DE19736901A1 - Vorrichtung zur Energiegewinnung mittels einer Strömungsmaschine - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Energiegewinnung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Für die Energiegewinnung werden Strömungsmaschinen eingesetzt, von denen in der Kategorie der Wärmekraftmaschine die Gasturbine ein weitverbreitetes ener­ gieumwandelndes Aggregat darstellt. Gasturbinen werden mit flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen betrieben. Ein typischer Rekuperator-Gasturbinenaufbau weist einen Luftverdichter auf, auch Turbokompressor genannt, der Frischluft an­ saugt, die typischerweise auf einen Druck von 4 bis 8 bar verdichtet und, bei be­ stimmten Schaltungen, in einen Wärmetauscher gedrückt wird, in dem sie, vorzugs­ weise, durch noch heiße, der Turbine entströmenden Verbrennungsgase vorge­ wärmt wird. Bei Anlagen ohne Rekuperator beträgt der Druck am Ende des Verdich­ ters typischerweise 12-30 bar. Schließlich gelangt die vorgewärmte und komprimierte Zuluft gemeinsam mit Brennstoffen in eine Brennkammer, wobei Heiß- bzw. Ver­ brennungsgase größer 1200°C entstehen. Diese Verbrennungsgase strömen mit großer Geschwindigkeit in die Turbine und treiben diese an, die für gewöhnlich mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt ist.

Eine Vielzahl von Anstrengungen werden unternommen, den Betrieb von Gasturbi­ nen hinsichtlich ihrer Leistungsdichte und ihren Wirkungsgrades zu verbessern. Der Wirkungsgrad einer Gasturbine hängt grundsätzlich vom Verhältnis des Energieein­ trages in die Gasturbine zu der durch die Gasturbine umgesetzten Energie ab, die mittels eines Generators in elektrische Energie umwandelbar ist. So gilt es, den Energieanteil, der theoretisch von den Verbrennungsgasen der Gasturbine zur Ver­ fügung gestellt wird, aber nicht in elektrische Energie umgewandelt wird, zu reduzie­ ren.

Ein großer Teil der Verluste einer Gasturbine hängt mit den relativ hohen Tempera­ turen zum Turbinenaustritt zusammen. Damit die in der Brennkammer zugeführte Wärme zu einem möglichst hohen Prozentsatz von der Turbine in mechanische Lei­ stung umgesetzt werden kann, muß das Druckverhältnis der Gasturbine möglichst groß gewählt werden. Allerdings haben hohe Druckverhältnisse den Nachteil, daß die komprimierte Luft sehr heiß wird. Dies hat zur Folge, daß bei einer festgelegten Turbinenaustrittstemperatur mit zunehmendem Druckverhältnis immer weniger Wärme pro Kilogramm Luft in die Brennkammer eingeleitet werden kann. Außerdem entfällt die Möglichkeit einer Luftvorwärmung, weil die Lufttemperatur nach dem Verdichter bei hohem Druckverhältnis größer wird als die Abgastemperatur nach der Turbine.

Eine weitere wichtige Verlustquelle bei Gasturbinen hängt damit zusammen, daß ca. 2/3 der mechanischen Leistung der Turbine zum Antrieb des Verdichters aufge­ wendet werden müssen. Weil Turbine und Verdichter Komponentenwirkungsgrade aufweisen, die kleiner als 1 sind, führt die Leistungsabgabe der Turbine zu dem Verdichter zu einem Produktwirkungsgrad, der dem Produkt der Komponentenwir­ kungsgrade entspricht, und deshalb deutlich geringer ist als die Komponentenwir­ kungsgrade.

Die erwähnten Gründen führen zu einem Kompromiß. Die höchste Leistungsdichte einer Gasturbine wird bei niedrigem Druckverhältnis als der höchste Wirkungsgrad erreicht. In der Regel wird das Druckverhältnis der Gasturbine deshalb so gewählt, daß ein optimaler Kompromiß zwischen Leistung und Wirkungsgrad erzielt wird.

