DE19940575A1

DE19940575A1 - Gasturbinenanordnung zur Energiegewinnung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen

Info

Publication number: DE19940575A1
Application number: DE1999140575
Authority: DE
Inventors: Hans Wettstein
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1999-08-26
Filing date: 1999-08-26
Publication date: 2001-03-01

Abstract

Beschrieben wird eine Gasturbinenanordnung zur Energiegewinnung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen, mit einer Luftverdichtereinheit, die Luft isotherm komprimiert, wenigstens einer Brennkammer, in der die komprimierte Luft zusammen mit einem Brennstoff in Form eines Luft-Brennstoff-Gemisches zur Zündung gebracht wird und wenigstens einer Turbinenstufe, in die die bei der Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemisches entstehenden Heißgase eingeleitet werden, die die Turbinenstufe im Wege einer Expansion antreiben. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß wenigstens eine Wärmetauschereinheit vorgesehen ist, in die die nach Durchtritt durch die Turbinenstufe expandierten Heißgase eingeleitet werden, deren Abwärme wenigstens teilweise durch die Wärmetauschereinheit vor Eintritt in die Brennkammer an die isotherm komprimierte Luft übertragbar ist.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanordnung zur Energiegewinnung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen, mit einer Luftverdichtereinheit, die Luft isotherm komprimiert, wenigstens einer Brennkammer, in der die komprimierte Luft zusammen mit einem Brennstoff in Form eines Luft-Brennstoff-Gemisches zur Zündung gebracht wird und wenigstens einer Turbinenstufe, in die, die bei der Ver brennung des Luft-Brennstoff-Gemisches entstehenden Heißgase eingeleitet wer den, die die Turbinenstufe im Wege einer Expansion antreiben.

Stand der Technik

Gasturbinen sind Kernkomponente für Wärmekraftprozesse mit hohem thermischem Wirkungsgrad. Zur Steigerung des Wirkungsrades derartiger Anlagen sind Lösungen bekannt, die die bei Gasturbinen anfallende Abwärme, die in Form heißer Verbren nungsabgase meist ungenutzt durch einen Kamin in die Atmosphäre gelangen, in technisch nutzbare Energie umzusetzen. Speziell im Kraftwerksbereich haben sich Anlagen mit sogenannten Abhitzekessel zur Nutzung der von der Gasturbine stam menden Abwärme durchgesetzt. So wird die Abwärme in einem, der Gasturbine nachgeschalteten Wasser-Dampf Prozess, in dem eine Dampfturbine integriert ist genutzt. Derartige Kraftwerke werden Kombikraftwerke oder auch GUD (Gas und Dampf) genannt.

Typische Eintrittstemperaturen bei Gasturbine, d. h. die Temperatur mit der das ge zündete Luft-Brennstoff-Gemisch als Heißgase in die Turbinenstufe der Gasturbine eintreten, liegen in der Grössenordnung von 1300°C. Nach Durchtritt der Heißgase durch die Turbinenstufe werden diese entspannt und kühlen auf Temperaturen von ca. 600°C. Ebendiesen Wärmegehalt, den die aus der Turbinenstufe austretenden Verbrennungsabgase besitzen vermögen Kombikraftwerke im Rahmen eines der Gasturbinenstufe nachgeschalteten Dampfkreislauf noch zusätzlich zu nutzen.

Es sind darüber hinaus Gasturbinenanordnungen bekannt, die die vorstehend ge nannten Eintrittstemperaturen von ca. 1300°C zwei mal erreichen. Hierbei sind eine erste Brennkammer und eine erste Hochdruckturbine sowie eine zweite Brennkammer und eine Niederdruckturbine hintereinander geschaltet, was im allge meinen ein relativ hohes Verdichterdruckverhältnis erfordert. Entsprechend hoch ist denn den Verbrennungsabgasen enthaltene Wärmegehalt, der höchst effektiv mit einer nachgeschalteten Dampfturbine genutzt werden kann.

Eine weitere Möglichkeit den Wirkungsgrad von Gasturbinenanlagen zu verbessern ist die Kühlung heißer Anlagenkomponenten der Gasturbine mit einem geschlosse nen Dampfkühlsystem, welches die abgeführte Kühlwärme einem Dampfkreislauf zuführt. Zum einen können durch eine wirkungsvolle Kühlung thermisch stark bela steter Bauteile die Prozeßtemperaturen erhöht werden, was einen unmittelbaren po sitiven Einfluß auf die Leistungsabgabe sowie auf den Wirkungsgrad der Gasturbi nenanlage hat, zum anderen kann die abgeführte hohe Kühlwärme, wie bereits vor stehend erwähnt genutzt werden.

