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Gasturbinenanlage Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage, bei
der die Turbine mit einem Übertragungsmedium beaufschlagt ist, welches seine Druckenergie
aus einem mit einem Arbeitsmedium in einem Behälter durchgeführten Verbrennungsprozeß
ohne Vermischung mit dem Arbeitsmittel erhält.
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Gasturbinenanlagen der oben umrissenen Art sind bereits bekannt. Diese
bekannten Anlagen weisen indessen mehrere Nachteile auf. Da sie in der Regel mit
Flüssigkeiten als Übertragungsmedium arbeiten, besteht die Gefahr von Korrosions-
und Hitzeschäden in der Beschaufelung der Turbine. Da die üblichen Gasturbinenanlagen
mit geschlossenem Kreislauf unter Verwendung eines Wärmeaustauschers arbeiten, ergibt
sich in thermodynamischer Hinsicht auch der Nachteil, daß der thermische Wirkungsgrad
bei diesen Anlagen absinken kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanlage
mit hohem thermischem Wirkungsgrad zu schaffen, bei der zur Vermeidung von Korrosions-
und Hitzeschäden in der Beschaufelung der Turbine diese nicht mit Brenngasen beaufschlagt
wird, sondern nur mit reiner Druckluft von niederer Temperatur.
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Die Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß das Übertragungsmedium gasförmig ist.
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Die Aufgabe wird also erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anlage
mit zwei getrennten Kreisläufen arbeitet. Beim ersten Kreislauf wird Luft komprimiert
und in einem Behälter mittels Verbrennung von eingeführtem Kraftstoff bei etwa konstantem
Druck erhitzt. Durch die damit verbundene Expansion der Verbrennungsgase wird Kaltluft
aus dem zweiten Kreislauf, welche sich gleichzeitig in demselben Behälter befindet,
adiabatisch komprimiert und kann dann zur Arbeitsleistung der Turbine zugeführt
werden. Durch besondere Maßnahmen wird hierbei eine Vermischung der beiden Arbeitsmedien
verhindert. Ferner arbeitet die Vorrichtung gemäß der Erfindung intermittierend,
d. h., der Arbeitsbehälter und seine angeschlossenen Nebenspeicher werden
abwechselnd gefüllt und entleert.
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Zweckmäßig ist der Behälter ein -vertikaler Zylinder, in dessen oberem
Bereich eine Wärmetauscherzone und eine Steuervorrichtung für die Zu- und Abführung
des am Wärmeumsetzungsprozeß teilnehmenden Arbeitsmediums angeordnet sind, während
im unteren Teil eine Steuervorrichtung für die Zu- und Ab-
führung des Übertragungsmediums
vorgesehen ist.
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Hiermit ergibt sich im wesentlichen der Vorteil, daß bei übersichtlicher
Konstruktion der Vorrichtung gemäß der Erfindung sowohl das Arbeitsmedium als auch
das Übertragungsmedium auf einfache Weise leicht steuerbar ist.
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Vorteilhaft wird das Übertragungsmedium in einem geschlossenen Kreislauf
geführt.
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Somit wird die in die Gasturbine einströmende Arbeitsluft ohne Aufwand
von mechanischer Arbeit verdichtet und ihr Volumen nicht mehr durch Erhitzung vergrößert,
sondern sofort durch eine entsprechende Wahl der Durchflußmenge bestimmt.
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In der Wärmetauscherzone und/oder im unteren Teil des Behälters ist
zweckmäßig ein rostähnliches Beruhigungsgitter angeordnet.
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Hieraus ergibt sich im wesentlichen der Vorteil, daß eine ruhige oder
laminare Strömung gewährleistet ist. Durch die richtige Wahl des Abstandes der einzelnen
den Rost bildenden Teile ist gewährleistet, daß die große Turbulenz der einströmenden
Luft ruhig wird und somit keine Mischung erfolgen kann.
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Vorteilhaft ist der obere Teil des Behälters über etwa ein Drittel
von dessen Gesamthöhe mit einer hitzebeständigen porösen Auskleidung derart versehen,
daß das Volumen des Innenraumes in diesem Teil vermindert wird.
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Dabei ist der obere Teil des Behälters zweckmäßig kegelstumpfförmig
ausgebildet.
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Der Behälter ist vorteilhaft mit einem Kühlmantel umgeben, und die
vom Kühlmantel aufgenommene Wärme wird in den Kreisprozeß zurückgeführt.
