DE1235669B

DE1235669B - Gasturbinenanlage mit aufgeladenem, teilgeschlossenem Kreislauf mit unmittelbarer Verbrennung im Arbeitsgasstrom

Info

Publication number: DE1235669B
Application number: DE1964G0041869
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Nebojsa Gasparovic
Original assignee: NEBOJSA GASPAROVIC DIPL ING
Current assignee: NEBOJSA GASPAROVIC DIPL ING
Priority date: 1964-10-27
Filing date: 1964-10-27
Publication date: 1967-03-02

Description

Gasturbinenanlage mit aufgeladenem, teilgeschlossenem Kreislauf mit unmittelbarer Verbrennung im Arbeitsgasstrom Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit aufgeladenem, teilgeschlossenem Kreislauf mit unmittelbarer Verbrennung im Arbeitsgasstrom, der eine Mischung aus Frischluft, umgewälzter Luft und Verbrennungsgasen enthält, mit mindestens einem Verdichter, mindestens einer Brennkammer, in welcher im Arbeitscasstrom Brennstoff unmittelbar verbrannt wird, mindestens einer den oder die Verdichter treibenden und Nutzleistung abgebenden Turbine und mindestens einem Kühler, der nur von demjenigen Teil des Arbeitsgasstroms durchströmt wird, der durch den oder die Verdichter, die Brennkammer und die Nutzleitungsturbine strömt, wobei die Luft und ein Teil der Verbrennungsgase einen geschlossenen Kreislauf bilden, dessen Druckpegel vor dem Eintritt in den Verdichter über dem Umgebungsdruck liegt sowie mit einer Aufladeturbogruppe, bestehend aus mindestens einem Aufladeverdichter, der die erforderliche Verbrennungsluft aus der Atmosphäre ansaugt und in den Niederdruckteil des Kreislaufs einspeist und auch dessen Druckpegel aufrechterhält und dessen oder deren Leistungsbedarf von mindestens einer Aufladeturbine gedeckt wird, die von dem vor dem Kühler abgezweigten Teil des Arbeitsaasstroms über eine absperrbare Leitung von der Austrittsseite der Nutzleistungsturbine oder von einer der Niederdruckstufen der Nutzleistungsturbine gespeist wird und auf den Umgebungsdruck expandiert.
Die Leistung von Gasturbinenanlagen ist durch den Volumenstrom der Gase am Austritt der Turbinen begrenzt, da aus Festigkeitsgründen die Turbinenaustrittsfläche nicht beliebig vergrößert werden kann. Mit der Erhöhung der Dichte der Gas ergibt sich eine proportionale höhere Leistung, ohne daß gleichzeitig die Austrittsfläche vergrößert wird. Diese Möglichkeit steht den geschlossenen und teilgeschlossenen Gasturbinenprozessen zur Verfü2ung.
Bei allen geschlossenen Anlagen und einigen Bauarten der teilgeschlossenen Anlagen wird die Erwärmung des Arbeitsgases mittelbar über Wärmeaustauschflächen, meistens einem Lufterhitzer, vorgenommen.
Eine zweite Gruppe bilden teilgeschlossene Anlagen, bei denen der Brennstoff entweder im Strom reiner Luft oder im Strom eines Gemisches aus Luft und Verbrennungsgasen in einer Brennkammer verbrannt wird, wobei diese Brennkammer von offener Bauart ist, d. h., die Verbrennungsgase nehmen unmittelbar am Gasturbinenprozeß teil, Bei der Lösung dieser Aufgabe sind bekanntlich zwei Möglichkeiten off en. Die der Hochdruck- und der Niederdruckaufladung.
Bei der Hochdruckaufladung wird dem Kreislauf Frischluft an der Stelle des höchsten Druckes in die Brennkammer eingeführt, wo der Brennstoff verbrennt, die Verbrennungsgase mit den Gasen des Kreislaufs gemischt und auf die für die Turbine nötige Temperatur abgekühlt werden. Der Aufladeverdichter muß hier enorm hohe Druckverhältnisse verarbeiten, was ohne Zwischenkühlungen zu hohen Arbeitsverbrauch, und bei Zwischenkühlungen zusätzlichen apparativen Aufwand erfordert.
Wesentlich günstiger ist es, die Frischluft aus dem Aufladeverdichter an entsprechender Stelle des Niederdrucks dem Kreislauf zuzuführen, weil dann der Verdichtungsvorgang vom Aufladeverdichter auch ohne Zwischenkühlung mit annehmbarem Arbeitsaufwand bewältigt werden kann. Es ist bekannt, daß# der Aufladeverdichter bei allen Belastungsstufen ausschließlich von der Aufladetarbine angetrieben wer-* den kann, die ihrerseits nur den Aufladeverdichter antreibt.
Bei den bekannten Schaltungen teilgeschlossener Gasturbinenanlagen ist die Aufladeturbogruppe (Aufladeverdichter und Aufladeturbine) mit Rohrleitun-Olen strömungs- und thermodynamisch an den Haupt-C kreislauf fest gekoppelt. Daraus ergeben sich folgende Nachteile: V a) Beim Anfahren der Anlage ist eine höhere Anfahrleistunc, notwendia da außer den Strö-C t>j mungsmaschinen des Hauptkreislaufs zusätzlich noch die Aufladeturbogruppee entweder durch einen eigenen Anfahrmotor oder mit Hilfe der im Hauptkreislauf erzeugten Gasströme anggedreht werden muß.