Kombikraftwerke ohne die erwähnten Verbesserungsmaßnahme erreichen nach heutiger Technologie einen thermischen Wirkungsgrad, der bei etwa 55% liegt. Mit den erwähnten Verbesserungen sind 58% erreichbar und 60% denkbar.

Eine weitere Prozessverbesserung, die vor allem auf die Steigerung der Leistungs dichte einer Gasturbinenanordnung abzielt, ist der Ersatz eines herkömmlichen und vielerorts eingesetzten Adiabatkompressors durch einen Isothermkompressor.

So wird in der US-Druckschrift US 4 797 563 zur Energiegewinnung vorgeschlagen, eine Gasturbine mit isotherm vorverdichteter Luft zu versorgen, die entlang einer Gefällstrecke, die als horizontaler Fallschacht ausgebildet ist, als Flüssigkeit-Luft- Gemisch mittels Erdanziehungskraft beschleunigt und in einer sich am unteren Ende des Fallschachtes anschließenden Druckkammer komprimiert wird, wo sich die Luft von der Flüssigkeit wieder separiert. Die auf diese Weise komprimierte Luft wird nachfolgend der Brennkammer einer Gasturbine zugeführt, innerhalb der die auf niedrigem Temperaturniveau befindliche hochverdichtete Luft mit Brennstoff ver mengt und zur Zündung gebracht wird. Hauptvorteil der isothermen Kompression ist zum einen der Wegfall konventioneller Verdichterstufen, die von der Gasturbine an getrieben werden und auf diese Weise eine Wirkungsgradeinbuße der gesamten Gasturbinenanlage bedeuten, zum anderen vermag die auf relativ niedrigem Tempe raturniveau befindliche vorverdichtete Luft die mit dieser in thermischen Kontakt tre tenden Anlagenkomponenten erheblich kleinere thermische Belastungen, wodurch geringere Anforderungen an die einzelnen Anlagenkomponenten gestellt werden müssen.

Zwar ist der Einsatz derartiger Isothermkompressoren theoretisch bekannt, aber Isothermkompressören kommen grosstechnisch noch nicht zum Einsatz, da derartige Kompressoren mit dem nötigen Wirkungsgrad und für die erforderlichen Luftmassen durchsätze von über 800 kg/sec bislang nicht gebaut werden konnten.

Ungeachtet der konstruktiven Schwierigkeiten, die wie vorstehend besprochen einer einfachen Optimierung von Gasturbinenanlagen entgegenstehen, sind in diesem Zu sammenhang noch weitere Verlustmechanismen zu nennen, die bei der Aufgabe einer optimierten Auslegung von Gasturbinenanlagen zu berücksichtigen und zu überwinden sind.

So treten immanente Reibungsverluste in den Massen- bzw. Prozeßströmungen in nerhalb der Gasturbinen auf, besonders in Bereichen der Beschaufelungen aber auch durch Druckverluste in Leitungen, Brennkammern etc. (Dissipation). Diese Verluste sind zum Teil zwar durch aerodynamische Formgebung beeinflußbar, aber z. B. zum gleichmässigen Mischen von Brennstoff und Luft auch beabsichtigt.

Eine andere Kategorie von Verlustmechanismus sind Wärmeübertragungs- und Mischverluste. Bei dieser Verlustart fließt Wärme (oder chemische Stoffe) von einem hohen zu einem tiefen Temperaturniveau bzw. Konzentrationsniveau, oh ne daß das Gefälle von Temperatur oder Konzentration für die Gewinnung nutzbarer Energie ausgenutzt wird. Die dominierenden Verluste im Gasturbinen-Kombiprozess entstehen bei der Wärmeaufnahme während des Verbrennungsprozesses sowie bei der Übertragung der Abgaswärme an den nachgeschalteten Wasser-Dampf Prozess.

Im Verbrennungsprozess können zwar Temperaturen von über 2000°C erreicht wer den, an den Gasturbinen-Prozess wird jedoch typischerweise nur eine thermodyna misch wirksame Temperatur von maximal 1300°C übertragen. Die verhältnismäßig nur geringe thermodynamisch wirksame Temperatur von maximal 1300°C ist durch die Werkstoffe und die derzeit bekannte Kühlungstechnologie begrenzt.

Die Übertragung von Abgaswärme an den Wasser-Dampfprozess erzwingt inhärent nicht nutzbare Temperaturdifferenzen weil das Wasser bei konstanter Temperatur verdampft, während sich das Abgas bei gleitender Temperatur abkühlt. Mit Mehr druck- und/oder Reheatsystemen wird dieser Nachteil jedoch nur teilweise kompen siert.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Gasturbinenanordnung unter Nutzung der isothermen Kompression von Luft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 un ter Maßgabe der Steigerung der Leistungsdichte und des Systemwirkungsgrades zu optimieren und weitgehen die zum Stand der Technik geschilderten Nachteile zu vermeiden. Insbesondere soll es möglich sein, ohne den Einsatz eines der Gasturbi nenanordnung nachgeschalteten Dampfkreislauf die von der Gasturbine abgegebene Wärmemenge weitgehen in technisch nutzbare Energie umzuwandeln, mit einem möglichst geringen konstruktiven und finanziellen Aufwand. Ferner soll ein Verfahren zum Betrieb einer Gastrubinenanordnung unter Maßgabe der vorstehend angeführ ten Aufgabenziele angegeben werden.

Die Lösung der Aufgabe ist Gegenstand des Anspruchs 1. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist im Anspruch 14 beschrieben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft aus bildende Merkmale sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den Fi guren zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist eine Gasturbinenanordnung zur Energiegewinnung mit einer Luftverdichtereinheit, die Luft isotherm komprimiert, wenigstens einer Brennkammer, in der die komprimierte Luft zusammen mit einem Brennstoff in Form eines Luft- Brennstoff-Gemisches zur Zündung gebracht wird und wenigstens einer Turbinen stufe, in die, die bei der Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemisches entstehenden Heißgase eingeleitet werden, die die Turbinenstufe im Wege einer Expansion antrei ben, dadurch ausgebildet, daß wenigstens eine Wärmetauschereinheit, ein soge nannter Rekuperator vorgesehen ist, in die, die nach Durchtritt durch die Turbinen stufe expandierten Heißgase eingeleitet werden, deren Abwärme wenigstens teilwei se durch die Wärmetauschereinheit vor Eintritt in die Brennkammer an die isotherm komprimierte Luft übertragbar ist.

Bei der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage weist die isotherm verdichtete Luft ein Temperaturniveau auf, das nur knapp über der Umgebungstemperatur liegt, bspw. im Bereich von 5°C und 100°C. Im Rekuperator tritt die isotherm kompri mierte Luft im Gegenstromprinzip in thermischen Kontakt mit den aus der Turbinen stufe austretenden Verbrennungsabgasen, so daß die komprimierte Luft auf einen Wert knapp unter der Turbinenaustrittstemperatur von ca. 600°C erhitzt wird. Die Verbrennungswärme innerhalb der Brennkammer muß diesem Stoffstrom erst ab dieser Temperatur zugeführt werden, wodurch der Verlust beider Wärmeaufnahme deutlich reduziert wird. Eine klassische Gasturbine mit Adiabatverdichter würde diese Bedingung erst bei einem unüblich hohem Druckverhältnis von etwa 40 erfüllen.

Zudem passen die Wärmekapazitäten von Abgas und Rekuperationsluft inhärent gut zusammen, was einem idealen Gegenstromwärmeaustauscher zugute kommt, zumal der thermische Wärmeübergang zwischen zwei Stoffströmen stattfindet, die, abge sehen von einem geringen Zusatz von Brennstoff von etwa 2-3% in den Verbren nungsgasen, weitgehend gleich ausgebildet sind.

Ein besonders großer Vorteil bei der Verwendung von Isothermkompressoren ist ihr unabhängiger Einsatz von der Gasturbine, wodurch hohe Druckverhältnisse erreicht werden können. Auf diese Weise können mehr als eine Reheatstufe, d. h. mehrere Rekuperatoren, betrieben werde und die Leistungsdichte erheblich gesteigert wer den, bis zu 900 KJ/Kg.

