementsäule 41 wird Gleichspannung erzeugt, die der Temperaturdifferenz zwischen den heißen und den kalten Lötstellen entspricht, und mit dieser Spannung wird die elektrische Vorheizeinrichtung 14 gespeist. Im übrigen kann die gesamte Einrichtung entsprechend dem oben Gesagten ausgeführt werden.

Wenn ein Schiff zum Transport von Methan oder zum Transport eines anderen brennbaren Gases benutzt wird oder wenn es sich um eine Industrieanlage handelt, bei der gewisse brennbare Gase anfallen und gespeichert werden, kann man bei Benutzung der Erfindung den thermischen Wirkungsgrad noch weiter verbessern. In diesen Fällen verdampft nämlich ein erheblicher Brachteil des brennbaren Gases im Laufe der Zeit, und die Ableitung dieser Verdampfungsprodukte kann Schwierigkeiten bereiten. Bei Verwendung einer Kraftanlage gemäß der Erfindung kann dieses Gas jedoch verbrannt werden und zur Erhitzung von Wasser in dem Dampfkreislauf oder auch zur Überhitzung von Dampf oder direkt zur Erhitzung der Abgase der Turbine 11 dienen. Auf diese Weise läßt sich die für die erfindungsgemäße Vorerhitzung anfallende elektrische Energiemenge erhöhen. Allgemein können also brennbare Gase aus einer beliebigen Quelle und insbesondere brennbare Gase, die sonst verworfen werden würden, mit Vorteil nutzbar gemacht werden.

Wenn brennbares Gas in ausreichender Menge zur Verfügung steht, kann es in bekannter Weise auch in der Brennkammer 15 verbrannt werden, um die Hauptturbine 11 zu speisen.

Claims (12)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Gasturbinen-Kraftanlage mit wenigstens einer Brennkammer und mit einer Heizeinrichtung für die der Turbine zugeführten Gase, die indirekt durch die Wärmeenergie der Abgase der Turbine geheizt ist, gekennzeichnet durch eine elektrische Heizeinrichtung, die von einem durch die Wärmeenergie der Abgase betriebenen elektrischen Generator gespeist wird.

2. Kraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Heizeinrichtung das der Brennkammer oder den Brennkammern zugeführte Betriebsmittel vorheizt.

3. Kraftanlage nach Ansprach 1 oder 2 mit einem Wärmeaustauscher zur Vorheizung des Betriebsmittels der Turbine durch die in ihren Abgasen enthaltene Wärmeenergie, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Generator mit dem noch verbleibenden Wärmeinhalt der Abgase betrieben wird.

4. Kraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Heizeinrichtung zur Überhitzung des aus der Brennkammer austretenden Betriebsmittels dient.

5. Kraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter für das Betriebsmittel durch eine HiKsgasturbine mit eigener Brennkammer angetrieben wird.

6. Kraftanlage nach Ansprach 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer der Hilfsgasturbinenanlage die einzige Brennkammer der Kraftanlage ist.

7. Kraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Heizeinrichtung einen Heizwiderstand enthält.

8. Kraftanlage nach Ansprach 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Heizwiderstandes im Betrieb erheblich oberhalb der Temperatur des Betriebsmittels an der Eingangsseite der Heizeinrichtung liegt.

9. Kraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Wärmeaustauscher, dessen Primärseite die Abgase der Turbine zugeführt sind und dessen Sekundärseite in einem Dampfkreislauf angeordnet ist, der eine Dampfmaschine enthält, die einen elektrischen Generator antreibt.

10. Kraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische

Generator ein thermoelektrischer Generator ist, der elektrische Energie unmittelbar aus dem Wärmeinhalt der Abgase der Turbine erzeugt.

11. Kraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche für Fälle, in denen zusätzlich brennbare Gase zur Verfügung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Gase verbrannt werden und daß die dadurch entstehende Wärmeenergie zum Betrieb des elektrischen Generators verwendet wird.

12. Kraftanlage nach Ansprach 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlich zur Verfügung stehenden brennbaren Gase ganz oder teilweise als Betriebsmittel für die Turbine dienen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Buch »Die Gasturbine« von J. Kruschik, Wien, Springer-Verlag, 1. Auflage, 1952, S. 16;

USA.-Zeitschrift »Transactions of the ASME«, ίο Bd. 73, (1951), July, S. 529 bis 542.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen