DE1265496C2 - Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

Int. Cl.

F02c

DeutscheKl.: 46 f- 6/01

Nummej·: 1 265 496

Aktenzeichen: P 284021 a/46 f Anmeldetag: Auslegetag: Ausgabetag:

8. Dezember 1961
4. April 1968
17. Oktober 1968

Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein

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.

Gasturbinenanlagen der oben umrissenen Art sind bereits bekannt. Diese bekannten Anlagen weisen indessen mehrere Nachteile auf. Da sie in der Regel mit Flüssigkeiten als Ubertragungsmedium 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.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanlage mit hohem thermischem Wirkungsgrad zu schaffen, bei der zur Ver- ao meldung von Korrosions- und Hitzeschäden in der Beschaufelung der Turbine diese nicht mit Brenngasen beaufschlagt wird, sondern nur mit reiner Druckluft von niederer Temperatur.

Die Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung ist as dadurch gekennzeichnet, daß das Ubertragungsmedium gasförmig ist.

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.

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 Abführung des Ubertragungsmediums vorgesehen ist.

Hiermit ergibt sich im wesentlichen der Vorteil, daß bei übersichtlicher Konstruktion der Vorrichtung

Gasturbinenanlage Patentiert für: Prvni brnenskä strojirna, Zävody Klementa Gottwalda, närodni podnik, Brünn (Tschechoslowakei)

Vertreter:

Dipl.-Ing. J. F. Wochinger, Patentanwalt,
8000 München 13, Tengstr. 39

Als Erfinder benannt:
Jaroslav Puncochäf, Brünn;
Michal Martinka,

Liptovsky Hrädok (Tschechoslowakei)

gemäß der Erfindung sowohl das Arbeitsmedium als auch das Ubertragungsmedium auf einfache Weise leicht steuerbar ist.

Vorteilhaft wird das Übertragungsmedium in einem geschlossenen Kreislauf geführt.

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.

In der Wärmetauscherzone und/oder im unteren Teil des Behälters ist zweckmäßig ein rostähnliches Beruhigungsgitter angeordnet.

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.

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.

Dabei ist der obere Teil des Behälters zweckmäßig kegelst umpfförmig ausgebildet.

Der Behälter ist vorteilhaft mit einem Kühlmantel umgeben, und die vom Kühlmantel aufgenommene Wärme wird in den Kreisprozeß zurückgeführt