Gasturbinenanordnungen der vorgeschlagenen Art sind weniger komplex als be kannte Kombianlagen, da sie weder Dampfturbine noch Kondensator benötigen. Die technisch nutzbare Leistung wird an einer einzigen Welle erzeugt und kann direkt auf einen Generator übertragen werden.

Neben dem bekannten Prinzip des Fallschachtes (siehe US 4 797 563), durch den ein Luft-Wasser-Gemisch, bedingt durch das Gravitationsfeld beschleunigt und durch die düsenartig ausgebildete Kontur des Fallschachtes komprimiert wird, sind auch alternative lsothermkompressoren denkbar.

So kann mit Hilfe einer Wasserpumpe, der eine Wasser-Zerstäubungseinrichtung im Massenstrom nachgeschaltet ist, ein sich mit hoher Geschwindigkeit ausbreitendes Luft-Wasser-Gemisch gebildet werden, das in einen Verdichtereinheit gezielt einge speist wird.

Zum gleichen isothermen Kompressionsergebnis gelangt man durch Verwendung eines Zentrifugalbeschleunigers, in dem axial Wasser oder Wasser-Luftgemische zugeführt werden, das durch entsprechende Mitnehmer dem Zentrifugalfeld ausge setzt wird, durch dessen beschleunigende Wirkung das Wasser zerstäubt bzw. die Tropfen oder Blasengrösse beibehält und in einer Vorzugsrichtung den Beschleuni ger verläßt, in der eine entsprechende Verdichtereinheit vorgesehen ist.

Schließlich ist es auch möglich Luft mit einer konventionellen Kompressorbeschau felung zu verdichten, wodurch die Luft jedoch im Wege der Kompression einer übli chen Erwärmung unterliegt. Um eine weitgehende Isothermie während der Kompres sion zu gewährleisten, ist es erforderlich die Luft entsprechend abzukühlen, was mit Zwischenkühlungen erreicht werden kann.

Kurze Beschreibung der Erfindung

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

Fig. 1 Schematische Darstellung einer Gasturbinenanordnung mit isothermer Kompression und nachgeschaltetem Rekuperator und

Fig. 2 Isothermkompressor nach dem Fliehkraftprinzip.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Eine kompakt ausgeführte Gasturbinenanlage mit isothermen Injektorverdichter mit einer Brennkammer weist einen Luft- und einem Wasser-Kreislauf auf. (siehe Fig. 1).

Der Wasserkreislauf wird von einer Pumpe 1 betrieben, welche in Fig. 1 über ein Verzweigungsgetriebe 12 direkt angetrieben ist, das ebenso mit dem Generator 11 gekoppelt ist. Das durch die Pumpe 1 mit hohem Druck, z. B. 80 bar, beaufschlagte Wasser wird nachfolgend einem Injektor 2 zugeführt, der die Umgebungsluft regel recht mitreißt und auf ca. 18 bar komprimiert. In einem dem Massenstrom folgend und dem Injektor 2 nachgeordnet ist ein Luftabscheider 3 vorgesehen, in dem Luft und Wasser voneinander getrennt werden. Das Wasser strömt über einen Kühler 4 zurück zur Pumpe 1, womit der Wasserkreis geschlossen ist. Da der Wasserkreis normalerweise aus der Luft je nach deren relativen Feuchte zusätzliches auskonden siertes Wasser und auch Schmutz aufnimmt, muß der Sumpf des Luftabscheiders mit einer Niveauregelung und einer Aufbereitung (z. B. Filter in Haupt- oder Neben strom) ausgestattet sein. Das kondensierte Wasser kann bspw. in ariden Gebieten genutzt werden.

Der Luftkreis ist naturgemäß offen ausgebildet. Atmosphärische Luft wird vom Injek tor 2 durch ein Filter angesaugt und auf 18 bar nahezu isotherm komprimiert. Wegen der inhärenten Wärmeabgabe der Luft beim Kompressionsvorgang steigt deren Temperatur zusammen mit derjenigen des Wassers leicht an - in der Regel etwas mehr als 1°C, aber um so mehr, je weniger Umlaufwasser verwendet wird. Das Umlaufwasser innerhalb des geschlossenen Wasserkreislaufs weist eine Temperatur knapp über der Umgebungstemperatur auf, von beispielsweise 15°C, damit der Wasserkühler effektiv betrieben werden kann.