b) Die genannten Anlagen können nur im teil-e-C schlossenen Prozeß arbeiten, was einen schlec -tei Teillastwirkungsgrad bedingt.
C Der Erfindung, liegt die Aufgabe zugrunde, bei teil-eschlossenen Gasturbinenanlagen die Anfahr-C g leistung zu verringern und den Teillastwirkungsgrad zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß außer einer absperrbaren Leitung, welche die Austrittsseite der Nutzleistungsturbine oder eine ihrer Niederdruckstufen mit der Aufladeturbine verbindet, eine zweite absperrbare Leitung vorhanden ist, die zwischen der Brennkammer und der Nutzleistungsturbine odeer an eine der Hochdruckstufen der Nlutzleistungsturbine angeschlossen ist und zur Eintrittsseite der Aufladeturbine führt und daß, wie an sich bekannt, im Niederdruckteil des geschlossenen Kreislaufs zwischen dem Kühler und dem Verdichter eine mit der Umgebung in Verbindung stehende, absperrbare LuftansaugÖffnung sowie, zwischen der Nutzleistungsturbine und dem Kühler eine in die Umgebung führende, absperrbare Abgasauslaßöffnung- angeordnet ist.
Hierdurch ist eine Trennung der Aufladeturbogruppe vom Hauptkreislauf gegeben. Somit kann der Hauptkreislauf bei ruhender Aufladeturbogruppe angefahren werden, ohne daß für den Anfahren der Aufladeturbogruppe eine zusätzliche Anfahrleistung notwendig ist. Außerdem kann der Hauptkreislauf im offenen Gasturbinenprozeß betrieben werden, was im sehr niedrigen Lastbereich einen guten Wirkungsgrad gewährleistet.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es, zeigt B i 1 d 1 das Schaltschema der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung, mit einem einfachen Kreislauf, B i 1 d 2 ein weiteres Schaltschema, mit einem umfangreicheren Hauptkreislauf.
Wie aus B i 1 d 1 zu ersehen ist, setzt sich der Hauptkreislauf aus dem Verdichter a, der Brennkammer b, der Nutzleistungsturbine c und dem Kühler d zusammen. Der Gasstrom durch den Verdichter a, die Brennkammer b und die Turbine c ist zusammengesetzt aus Frischluft, die vom Aufladeverdirhter g in den Kreislauf geliefert wird, aus Verbrennungsgasen und Umwälzluft. Die Umwälzluft ist derjenige Teil der Luft,- die an der Verbrennung nicht teilnimmt und über den Kühler d einen Kreislauf beschreibt. über die Leitung k wird ein Teilstrom aus Verbrennungsgasen und Luft der Aufladeturbine 1 zugeführt.
Die Anlage wird bei geöffneter Ansaugleitung 1 und Auslaßleitung j angefahren, worauf nach einer I C ,gewissen Zeit ein Gasteilstrom durch die Leitung 1 bei aeschlossener Leitung k der Aufladeturbine f zu-Creführt wird wobei im Zuge des Hochfahrens der Aufladeturbogruppe die Leitungen i und i abgesperrt werden, so daß der Kreislauf des Arbeitsgasstroms über den Kühler d geschlossen wird und der sich für den geschlossenen Kreislauf vorgesehene Druckpegel einstellt, worauf die Leitung 1 abgesperrt wird und die Aufladeturbine f im stationären Zustand durch die Leitung k gespeist wird.
Die Gasturbinenanläge kann bei offenen Leitungen i und i und bei geschlossenen Leitungen h und 1 als offene Gasturbinenanlage betrieben werden.
Die Regelung der Anlage kann am zweckmäßigsten mit der Regelung der Brennstoffzufuhr beNverkstelliat werden. Bei niedriger Temperatur der Gase nach der Brennkammer b leistet automatisch die Aufladeturbine f weniger, wodurch der Druckpegel des Kreislaufs gesenkt wird. Bei schneller Lastabnahme kann etwas Gas aus dem Kreislauf ausgeblasen werden. Bei Lastzunahme wird die Temperatur hinter der Brennkammer b erhöht, so daß die Aufladnurbine f mehr leistet, was eine Erhöhung des Druckpegels zur Folge hat. Bei schneller Lastzunähme kann die Aufladeturbogruppe schnell beschleunigt werden durch zeitweiliges öffnen der Leitung 1 und Schließen der Leitung k.
Wie B i 1 d 2 zeigt, kann die Leitung k hinter einer der Niederdruckstufen der Nutzleistungsturbine c angeschlossen werden, womit die Aufladeturbine f den Gasstrom mit höherer Temperatur und gewissem überdruck gegenüber dem Druck im Niederdruckteil des Kreislaufs erhält. Vor der Aufladeturbine f gibt es nun immer einen überdruck, so daß die Aufladeturbogruppe auch ohne einer Anfahrleitung 1 angefahren werden kann. Für eine schnelle Belastungserhöhung kann es vorteilhaft sein, die Leitung 1 vorzusehen. Die Leitung 1 kann je nach Gegebenheiten vor der Turbine c oder hinter einer der Hochdruckstufen der Turbine c angeschlossen werden.