Neben der Verbesserung der obengenannten Gesichtspunkte bezüglich der Lei­ stungsdichte und des Wirkungsgrades von Gasturbinen, spielt auch die thermische Belastbarkeit der einzelnen Komponenten, die für den Betrieb von Gasturbinen er­ forderlich sind, für die Konzeption und Auslegung derartige Anlagen eine zuneh­ mend bedeutende Rolle. Nicht zuletzt aus Wettbewerbsgründen gilt es Gasturbinen­ anlagen nicht zu aufwendig und demzufolge zu kostspielig zu gestalten aber ande­ rerseits langlebige und hochqualitative Produkte anzubieten.

So bestehen beispielsweise konventionelle Verdichterstufen jeweils aus einem, mit Lauf- und Leitschaufeln bestückten Rotor und Stator durch die die durch die Ver­ dichterstufe hindurchströmende Luft durch die Kompression von Umgebungstempe­ ratur auf bis zu über 500°C erwärmt wird. Derartig hohe Temperaturen strapazieren die verwendeten Materialien in der Verdichterstufe erheblich, wodurch die Lebens­ dauer der einzelnen beteiligten Komponenten nachhaltig beeinträchtigt werden, so daß aufwendige und umfangreiche Kühlmaßnahmen zu treffen sind, um die Wi­ derstandsfähigkeit der Materialien im Verdichterbereich gegenüber dem Auftreten von hohen Temperaturen zu steigern. Weil außerdem die Kühlluft sehr heiß ist, wird die Kühlung schwierig und verbraucht sehr viel Kühlluft.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Energiegewinnung mittels einer Strömungsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart auszugestalten, daß die Leistungsdichte und der Wirkungsgrad sowie die Lebens­ dauer der Komponenten der Strömungsmaschine, insbesondere ihrer thermisch be­ lasteten Komponenten, gesteigert werden sollen.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 ange­ geben. Den Erfindungsgedanken vorteilhafte ausgestaltende Merkmale sind Ge­ genstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Energiegewinnung mittels einer Strö­ mungsmaschine, vorzugsweise einer Gasturbine, zu deren Antrieb eine Verdichter­ anordnung zur Verdichtung eines komprimierbaren Mediums, vorzugsweise Luft, vorgesehen ist, das über ein Zuleitungssystem der Strömungsmaschine direkt oder nach Zwischenschaltung einer Brennkammer, in der das komprimierte Medium unter Zusatz von Brennstoff entzündbar ist, zuführbar ist, derart ausgebildet, daß die Verdichteranordnung wenigstens eine Verdichterstufe vorsieht, in der das Medium isotherm komprimierbar ist.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, Luft im Rahmen einer isothermen Kompression, in der die Luft vergleichbar hoch verdichtet werden kann, wie es auch im Falle konventioneller Luftverdichterstufen möglich ist, jedoch ohne auf hohe Kompressi­ onstemperaturen zu gelangen, in einen vorverdichteten Zustand überzuführen, so daß diese im Extremfall unter Vermeidung eines konventionellen Teilluftverdichters und somit Fortfall der Notwendigkeit des Antriebes des Luftverdichters durch die Gasturbine, direkt für den Antrieb der Gasturbine zur Verfügung steht.

Der entscheidende Vorteil isothermer Verdichtung liegt darin, daß die maximal mög­ liche Wärmezufuhr mit zunehmendem Druckverhältnis nicht abnimmt. Damit bleibt die Leistungsdichte auch bei großem Druckverhältnis hoch. Außerdem ist Rekupe­ ration immer möglich.

Ferner besteht der entscheidende Vorteil eines offenen mit externem Isothermver­ dichter betriebenen Zyklus darin, daß keine Produktwirkungsgrade auftreten.

Ferner ist es erfindungsgemäß möglich, isotherm vorkomprimierte Luft einer kon­ ventionellen Hochdruckvorverdichterstufe zuzuleiten, durch die die Luftdichte auf einen festgelegten Sollwert erhöht wird. Auf diese Weise wird die Temperatur der hochverdichteten Luft nach passieren der hochverdichtenden Verdichtereinheit von üblicherweise 555°C auf unter 300°C reduziert. Das niedrige Temperaturniveau der hochverdichteten Luft innerhalb der Verdichtereinheit trägt insbesondere dazu bei, daß jegliche in der Verdichtereinheit vorhandenen Komponenten, wie beispielswei­ se Laufschaufeln am Rotor sowie Leitschaufeln am Stator, geringeren Temperatur­ belastungen ausgesetzt sind, so daß auf Kühlmaßnahmen vollständig oder zumin­ dest teilweise verzichtet werden kann, wodurch die Anordnung einfacher in der Wartung und kostengünstiger wird. Außerdem kann der Kühlluftverbrauch des Ro­ tors und der Turbine wegen der niedrigen Lufttemperatur sehr stark abgesenkt wer­ den, was Leistungsdichte und Wirkungsgrad der Anlage stark erhöht.

Schließlich bietet eine Gasturbine mit der erfindungsgemäßen vorgeschalteten iso­ thermen Kompression verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Nutzung der Ab­ wärme der aus der Gasturbine austretenden Abgase, zumal, wie vorstehend darge­ legt, das Temperaturniveau der hochverdichteten Luft nach Austritt aus einer der isothermen Kompression nachgeschalteten Hochdruckvorverdichterstufe geringer ist, als bei Verdichtern konventioneller Gasturbinenanlagen und daher ein besserer Wärmeübergang zwischen einem Wärmetauscher, in dem die Abgase der Gasturbi­ ne rückgeführt werden (Rekuperator) und der hochverdichteten Luft stattfindet.

Ein Nachschalten einer hochverdichtenden Verdichterstufe nach der isothermen Kompression erfordert zwar wiederum einen kinematischen Antrieb durch die Turbi­ ne, wodurch der vorstehend beschriebene Leistungsverlust der Gasturbine entsteht, doch ist dieser Energieanteil nun erheblich reduziert gegenüber der ausschließli­ chen Vorverdichtung mittels konventioneller Verdichterstufen. Zudem tragen die niedrigeren Temperaturen der hochverdichteten Zuluft nach Austritt aus der hoch­ verdichtenden Verdichterstufe zu einem besseren Wärmeübergang beim Rekupera­ tor bei, was sich positiv auf eine Reduktion der Abgasemissionswerte auswirkt.

Die erfindungsgemäße isotherme Vorkompression von Luft vor Eintritt in eine Gasturbine oder in eine vor der Gasturbine vorgeschaltete Hochdruck- Verdichterstufe erfolgt in besonders vorteilhafter Weise unter Ausnutzung der Gravi­ tation entlang einer Gefällstrecke, entlang der ein Luft-Wasser-Gemisch durch einen geeignet ausgebildeten Strömungskanal fällt, wobei die Luft im Wege hydraulischer Kompression eine isotherme Verdichtung erfährt.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Kombination aus isothermer Vorverdichtung und einer energieerzeugenden Strömungsmaschine, vorzugsweise einer Gasturbine, eignet sich besonders an orographisch hochgelegenen Wasservorkommen, wie bei­ spielsweise Bergseen, aus denen Wasser für eine hydraulische Kompression ent­ nommen werden kann.

Hierzu ist ein vorzugsweise senkrecht verlaufender Strömungskanal vorgesehen, der einen oberen Einlaß- und einen unteren Austrittsbereich aufweist, wobei der Durchmesser des Strömungskanals im Bereich des Einlasses größer ist als der Durchmesser im Bereich des Austrittsbereiches. Im Einlaßbereich des Strömungs­ kanals ist eine, das Wasser zerstäubende Düsenanordnung, angeordnet, welche in großer Menge eine möglichst große Vielzahl kleinster Wassertropfen erzeugen soll. Ebenso ist bei der Wasserzerstäubung im Einlaßbereich des Strömungskanals dar­ auf zu achten, daß das zerstäubte Wasser mit einem möglichst großen Luftvolumen vermischt werden soll. Das auf diese Weise erzeugte Luft-Wasser-Gemisch fällt auf­ grund der Eigenschwere durch das Gravitationsfeld durch den Strömungskanal, des­ sen Innenkontur derart ausgebildet ist, daß der Bereich nahe dem Einlaßbereich eine weitgehend gleichbleibende Querschnittsfläche entlang der vertikalen Erstrec­ kung des Strömungskanals aufweist, so daß sich die Geschwindigkeiten der Luft­ strömung und der fallenden Tropfenwolke möglichst rasch durch Impulsübertragung angleichen. Sobald das Luft-Wasser-Gemisch eine bestimmte Fallgeschwindigkeit von ca. 6 bis 12 m/s erreicht hat, verkleinert sich der Querschnitt des Strömungska­ nals in Fallrichtung, so daß der relative Geschwindigkeitsunterschied zwischen Tropfenwolke und Luft etwa konstant bleibt.

Ohne Bremsung würde die Tropfenwolke mit der Gravitationsbeschleunigung nach unten beschleunigt. Die Geschwindigkeit v würde sich rasch nach der Formel

v = √2g (x+x₀) (1)

erhöhen, wobei g die Gravitationsbeschleunigung bezeichnet und x die nach unten gerichtete Koordinate sei. x_o ist eine Konstante, die etwa dem Startpunkt der freien Fallbewegung entspricht. Würde auch die Luft dem freien Fall folgen, dann müßte die Querschnittsfläche des Kompressionsschachtes nach dem Gesetz der Volumen­ erhaltung,

folgen, wobei A_o die Querschnittsfläche am Anfang des Fallschachtes und A die Querschnittsfläche an einer beliebigen Stelle bezeichnen.

Nun wird der Querschnitt des Fallschachtes erfindungsgemäß etwas langsamer verengt als nach (2). Der Verlauf der Verengung wird gerade so gewählt, daß die Bremswirkung der Luft auf die Tropfenwolke zu einer konstanten relativen Ge­ schwindigkeitsdifferenz zwischen Tropfenwolke und Luft führt.

Die Wirkungsgradeinbuße der Energieübertragung von der Tropfenwolke auf die Luft entspricht direkt der relativen Geschwindigkeitsdifferenz. Deshalb darf die Bremsung nur so stark sein, daß die relative Geschwindigkeitsdifferenz, d. h. v-Tropfen weniger v-Luft dividiert durch v-Tropfen genügend klein bleibt. Die Tropfen­ bremsung führt dann zu einer isothermen Kompression der Luft.

Durch die Strömungsquerschnittsverringerung erfährt die zwischen den Wassertrop­ fen eingeschlossene Luft nach der Gesetzmäßigkeit von Bernoulli eine Druckerhö­ hung, die einer isothermen Kompression entspricht. Schließlich gelangt das isotherm komprimierte Luft-Wasser-Gemisch durch die Auslaßöffnung des Strömungskanals in ein unmittelbar an der Auslaßöffnung vorgesehenes Auffangbecken bzw. Hoch­ druckkammer, in der sich das Wasser von der komprimierten Luft abscheidet. Der Abscheidevorgang ist vergleichbar mit dem Auftreten großer Luftblasen, die im Be­ reich eines in Wasser eintauchenden Wasserfalls entstehen.

Zudem kann die Strömungsdynamik des Luft-Wasser-Gemisches, die durch den Strömungskanal fällt, mit der Dynamik auftretender Staub- oder Trockenschneelawi­ nen verglichen werden. Insbesondere bei Staub- bzw. Schneelawinen, die aus trocke­ nem Schnee bestehen und somit eine große Menge an Luft einschließen, kön­ nen je nach Hanglage Vorwärtsgeschwindigkeiten von über 400 km/h aufweisen. Übertragen auf den in Rede stehenden Strömungskanal und die damit erreichbare isotherme Kompression bedeutet dies, daß für eine besonders effiziente Kompression ein möglichst stark mit Luft angereichertes Luft-Wasser-Gemisch mittels der Wasser-Zerstäubungseinrichtung zu erzeugen ist, so daß eine möglichst große Vielzahl kleinster Wassertropfen gebildet werden.

Die in der Hochdruckkammer isotherm vorverdichtete Luft ist über einen entspre­ chenden Auslaßkanal mit der Strömungsmaschine direkt verbunden, falls der Ver­ dichtungsgrad der Luft genügend hoch ist. Andernfalls ist der Auslaßkanal mit einer Hochdruckvorverdichterstufe verbunden, mittels der die Luft auf einen gewünschten Wert vorverdichtet werden kann.

Der vorstehend geschilderte Fall nutzt insbesondere das natürliche Gefälle einer Orographie beispielsweise von Bergseen aus, wodurch Ressourcen geschont wer­ den ohne Minderung der Leistung einer Strömungsmaschine.

Um die Vorteile der isothermen Kompression auch an Orten zu nutzen, an denen keine durch die Orographie vorgegebene natürliche Gefällstrecken vorhanden sind, ist das Luft-Wasser-Gemisch in den vorstehend geschilderten Strömungskanal auch mittels Rotationsmaschinen oder mittels Hochdruckstrahl-Anordnungen mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten einleitbar, so daß grundsätzlich das Erzielen der iso­ thermen Kompression mit dem Strömungskanal unabhängig von orographischen Bedingungen möglich ist. Derartige Lösungen erfordern jedoch einen zusätzlichen Energieeintrag, der jedoch im Gesamtwirkungsgrad beim Betrieb einer Gasturbine mit zu berücksichtigen ist.

Es hat sich gezeigt, daß unter Nutzung der vorstehend beschriebenen isothermen Kompression die Netto-Ausgangsleistung von Gasturbinen um mehr als den Faktor 2 gesteigert werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsge­ dankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnun­ gen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Prinzipdarstellung eines Blasenkompressors zur Erläuterung der isothermen Kompression,

Fig. 2 Anordnung zur thermodynamischen Kompression mit Strömungskanal,

Fig. 3 Anordnung wie Fig. 2 und zusätzlicher Teilrückführung des Wassers sowie

Fig. 4a, b, c Anordnungsvarianten für eine mit isothermer Kompression betreibbare Strömungsmaschine.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Das der isothermen Kompression zugrundeliegende Prinzip ist aus der Fig. 1 zu ent­ nehmen. Ein oberes Wasserreservoir 1 ist mit einem Strömungskanal 2 verbunden, in den, im gezeigten Beispiel, zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Wasser­ paketen 3, 3' Lufteinschlüsse 4, 4' vorgesehen sind, die im Gravitationsfeld der Erd­ beschleunigung g unterliegen und sich im Strömungskanal 2, der senkrecht ange­ ordnet ist, nach unten bewegen. Das Gewicht des Wassers führt zu einer isothermen Verdichtung der eingeschlossenen Luftpakete. Diese gelangen dann in verdichteter Form in eine Hochdruckkammer 5, die im unteren Bereich des Strömungskanals 2 vorgesehen ist. Im gezeigten Beispiel gelangt das durch die Erdbeschleunigung g beschleunigte Wasser in ein Auffangbecken 6, in dem das Wasser zur Ruhe kommt.

Theoretische und praktische Untersuchungen zeigen, daß die Wirkungsweise der isothermen Kompression gesteigert werden kann, wenn ein bestimmtes Luftvolumen mit möglichst viel Wasseroberfläche in Kontakt kommt. Dies setzt voraus, daß das in den Strömungskanal einzuleitende Wasser in möglichst kleine Tropfen zu zer­ stäuben ist, um auf diese Weise ein fein verteiltes Luft-Wasser-Gemisch zu erzeu­ gen. Das durch den Strömungskanal 2 hindurchtretende Luft-Wasser-Gemisch führt zu einem erheblichen Druckanstieg in der Hochdruckkammer 5, die einen Auslaß­ kanal 7 vorsieht, durch den die isotherm vorverdichtete Luft gezielt abgeführt wird und beispielsweise unmittelbar der Brennkammer, die einer Gasturbine vorgeschal­ tet ist, zur Verfügung gestellt werden kann.

In Fig. 2 ist eine vorteilhafte Ausführungsform zur isothermen Kompression eines Luft-Wasser-Gemisches dargestellt, das die potentielle Energie eines hochgelege­ nen Wasserreservoirs 1 nutzt. Die in Fig. 2 dargestellte Querschnittsdarstellung zeigt eine Wasserzerstäubungseinrichtung 8, die das Wasser des oberen Wasserreser­ voirs 1 in feinste Wassertröpfchen unter Beimengung von Luft zerstäubt. Das in dem Einlaßbereich des Strömungskanals 2 erzeugte Luft-Wasser-Gemisch unterliegt dem Gravitationsfeld und fällt zunächst im freien Fall senkrecht im Strömungskanal 2 nach unten. Der Strömungskanal 2 verjüngt sich mit zunehmender Falltiefe in der Weise, daß die relative Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Tropfenwolke und Luft genügend klein und etwa konstant bleibt. Die Auslaßöffnung des Strömungskanals 2 ist mit einer Hochdruckkammer 5 verbunden, in der das Wasser von der verdichte­ ten Luft getrennt wird. Die verdichtete Luft wird aus der Hochdruckkammer 5 über einen Auslaßkanal 7 abgeführt und kann an eine Hochdruck-Verdichterstufe einer Gasturbine zugeführt werden. Das sich in der Hochdruckkammer 5 ansammelnde Wasser wird über einen unteren Auslaßkanal 9 aus der Hochdruckkammer 5 aus­ geschleust, wobei eine Wasserkraftturbine 10, vorzugsweise eine Pelton-Turbine, die im unteren Auslaßkanal 9 vorgesehen ist, angetrieben wird.

Je nach Leistungsdichte der mit der isotherm vorkomprimierten Luft versorgbaren Gasturbine sind die Fallstrecken sowie die Innenkontur des Strömungskanals 2 ge­ eignet zu dimensionieren. Bei den derzeit bekannten, leistungsstarken Gasturbinen sind typische Falltiefen des Strömungskanals zwischen 30 und 100 m vorzusehen. Bei Anlagen ohne nachgeschaltetem Adiabatverdichter werden größere Fallhöhen vorgesehen. Bei der Luft-Wasser-Gemischbildung sind für einen effizienten Betrieb etwa 0,1 bis 0,5 m³ Wasser pro kg Luft in kleinste Wassertröpfchen zu zerstäuben. Je mehr Wasser zerstäubt wird, um so niedriger kann die Fallstrecke innerhalb des Strömungskanals ausgebildet sein. Typische Werte für den Durchmesser des oberen Einlaßbereiches des Strömungskanals betragen in Abhängigkeit der Gasturbine et­ wa 2 bis 7 m. Der untere Durchmesser im Auslaßbereich des Strömungskanals hin­ gegen beträgt typischerweise 0,7 bis 2 m.