Im Beispiel erfolgt die Isothermverdichtung vereinfacht bei 25°C. Im Massenfluß nach dem Luftabscheider 3 wird die komprimierte Luft durch den Rekuperator 8 und an schließend der Brennkammer 5 zugeführt, in der Luft der Brennstoff zugemischt wird und nachfolgend das Luft-Brennstoff-Gemisch gezündet und verbrannt wird. Aus der Brennkammer 5 strömen die Heißgase durch die Turbine 6 in den Diffuser 7 und durch den Rekuperator 8 in den Kamin 9. Aus dem Rekuperator 8 wird an zusätzli chen Anzapfstellen Luft geeigneter Temperatur entnommen und in Kühlkanälen 10 den zu kühlenden heißen Teilen der Brennkammer oder der Turbinenbaugruppe zu geführt. Nach Erfüllung der Kühlfunktion wird sie stromab der gekühlten Komponente dem Rauchgas zugemischt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Gasturbinenanlage wird der Generator 11 über das Verzweigungsgetriebe 12 direkt angetrieben. Bei größeren Anlagen (im 200 . . . 300 MW-Bereich) drehen die Turbinen mit einer Netzfrequenz von 60 oder 50 Hz. In die sen Fällen würde der Generator direkt mit der Turbine gekoppelt und die Wasser pumpe über ein Getriebe oder eine unabhängige Antriebsquelle angetrieben sein.

Gasturbinenanlagen der in Fig. 1 dargestellten Anordnung erreichen mit Kompo nenten auf dem heutigen Stand der Technik einen Wirkungsgrad von 63% und eine Leistungsdichte von 580 KJ/kg.

Der Pumpenantrieb kann auch bei kleinen Anlagen elektrisch oder mit einer anderen Antriebsmaschine erfolgen. Es ist auch möglich, die Anlage im Verbund mit einem Wasserkraftwerk zu betreiben, indem das Druckwasser aus einem höhergelegenen Speicher kommt und nach dem Luftabscheider entweder durch eine Wasserturbine entspannt wird oder in einen weniger hoch als der erstgenannte gelegenen Speicher zurückfließt.

Auch ist es möglich erdgasgefeuerten Gasturbinenanlagen mehrstufig aufzubauen bspw. mit drei Brennkammern. An diesem Beispiel einer dreistufigen Gasturbinen anlage können folgende Überlegungen angestellt werden. Das Druckverhältnis eines Isothermverdichters kann auf 80 erhöht werden, wobei die beiden ersten Turbinenstufen jeweils einstufig mit einem Druckverhältnis von je 2 ausgelegt sind. Innerhalb des Rekuperators sowie der ersten Brennkammer treten Druckabfälle auf, die bei ca. 8% liegen, für die beiden weiteren Brennkammern kann mit einem Druckabfall mit je 4% gerechnet werden. Für die Turbinen sind polytrope Wirkungsgrade von 75, 80 und 85% angenommen sowie ISO Misch- Eintrittstemperaturen von 1100, 1200 und 1300°C.

Dieser Prozess erreicht einen Wirkungsgrad von 63.8% und eine Leistungsdichte von bereits 850 KJ/kg. Würde man die Eintrittstemperaturen auf "High End Werte" von 1200, 1275, 1350°C steigern, so würden 65% und über 900 KJ/kg erreicht. Bei einer derart konzipierten Anlage können die Turbinen auf ein und derselben Welle angeordnet sein. Es ist aber auch möglich, eine oder beide einstufigen Hoch druckturbinen auf einer schneller drehenden Welle über ein Getriebe einzukoppeln, da sie im Vergleich zur dritten Turbine einen kleinen Volumenstrom zu verarbeiten haben. Im Bereich der oben genannten "High End Werte" nähert man sich der Gren ze, bei der aller Luftsauerstoff in den Brennkammern verbraucht wird.

Mit der Anzahl der Brennkammern, bzw. Reheatstufen, erhöht man vor allem die Lei stungsdichte, wobei aber der Verbrauch allen Luftsauerstoffs eine natürliche Grenze darstellt. Die Kühlluftversorgung von Verbrauchern mit einem niedrigerem Druck als dem Maximalen stellt ein weiteres Verbesserungspotential dar. Diese Kühlluft kann mit dem Hauptluftstrom auf die Rekuperatorendtemperatur gebracht werden und dann auf das erforderliche Druckniveau in einer Entspannungsturbine entspannt werden. Man kann dadurch zusätzlich an Leistung und an Wirkungsgrad gewinnen.