Claims

Patentanspruch. Gasturbinenanlage mit aufgeladenem, teilgeschlossenem Kreislauf mit umnittelbarer Verbrennung im Arbeitsgasstrom, der eine Mischung aus Frischluft, umgewälzter Luft und Verbrennungsgasen enthält, mit mindestens einem Verdichter, mindestens einer Brennkammer, in welcher im Arbeitsgasstrom Brennstoff unmittelbar verbrannt wird, mindestens einer den oder die Verdichter treibenden und Nutzleistung abgebenden Turbine und mindestens einem Kühler, der nur von demjenigen Teil des Arbeitsgasstroms durchströmt wird, der durch den oder die Verdichter, die Brennkammer und die Nutzleistungsturbine strömt, wobei die Luft und ein Teil der Verbrennungsgase einen geschlossenen Kreislauf bilden, dessen Druckpegel vor dem Eintritt in den Verdichter über dem Umgebungsdruck liegt, sowie mit einer Aufladeturbogruppe, bestehend aus mindestens einem Aufladeverdichter, der die erforderliche Verbrennungsluft aus der Atmosphäre ansaugt und in den Niederdruckteil des Kreislaufs einspeist und auch dessen Druck-pegel aufrechterhält und dessen oder deren Leistungsbedarf von mindestens einer Aufladeturbine gedeckt wird, die, von dem vor dem Kühler abgezweigten Teil des Arbeitsgasstroms über eine absperrbare Leitun- von der Austrittsseite der Nutzleistungsturbine oder von einer der Niedrrdruckstufen der Nutzleistungsturbine gespeist wird und auf den Umgebungsdruck expandiert, dadurch gekennzeichnet, daß außer der ersten absperrbaren Leitung (k), welche die Austrittsseite der Nutzleistungsturbine (e) oder eine ihrer Niederdruckstufen mit der Aufladeturbine (f) verbindet, eine zweite absperrbare Leitung (4 vorhanden ist, die zwischen der Brennkammer (b) und der Nützleistungsturbine (c) oder an eine der Hochdruckstufen der Nutzleistungsturbine (c) angeschlossen ist und zur Eintrittsseite der Aufladeturbine (1) führt und daß, wie an sich bekannt, im Niederdruckteil des geschlossenen Kreislaufs zwischen dem Kühler (d) und dem Verdichter (a) eine mit der Umgebung in Verbindung stehende, absperrbare Luftansaugöffnung (i) sowie zwischen der Nutzleistungsturbine (c) und dem Kühler (d) eine in die Umgebung führende, absperrbare Abgasauslaßöffnung (i) angeordnet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1179 410, 1103 687; österreichische Patentschrift Nr. 188 556; französische Patentschrift Nr. 999 133; britische Patentschriften Nr. 651166, 649 639, 566337; USA.-Patentschrift Nr. 1621475; Zeitschrift »Brennstoff-Wärme#--Kraft (BWK)«, Bd. 6, 1954, H. 4; Zeitschrift des Vereins Deutscher Ingenieure, Bd. 85, 1941, H. 22; Zeitschrift »The Oil Engine and Gas Turbine«, Bd. 24, 1957, Nr. 281.