Eine weitere typische Ausführungsform zur isothermen Kompression ist in Fig. 3 dargestellt. Das durch den trichterförmig ausgebildeten Strömungskanal 2 hindurch­ fallende Luft-Wasser-Gemisch, das mit Hilfe der Wasserzerstäubungseinrichtung 8 erzeugbar ist, gelangt in isothermisch komprimierter Form in die Hochdruckkammer 5, in der sich die Luft vom Wasser abscheidet. Über einen entsprechenden Auslaß­ kanal 7 wird die komprimierte Luft nach außen abgeführt. Die durch die Hochdruck­ kammer 5 durchfließenden Wassermengen werden in einem anschließenden, nach oben ansteigenden Kanal 11 in ein oberes Auffangbecken 6 geführt. Auf diese Wei­ se wird die kinetische Energie des Wassers wenigstens teilweise in potentielle Energie zurückgewandelt. In dem oberen Auffangbecken 6 ist eine Rückführpumpe 12 vorgesehen, mittels der das in dem Auffangbecken 6 befindliche Wasser in das obere Wasserreservoir 1 zurückgeführt werden kann. Mit Hilfe dieser Anordnung ist es möglich, auch in orographisch ungünstigen Orten die thermische Kompression durchzuführen, indem lediglich der Strömungskanal 2 in den Boden eingebracht werden muß.

Die auf die vorstehend beschriebene Weise isotherm komprimierte Luft kann in un­ terschiedlicher Weise einer Strömungsmaschine zur Verfügung gestellt werden.

Aus Fig. 4 sind unterschiedliche Ausführungsformen zum Betrieb einer Strömungs­ maschine für den Energiegewinn dargestellt.

In Fig. 4a wird die isotherm vorkomprimierte Luft aus dem isothermen Kompressor 13 direkt der Brennkammer 14 einer Gasturbine 15 zugeführt. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist ein Rekuperator 16 vorgesehen, der die Abwärme der Abgase 17 der Gasturbine 15 der isotherm vorverdichteten Luft zur Verfügung stellt. Zur Gewinnung elektrischer Energie ist ein Generator 18 vorgesehen, der mit der Gasturbine 15 über eine Welle verbunden ist.

In Fig. 4b ist der isothermische Kompressor 13 mit einer Hochdruck-Verdichterstufe 19 verbunden, die die isotherm vorkomprimierte Luft auf einen höheren Verdich­ tungsgrad weiter verdichtet. Dem Hochdruck-Vorverdichter 19 ist die Brennkammer 14, die Turbine 15 sowie der an sich bekannte Generator 19 nachgeschaltet.

Als weitere Variante zeigt Fig. 4c einen isothermischen Kompressor 13, der mit ei­ nem Hochdruck-Vorverdichter 19 verbunden ist, dessen hochverdichtete Zuluft einer Hochdruckbrennkammer 20 zugeführt wird, die eine Hochdruckturbine 21 antreibt. In einer zweiten Stufe ist der Hochdruckturbine 21 eine Niederdruckbrennkammer 22 nachgeschaltet, deren Heißgase in eine Niederdruckturbine 23 eingeleitet werden. Die gesamte Anordnung treibt über eine Welle einen Generator zur Erzeugung elek­ trischer Energie an.

Im Falle der Ausführungsformen 4b und 4c treibt zwar die Gasturbine kinematisch eine Vorverdichterstufe an, wodurch ein gewisser Teil der Nennleistung der Gastur­ bine verlorengeht, doch ist durch die erfindungsgemäße isothermische Vorkompres­ sion ein erheblicher Anteil der für die Komprimierung aufzuwendenden Energie zu gewinnen.