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Hieraus ergibt sich im wesentlichen der Vorteil, brennungsgase aus dem Behälter N_n gelangt, deren daß eine gesonderte Wärmequelle zur Erwärmung der ursprünglicher Druck pü dadurch auf den Wert Arbeitsluft nicht erforderlich ist. p%>p_n'-₁ sinkt. Nach Erreichung eines Gleich-Zweckmäßig ist bei der Gasturbinenanlage gemäß gewichtszustandes im Zylinder beim Druck p„ wird der Erfindung eine Anzahl von Gasbehältern für das 5 das Steuerorgan O_nj geschlossen. Darauf wird das Arbeitsmedium vorgesehen, die mit dem Behälter Verteilerorgan O_i geöffnet. Aus dem Vorratsbehälter A₁ einzeln in Verbindung stehen und das Gas in unter- gelangt eine bestimmte Luftmenge mit einem Druck schiedlichen Druckstufen aufnehmen bzw. abgeben. ρ > p_n' über die Wärmetauscherzone R in den Dabei sind die einzelnen Gasbehälter für das gas- Zylinder V. Gleichzeitig wird an der angedeuteten förmige Arbeitsmedium mit nach innen ansteigendem io Stelle dem Zylinder V Brennstoff in einer solchen Druck ineinander angeordnet. Menge zugeführt, daß sich die regenerierte, erwärmte Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Luft durch die Verbrennung des Brennstoffes auf eine Erläuterung der Erfindung an zwei Ausführungs- noch höhere Temperatur, z. B. auf 1600° C, erhitzt, beispielen an Hand der Zeichnung. Es wird der bestehende Zylinderinhalt auf ein kleineres F i g. 1 zeigt schematisch die Anordnung einer 15 Volumen bei einem Druck ρ zusammengedrückt. In Gasturbinenanlage gemäß Erfindung; dem Augenblick, in welchem bei dem Druck/* ein F i g. 2 zeigt schematisch eine aus der Vorrichtung Druckgleichgewichtszustand in dem Zylinder V ergemäß F i g. 1 abgewandelte Anordnung der Gas- reicht wird, wird das Verteilerorgan Ore geöffnet, turbinenanlage. Kalte Druckluft gelangt aus dem Zylinder V in den Ein als Behälter ausgebildeter vertikaler Zylinder V ao Vorratsbehälter A_v Die Zufuhr der Druckluft aus ist mit atmosphärischer Luft gefüllt. In den einzelnen dem Vorratsbehälter A₁ über das Steuerorgan 0< und Behältern N₁, N_t... N_n sind kalte Verbrennungs- über die Wärmetauscherzone R in den Zylinder V, gase mit fortlaufend höheren Drücken P₁', P_t ... P_n' desgleichen die Brennstoffzufuhr und die Verbrennung vorhanden. Durch das öffnen der Steuervorrichtung O₁I des Brennstoffes bestehen weiterhin,
strömt über eine Wärmetauscherzone R eine bestimmte as Sobald sämtliche kalte Luft aus dem Zylinder V geringe Menge von Verbrennungsgasen in den Zylin- vertrieben ist, wird gleichzeitig die Steuereinrichtung der V. Hierbei sinken der Druck der freigebenden Ore, 0% betätigt und die Brennstoffzufuhr unterMenge und der Druck in dem betreffenden Behälter brechen. Der Zylinder V bleibt dann mit heißen auf einen Wert P₁<Pi'. Die Wärmetauscherzone Λ Verbrennungsprodukten mit einem Druck ρ gefüllt, besteht aus dünnen Blechen mit engen Spalten. In 30 Darauf wird das Steuerteil O_ne geöffnet. Uber die diesen Spalten strömt das Gas laminar. Die Wärme- Wärmetauscherzone R gelangt eine Menge von Verübertragung erfolgt durch die Wärmeführung in einer brennungsgasen in den Behälter N_n, so daß der resuldünnen Schicht aus Gas. Die Masse der Einrichtung R tierende Druck in dem Zylinder V und in dem Beist so groß, daß sich ihre Temperatur während der hälter p_n' < P ist. Die Verbrennungsgase werden in Zufuhr und Abgabe von Wärme nicht merklich ändert. 