Hieraus
ergibt sich im wesentlichen der Vorteil, daß eine gesonderte Wärmequelle zur Erwärmung
der Arbeitsluft nicht erforderlich ist.
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Zweckmäßig ist bei der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung eine
Anzahl von Gasbehältern für das Arbeitsmedium vorgesehen, die mit dem Behälter einzeln
in Verbindung stehen und das Gas in unterschiedlichen Druckstufen aufnehmen bzw.
abgeben. Dabei sind die einzelnen Gasbehälter für das gasförmige Arbeitsmedium mit
nach innen ansteigendem Druck ineinander angeordnet.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung der
Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung.
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F i g. 1 zeigt schematisch die Anordnung einer Gasturbinenanlage
gemäß Erfindung; F i g. 2 zeigt schematisch eine aus der Vorrichtung gemäß
F i g. 1 abgewandelte Anordnung der Gasturbinenanlage.
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Ein als Behälter ausgebildeter vertikaler Zylinder V ist mit atmosphärischer
Luft gefüllt. In den einzelnen Behältern N, N,...N. sind kalte Verbrennungsgase
mit fortlaufend höheren Drücken Pl', PJ... P',' vorhanden. Durch das Öffnen der
Steuervorrichtung Oli strömt Über eine Wärmetauscherzone R eine bestimmte geringe
Menge von Verbrennungsgasen in den Zylinder V. Hierbei sinken der Druck der freigebenden
Menge und der Druck in dem betreffenden Behälter auf einen Wert P, <
p,'. Die Wärmetauscherzorie R besteht aus dünnen Blechen mit engen Spalten. In diesen
Spalten strömt das Gas laminar. Die Wärmeübertragung erfolgt durch die Wärmeführung
in einer dünnen Schicht aus Gas. Die Masse der Einrichtung R ist so groß, daß sich
ihre Temperatur während der Zufuhr und Abgabe von Wärme nicht merklich ändert. Der
obere Teil der Wärmetauscherzone R hat eine niedrige Temperatur, wogegen der untere
Teil eine sehr hohe Temperatur aufweist, z. B. 1200 bis 1300'C.
In der Wärmetauscherzone
R ist ein Beruhigungsgitter m vorgesehen, damit es im Zylinder V zu keiner wesentlichen
Mischung von heißem und kaltem Gas kommt. Die Menge der in den Zylinder gelangenden
Gase wird in der Wärmetauscherzone R bei gleichem Druckp, auf eine Temperatur erhitzt,
die um ein bestimmtes A t niedriger ist als die Temperatur
in dem unteren Bereich der Wärmetauscherzone. Die Verbrennungsgase im Zylinder V
erreichen ein Vielfaches ihres Volumens und drücken den ursprünglichen Inhalt des
Zylinders, nämlich die kalte Luft, auf ein kleineres Volumen und auf den gleichen
Druckp, zusammen. Sobald im Zylinder V ein Druckausgleich vorhanden ist, wird die
Steuervorrichtung 0,i geschlossen. Es wird die Steuervorrichtung
0,i geöffnet. Ein Teil des Mediums gelangt aus dem Behälter N,
über
die Wärmetauscherzone R in den Zylinder V. Die resultierenden Drücke im Behälter
N, und im Zylinder V betragen nach Erreichung des Gleichgewichts P,
< p2', pz < pl'. Die Kompression des bisherigen Inhalts
des Zylinders, nämlich der kalten Luft und des ersten Teiles der heißen Verbrennungsgase,
erfolgt wieder durch Anwachsen des Volumens des zweiten Teiles der Verbrennungsgase
wegen ihrer regenerativen Erwärmung auf Kosten des bisherigen Inhalts des Zylinders
V. Nach Erreichung eines Gleichgewichtes beim Druck p, im Zylinder V wird die Steuervorrichtung
Og geschlossen. Auf gleiche Weise verfährt man, nachdem nach Öffnen des Steuerorganes
07,1 in den Zylinder V ein Teil der Verbrennungsgase aus dem Behälter N" gelangt,
deren ursprünglicher Druckp"' dadurch auf den Wert pn > pn'-, sinkt.
Nach Erreichung eines Gleichgewichtszustandes im Zylinder beim Druckp,. wird das
Steuerorgan Oni geschlossen. Darauf wird das Verteilerorgan 01 geöffnet.