Bezugszeichenliste

1

Oberes Wasserreservoir

2

Strömungskanal

3

,

3

' . . . Wasserpaket

4

,

4

' . . . Luftpaket

5

Hochdruckkammer

6

Auffangbecken

7

Auslaßkanal

8

Wasserzerstäubungseinrichtung

9

Unterer Auslaßkanal

10

Wasserkraftturbine

11

Kanal

12

Rückführpumpe

13

Isothermischer Kompressor

14

Brennkammer

15

Gasturbine

16

Rekuperator/Wärmetauscher

17

Abgase der Gasturbine

18

Generator

19

Hochdruck-Vorverdichter

20

Hochdruck-Brennkammer

21

Hochdruck-Turbine

22

Niederdruck-Brennkammer

23

Niederdruck-Turbine

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Energiegewinnung mittels einer Strömungsmaschine, zu de­ ren Antrieb eine Verdichteranordnung zur Verdichtung eines komprimierbaren Mediums, vorzugsweise Luft, vorgesehen ist, das über ein Zuleitungssystem der Strömungsmaschine direkt oder nach Zwischenschaltung einer Brenn­ kammer, in der das komprimierte Medium unter Zusatz von Brennstoff ent­ zündbar ist, zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichteranord­ nung wenigstens eine Verdichterstufe vorsieht, in der das Medium isotherm komprimierbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichter­ stufe einen Strömungskanal (2) aufweist, mit einem Einlaß- und einem Aus­ trittsbereich, wobei der Durchmesser des Einlaßbereiches größer als der des Austrittsbereiches ist, daß der Austrittsbereich mit einer Kammer (5) ver­ bunden ist, die wenigstens zwei Auslaßkanäle (7, 9) vorsieht, einen oberen und einen unteren Auslaßkanal.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wasser- Zerstäubungseinrichtung (8) im Einlaßbereich vorgesehen ist, die die zu kom­ primierende Luft mit zerstäubten Wassertropfen vermischt, so daß ein Was­ ser-Luft-Gemisch entsteht, das durch den Strömungskanal (2) leitbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasser- Zerstäubungseinrichtung wenigstens eine Einspritzdüse aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (2) einen ersten Bereich mit in etwa gleichbleibenden Durchmesser aufweist, der sich in einem zweiten Bereich hin zur Austrittsöff­ nung derart verjüngt, daß die relative Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den zerstäubten Wassertropfen und der Luft annähernd konstant bleibt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser-Luft-Gemisch in die Kammer eintritt, in der sich das Wasser von der komprimierten Luft trennt, die durch den oberen Auslaßkanal der Strö­ mungsmaschine zuführbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Auslaßkanal eine Wasserkraftmaschine zur Energiegewinnung vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Auslaßkanal derart nach oben geführt ist, daß die Druckenergie des Wassers in potentielle Energie umwandelbar ist und ein oberes Sammel­ becken mit Wasser füllt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (2) ein Gefälle aufweist, durch den das Wasser-Luft- Gemisch vermittels Gravitation fällt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß am Einlaßbereich des Strömungskanals eine antreibbare Rotationseinheit vorgesehen ist, durch die das komprimierbare Medium beschleunigbar und durch den Strömungskanal leitbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Einlaßbereich des Strömungskanal ein Hochdruckflüssigkeitsstrahl vor­ gesehen ist, dessen Austrittsstrahl mit Luft vermischbar ist, so daß ein Was­ ser-Luft-Gemisch entsteht, das in den Strömungskanal einleitbar ist.

12. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an orographisch geeigneten Stellen, an denen die poten­ tielle Energie eines hoch gelegenen Wasservorkommens mit einer Gefäll­ strecke genutzt werden kann, entlang der Strömungskanal verläuft.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmaschine eine Gasturbine ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die isotherm verdichtete Luft einem hochverdichtenden Vorverdichter zuführbar ist, der mit einer Brennkammer verbunden ist, aus der die in der Brennkammer entste­ henden Heißgase der Gasturbine zuführbar sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die isotherm verdichtete Luft direkt in die Brennkammer einleitbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die isotherm verdichtete Luft vor Eintritt in die Brennkammer thermisch an einen Wärme­ tauscher, der von der Abwärme der Abgase der Gasturbine thermisch ge­ speist wird, gekoppelt ist.