Ferner kann die Kühlluft auf Zwischendruckwerte innerhalb einer Turbine entspannt werden. Auch bietet sich an die Kühlluft vor der Entspannung noch höher zu erhit zen.

Auch die Brennstoffvorwärmung ist ein Mittel, den Wirkungsgrad zu steigern. Optimal wäre es, bis zur Rekuperatorendtemperatur vorzuwärmen. Man kann damit auch noch die "Selbstgängigkeit" (Selbstzündfähigkeit) der Zwischenbrennkammern gün stig beeinflussen, indem beispielsweise eine etwas tiefere Lufteintrittstemperatur ver kraftbar wird.

Mit Wassereinspritzung in den Rekuperator, in die Überströmleitungen oder in die Brennkammer(n) läßt sich vor allem die Leistungsdichte enorm steigern.

Derartige Konzepte sind vor allem für Spitzenlasterzeugung interessant. Mit einer relativ kleinen Wassereinspritzung läßt sich auch die Kaminaustrittstemperatur noch etwas reduzieren und so die Abgasenergie optimal nutzen.

In Fig. 2 ist ein derartiger Isothermkompressor dargestellt, dessen Druckerzeugung im Gegensatz zu den Lösungen mit Fallschacht oder Injektor direkt vom Fliehkraft feld herrührt. Hierzu weist der Kompressor ein Gehäuse 13 auf, an dessen Unter seite ein Motorantrieb mit Motorantriebsrichtung 14 vorgesehen ist, der Kompressor rotoren 15, von denen lediglich einer in der Fig. 2 dargestellt ist, antreibt. Die Kom pressorrotoren 15 sind als radiale Schaufeln ausgebildet und rotieren im unteren Be reich im Inneren des Gehäuses 13 um die Drehachse A des Motorenantriebes. Fer ner ist im Inneren des Kompressorgehäuses 13 ein stationär oder mitrotierend ange brachter Umlenkkörper vorgesehen, der zusammen mit dem Kompressorrotor 15 eine Druckluftleitung 17 einschliesst.

Koaxial zur Rotorachse A ist ein Luftansaugtrichter 18 angebracht, durch den Luft während des Betriebes des Isothermkompressors angesaugt wird. Die in das Innere des Gehäuses 13 eintretende Luft wird im Gemischbildungsbereich 24, in dem leichter Unterdruck vorherrscht, mit Wasser aus der Wasserzuführung 23' vermischt, so dass ein Luft-Wasser-Gemisch in Art eines Blasengemisches in das Innere des Kompressors gelangt und von den Kompressorrotoren 15 mitgerissen und radial nach Aussen in Richtung der Gehäusewand 13' beschleunigt wird. An der senk rechten Gehäusewand 13' bildet sich ein Wasserfilm; von diesem scheidet sich komprimierte Luft ab. Der Wasserfilm wandert entlang der Gehäusewand 13' durch einen Dosierspalt 19 für den Rückfluss des ausgegasten Wasserfilmes, der zwischen der Gehäusewand und dem Umlenkkörper 16 eingeschlossen ist, in den Wasser rück- und -abführungskanal 23, in dem ein Teil des Wassers einem erneuten Misch vorgang zur Verfügung steht. Kondensiertes Überschusswasser gelangt über einen Kanal 21 und über einen Wasserrück- und -abführungskanal 23 über eine Wasser aufbereitung 25 entweder in den Überschusswasserbehälter 20 von wo die benötigte Wassermenge über eine Wasserzuführung 23' erneut in den Wasserkreislauf einge bracht wird.

Die isotherm komprimierte Luft 22 strömt im Strömungskanal 21 zurück ins Zentrum des Kompressors und gelangt über eine mitrotierende Druckluftleitung 17 gezielt in einen nicht näher dargestellten Rekuperator und nachfolgend wird diese Luft in eine Brepnkammer eingebracht. Die Druckluftleitung 17 ist über eine rotierende Dichtung zum Luftansaugbereich des Kompressors abgegrenzt.