Aus dem VorratsbehälterA, gelangt eine bestimmte Luftmenge mit einem Druck
p > pn' über die Wärmetauscherzone R in den Zylinder V. Gleichzeitig
wird an der angedeuteten Stelle dem Zylinder V Brennstoff in einer solchen Menge
zugeführt, daß sich die regenerierte, erwärmte Luft durch die Verbrennung des Brennstoffes
auf eine noch höhere Temperatur, z. B. auf 1600'C, erhitzt. Es wird der bestehende
Zylinderinhalt auf ein kleineres Volumen bei einem Druck p zusammengedrückt.
In dem Augenblick, in welchem bei dem Druckp ein Druckgleichgewichtszustand in dem
Zylinder V erreicht wird, wird das Verteilerorgan OT, geöffnet. Kalte Druckluft
gelangt aus dem Zylinder V in den VorratsbehälterA,. Die Zufuhr der Druckluft aus
dem Vorratsbehälter A, über das Steuerorgan 01 und über die Wärmetauscherzone
R in den Zylinder V, desgleichen die Brennstoffzufuhr und die Verbrennung des Brennstoffes
bestehen weiterhin.
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Sobald sämtliche kalte Luft aus dem Zylinder V vertrieben ist, wird
gleichzeitig die Steuereinrichtung OT, 01 betätigt und die Brennstoffzufuhr
unterbrochen. Der Zylinder V bleibt dann mit heißen Verbrennungsprodukten mit einem
Druck p gefüllt. Darauf wird das Steuerteil 0", geöffnet. Über die
Wärmetauscherzone R gelangt eine Menge von Verbrennungsgasen in den Behälter
N., so daß der resultierende Druck in dem Zylinder V und in dem Behälter
p.' < p ist. Die Verbrennungsgase werden in der Wärmetauscherzone
R auf eine Temperatur abgekühlt, die um das erforderliche A t
höher ist als die Temperatur des äußeren (kalten) Teiles der Zone R. Gleichzeitig
wird in den Behälter N. eine solche Menge kalten Wassers eingespritzt, daß
die Behältertemperatur um 2,1 t herabgesetzt wird. Die Steuervorrichtung 0", wird
geschlossen. Auf diese Weise wird absatzweise immer ein Teil des Inhalts des Zylinders
V mit einem stufenweise sinkenden Druck freigegeben, bis der vorletzte Teil der
Verbrennungsgase über das Steuerteil 0" in den Behälter NI gebracht wird.
Hierbei sinkt der Druck im Zylinder V vom Wert p, auf den Wert p,'
> pl. Im Behälter N, sinkt der Druck vom Wertpl auf den Wertpl'. Hierauf
wird das Steuerglied 0", geschlossen. Das Steuerglied 0, wird geöffnet, wodurch
ein Teil der Verbrennungsgase aus dem Zylinder V in die Atmosphäre expandiert. Nach
Öffnen des Verteilerorgans OTi wird der Rest der drucklosen Verbrennungsgase über
das Steuerglied 0, in die Atmosphäre abgegeben. Über das Verteilerorgan OTi
gelangt frische, kalte atmosphärische Luft aus dem Vorratsbehälter A, in
den Zylinder V und nimmt schließlich wieder den ganzen Raum des Zylinders V ein.
Daraufhin werden gleichzeitig die Steuervorrichtungen OTi und 0, geschlossen.
Damit ist der Arbeitskreislauf beendet.
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Das Beruhigungsgitter m verhindert eine übermäßig große Wirbelung
der kalten Luft an der Eintrittsstelle des Zylinders V, so daß es zu keiner besonderen
Verrnischung der kalten Luft mit den heißen Verbrennungsgasen kommt. Da der Zylinder
V in Takten entsprechend einem Zweitakt-Kolbenmotor arbeitet, ist für einen ruhigen
Gang der Turbine, des Kompressors und des Ventilators eine Reihe vo.n
Zylindern
V an gemeinsame Vorratsbehälter A, A, A,
und an gemeinsame Behälter
Nl, N2 ... N. angeschlossen. Durch den gemeinsamen Ventilator Ve wird
ein Förderüberdruck für das Hineindrücken von Luft in die Zylinder V und zum Herausdrücken
der drucklosen Verbennungsgase aus diesen Zylindern erzeugt. Die Kompressorengruppe
K, K, mit dem Einspritzkühler CH, liefert Luft mit einem Druckp an
den Vorratsbehälter A, Die Luftturbine T verarbeitet die Druckluft aus dem
Vorratsbehälter A2.