35 der Wärmetauscherzone R auf eine Temperatur abge-Der obere Teil der Wärmetauscherzone R hat eine kühlt, die um das erforderliche Δ t höher ist als die niedrige Temperatur, wogegen der untere Teil eine Temperatur des äußeren (kalten) Teiles der Zone R. sehr hohe Temperatur aufweist, z. B. 1200 bis 1300°C Gleichzeitig wird in den Behälter eine solche In der Wärmetauscherzone R ist ein Beruhigungs- Menge kalten Wassers eingespritzt, daß die Behältergitter m vorgesehen, damit es im Zylinder Vzu keiner 40 temperatur um 2/1/ herabgesetzt wird. Die Steuerwesentlichen Mischung von heißem und kaltem Gas vorrichtung O_ne wird geschlossen. Auf diese Weise kommt. Die Menge der in den Zylinder gelangenden wird absatzweise immer ein Teil des Inhalts des Zylin-Gase wird in der Wärmetauscherzone R bei gleichem ders V mit einem stufenweise sinkenden Druck freiDruck P₁ auf eine Temperatur erhitzt, die um ein gegeben, bis der vorletzte Teil der Verbrennungsgase bestimmtes Λ t niedriger ist als die Temperatur in dem 45 über das Steuerteil 0,« in den Behälter JV₁ gebracht unteren Bereich der Wärmetauscherzone. Die Ver- wird. Hierbei sinkt der Druck im Zylinder V vom brennungsgase im Zylinder V erreichen ein Vielfaches Wert p_t auf den Wert P₁ > p_x. Jm Behälter W₁ sinkt ihres Volumens und drücken den ursprünglichen der Druck vom Wertp₁ auf den Wertp₁'. Hierauf Inhalt des Zylinders, nämlich die kalte Luft, auf ein wird das Steuerglied O₁,. geschlossen. Das Steuerkleineres Volumen und auf den gleichen Druck P₁ 50 glied O_e wird geöffnet, wodurch ein Teil der Verzusammen. Sobald im Zylinder V ein Druckausgleich brennungsgase aus dem Zylinder V in die Atmosphäre vorhanden ist, wird die Steuervorrichtung O₁I ge- expandiert. Nach öffnen des Verteilerorgans Οτι wird schlossen. Es wird die Steuervorrichtung O^ geöffnet. der Rest der drucklosen Verbrennungsgase über das Ein Teil des Mediums gelangt aus dem Behälter N_t Steuerglied O_e in die Atmosphäre abgegeben. Über über die Wärmetauscherzone R in den Zylinder V. 55 das Verteilerorgan On gelangt frische, kalte atmo-Die resultierenden Drücke im Behälter N_t und im sphärische Luft aus dem Vorratsbehälter A₃ in den Zylinder V betragen nach Erreichung des Gleich- Zylinder V und nimmt schließlich wieder den ganzen gewichts P_s < p_t, p_t < P₁'. Die Kompression des Raum des Zylinders V ein. Daraufhin werden gleichbisherigen Inhalts des Zylinders, nämlich der kalten zeitig die Steuervorrichtungen On und O_e geschlossen. Luft und des ersten Teiles der heißen Verbrennungs- 60 Damit ist der Arbeitskreislauf beendet,
gase, erfolgt wieder durch Anwachsen des Volumens Das Beruhigungsgitter m verhindert eine überdes zweiten Teiles der Verbrennungsgase wegen ihrer mäßig große Wirbelung der kalten Luft an der Einregenerativen Erwärmung auf Kosten des bisherigen trittssteile des Zylinders V, so daß es zu keiner beInhalts des Zylinders V. Nach Erreichung eines sonderen Vermischung der kalten Luft mit den heißen Gleichgewichtes beim Druck p_t im Zylinder V wird 65 Verbrennungsgasen kommt. Da der Zylinder V in die Steuervorrichtung O* geschlossen. Auf gleiche Takten entsprechend einem Zweitakt-Kolbenmotor Weise verfährt man, nachdem nach öffnen des Steuer- arbeitet, ist für einen ruhigen Gang der Turbine, des organes O_n< in den Zylinder V ein Teil der Ver- Kompressors und des Ventilators eine Reihe von

Claims (3)

1 Zylindern Kan gemeinsame Vorratsbehälter A1, As, A3 und an gemeinsame Behälter N1, Ni... Nn 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 K1, Ki mit dem Einspritzkühler CH1 liefert Luft mit einem Druck ρ an den Vorratsbehälter A1. Die Luftturbine T verarbeitet die Druckluft aus dem Vorratsbehälter At. Da aus der Turbine T Kaltluft 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 A1 wird Wasser einge- spritzt, 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 ao thermische Wirkungsgrad des Arbeitszyklus erhöht. Ein anderes Beispiel eines erfindungsgemäßen Kreislaufs und einer Anordnung gemäß der Erfindung ist in F i g. 2 gezeigt. Für die Turbine wird ein geschlossener Kreislauf as verwendet, welcher hohe Leistungen ermöglicht. Die in F i g. 2 gezeigte Anlage unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, daß an den Vorratsbehälter A3, der außerdem zum Nachkühlen dient, die Luft aus dem Turbinenaustrittsende geliefert wird, das ein höheres Druckniveau aufweist. Im Vorratsbehälter Aa ist die erforderliche Oberflächennachkühlung für die Luft vor ihrer Kompression eingebaut. Das obere Druckniveau an der oberen Seite des Zylinders wird durch das aus Kompressor und Turbine bestehende Maschinenaggregat erzeugt, welches hier aus der Kompressorgruppe K1', Kt', K3' mit den Einspritzkühlern CH1', CHt, CH3' und der Turbine T besteht. In diese Turbine gelangt die AuspufTmenge aus dem Zylinder mit dem niedrigsten Druck, so daß es erforderlich ist, einen gemeinsamen Vorratsbehälter At zu verwenden. Außerdem werden die Zylindermäntel durch Wasser gekühlt. Der Dampf aus dem Zylindermantel gelangt in den Vorratsbehälter A1. 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 N1 bis Nn können vorteilhafterweise gleichachsig angeordnet sein, wobei mit dem Behälter von kleinsten Druck begonnen wird und jeweils 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. Ein wesentliches Merkmal jeder dieser erfindungsgemäßen Anordnungen ist darin zu sehen, daß weder die Turbinenschaufeln noch mechanisch empfindliche Teile (Verteilerorgane u. dgl.) hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Diesen hohen Temperaturen ist lediglich das heiße Ende der Wärmetauscherzone 496 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. Patentansprüche:

1. Gasturbinenanlage, bei der die Turbine mit einem Ubertragungsmedium beaufschlagt ist, welches seine Druckenergie aus einem mit einem Arbeitsmedium in einem Behälter durchgeführten Verbrennungsprozeß ohne Vermischung mit dem Arbeitsmittel erhält, dadurch gekennzeichnet, daß das Ubertragungsmedium gasförmig ist.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter ein vertikaler Zylinder (V) ist, in dessen oberem Bereich eine Wärmetauscherzone (R) und eine Steuervorrichtung (O_v, O_ie, Ot, O_nt) für die Zu- und Abführung des am Wärmeumsetzungsprozeß teilnehmenden Arbeitsmediums angeordnet sind, während im unteren Teil eine Steuervorrichtung für die Zu- und Abführung des Ubertragungsmediums vorgesehen ist.

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ubertragungsmedium in einem geschlossenen Kreislauf geführt ist.

4. Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wärmetauscherzone (R) und/oder im unteren Teil des Behälters ein rostähnliches Beruhigungsgitter (m) angeordnet ist.

5. Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil des Behälters über etwa ein Drittel von dessen Gesamthöhe mit einer hitzebeständigen porösen Auskleidung derart versehen ist, daß das Volumen des Innenraumes in diesem Teil vermindert wird.

6. Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil des Behälters (V) keeelstumofförmig ausgebildet ist.

7. Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (V) mit einem Kühlmantel umgeben ist und die vom Kühlmantel aufgenommene Wärme in den Kreisprozeß zurückgeführt wird.

8. Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anzahl von Gasbehältern (N₁, N_t... N_u) für das Arbeitsmedium, die mit dem Behälter (V) einzeln in Verbindung stehen und das Gas in unterschiedlichen Druckstufen aufnehmen bzw. abgeben.

9. Gasturbinenanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasbehälter (N₁, N_t... N_u) für das gasförmige Arbeitsmedium mit nach innen ansteigendem Druck ineinander angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 1 078 373, 986 328, 046, 349 563;
deutsche Auslegeschriften Nr. 1 123 186, 1 045 732; Buch von J. K r u s c h i k : »Die Gasturbine«,

2. Auflage, Springer-Verlag, Wien, 1960, S. 20 bis 23 und 508 bis 564;

Buch von Sir Harold Roxbee Cox: »Gas Turbine Principles and Practice«, Georges Newnes Ltd., London, 1955, S. 2 bis 48.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 537/138 3. U O Bucdeadruckerci Berlin