Da aus der Turbine T Kalthift entweicht, kann sie zum
Kühlen der Mäntel der Zylinder V benutzt werden, die entsprechende Rippen aufweisen.
Eine derartige Kühlung eignet sich für niedrigere Arbeitsdrücke. In den Vorratsbehälter
A, wird Wasser eingespritzt, wodurch die Temperatur der Luft für die Wärmetauscherzone
R herabgesetzt wird. Gleichzeitig wird die Temperatur durch das Verdampfen des heißen
Mediums erhöht. Somit wird der Arbeitsverbrauch des Kompressors herabgesetzt und
der therrnische Wirkungsgrad des Arbeitszyklus erhöht.
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Ein anderes Beispiel eines erfindungsgemäßen Kreislaufs und einer
Anordnung gemäß der Erfindung ist in F i g. 2 gezeigt.
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Für die Turbine wird ein geschlossener Kreislauf verwendet, welcher
hohe Leistungen ermöglicht. Die in F i g. 2 gezeigte Anlage unterscheidet
sich von der ersten Ausführungsform dadurch, daß an den Vorratsbehälter
A, der außerdem zum Nachkühlen dient, die Luft aus dem Turbinenaustrittsende
geliefert wird, das ein höheres Druckniveau aufweist. Im Vorratsbehälter
A, ist die erforderliche Oberflächennachkühlung für die Luft vor ihrer Kompression
eingebaut. Das obere Drucknivea-a an der oberen Seite des Zylinders wird durch das
aus Kompressor und Turbine bestehende Maschinenaggregat erzeugt, welches hier aus
der Kompressorgruppe KI', K,', K,' mit den Einspritzkühlern CH,', CH,, CH,' und
der Turbine T' besteht. In diese Turbine gelangt die Auspuffmenge aus dem Zylinder
mit dem niedrigsten Druck, so daß es erforderlich ist, einen gemeinsamen Vorratsbehälter
A" zu verwenden. Außerdem werden die Zylindermäntel durch Wasser gekühlt.
Der Dampf aus dem Zylindermantel gelangt in den Vorratsbehälter A,
Es kann
eine ganze Reihe derartiger Anordnungen gemäß der Erfindung benutzt werden. Dies
gilt insbesondere für die Anordnung der Kompressoren und deren Kühlung, desgleichen
auch für die Kühlung der Zylindermäntel. Die Steuerung der Anlage kann mechanisch,
hydraulisch oder elektrisch erfolgen. Beispielsweise können die Verteilerorgane
durch Impulse von Druck- oder Wärmesonden beeinflußt werden. Die Behälter NI.
bis N. können vorteilhafterweise gleichachsig angeordnet sein, wobei
mit dem Behälter von kleinsten Druck begonnen wird undjeweils der Behälter mit einem
höheren Druck sich im Behälter mit einem um eine Stufe niedrigeren Druck befindet.
Die Kühlung der Verbrennungsgase in den Behältern kann auch eine Oberflächenkühlung
sein. Die Verteilerorgane können eine beliebige, für den vorliegenden Zweck geeignete
Bauart aufweisen.
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Ein wesentliches Merkmal jeder dieser erfindungsgemäßen Anordnungen
ist darin zu sehen, daß weder die Turbinerischaufeln noch mechanisch empfindliche
Teile (Verteilerorgane u. dgl.) hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Diesen hohen
Temperaturen ist lediglich das heiße Ende der Wärmetauscherzone unterworfen. Dieses
Ende wird jedoch mechanisch nicht beansprucht. Die Mäntel der Zylinder können leicht
und wirkungsvoll gekühlt werden. In größeren Anlagen und bei hohen Drücken kann
für den Zylinder ein durch Druckwasser gekühlter Doppelmantel benutzt werden. Auf
diese Weise wird der innere, heiße Zylinderteil wärmemäßig entlastet. Die erfindungsgemäße
Anordnung erlaubt die Verwendung ausreichend hoher Temperaturen im heißen Teil des
Kreislaufs, so daß der thermische Wirkungsgrad der Anordnung mindestens mit dem
von Dieselmotoren vergleichbar ist.