Der in Fig. 2 dargestellte Kompressortyp erfordert zudem keine hohen Strömungs geschwindikeiten und keine besonders feine Zerstäubung des Wassers, da das Luft- Wasser-Gemisch auf kleinem Radius oder mittig aufgenommen wird und durch radial nach aussen geführte Strömung verdichtet, auf dem grössten Durchmesser die Luft vom Wasser trennt und separat auf kleinere Radien zurückführt.

Weitere wichtige Merkmale der erfindungsgemässen Gasturbinenanlage sind:

a) Der Austritt der komprimierten Luft im Zentrum der Luftverdichtungsanordnung mit einem Dichtungselement bekannter Konstruktion zwischen rotierendem und festem Teil,
b) Der Austritt des separierten Wassers auf einen Radius der grösser ist als der größte Radius des Gemischeintrittes, unter einem relativ kleinen Überdruck, wel cher die Rückführung, eventuelle Reinigung und Wiederverwendung zur erneuten Gemischbildung mit Luft erlaubt.

Bezugszeichenliste

1

Pumpe

2

Injektor, Luftverdichter

3

Luftabscheider

4

Kühler

5

Brennkammer

6

Turbine, Turbinenstufe

7

Diffuser

8

Rekuperator, Wärmetauschereinheit

9

Kamin

10

Kühlkanäle

11

Generator

12

Verzweigungsgetriebe

13

Gehäuse

14

Motorantriebsdrehrichtung

15

Kompressorrotor

16

Umlenkkörper

17

Druckluftleitung

18

Luftansaugtrichter

19

Dosierspalt

20

Überschusswasser

21

Kanal

22

Isotherm komprimierte Luft

23

Wasserrück- und -abführungskanal

23

' Wasserzuführungskanal

24

Gemischbildungsbereich

25

Wasseraufbereitung
A Rotorachse

Claims

1. Gasturbinenanordnung zur Energiegewinnung mit einer Luftverdichtereinheit (2), die Luft isotherm komprimiert, wenigstens einer Brennkammer (5), in der die komprimierte Luft zusammen mit einem Brennstoff in Form eines Luft-Brennstoff- Gemisches zur Zündung gebracht wird und wenigstens einer Turbinenstufe (6), in die, die bei der Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemisches entstehenden Heißgase eingeleitet werden, die die Turbinenstufe im Wege einer Expansion antreiben, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Wärmetauschereinheit (8) vorgese hen ist, in die, die nach Durchtritt durch die Turbinenstufe (6) expandierten Heißgase eingeleitet werden, deren Abwärme wenigstens teilweise durch die Wärmetau schereinheit (8) vor Eintritt in die Brennkammer (5) an die isotherm komprimierte Luft übertragbar ist.

2. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die isotherm komprimierte Luft innerhalb der Wär metauschereinheit (8) auf Temperaturen knapp unterhalb der Turbinenaustrittstem peratur von ca. 600°C erwärmbar wird.

3. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragung innerhalb der Wärmetau schereinheit (8) im Gegenstromwärmeaustausch erfolgt.

4. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftverdichtereinheit (2) eine Diffusoranordnung ist, in die das Luft-Wasser-Gemisch mit hoher Geschwindigkeit einleitbar ist.

5. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftverdichteranordnung (2) ein motorgetriebe nes, rotierendes Gehäuse (13) mit strömungsführenden Einbauten aufweist,
dass die Luftverdichteranordnung (2) aus einem Luft-Wasser-Gemisch erzeugenden Teil besteht, und
dass die Luftverdichteranordnung (2) besteht aus einem durch die Turbinen oder ei nem Motor angetriebenen Gehäuse mit strömungsführenden Einbauten, welches das Luft-Wasser-Gemisch auf kleinem Radius oder mittig aufnimmt und durch radial nach aussen geführte Strömung verdichtet, auf dem grössten Durchmesser die Luft vom Wasser trennt und separat auf kleinere Radien zurückführt.

6. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Luftverdichtungsanordnung (2) radiale oder radial-tangentiale Strömungsleitorgane für die auswärts gerichtete Gemischströ mung, die einwärtsgerichtete Luftströmung und die einwärtsgerichtete Wasserströ mung angebracht sind.

7. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Wärmetauschereinheit (8) Luft-Anzapfstellen vorgesehen sind, an denen Luft zu Kühlzwecken abgeführt und mittels Kühlkanäle (10) an heiße Stellen der Gasturbinenanordnung zugeführt wird, vorzugsweise zum Kühlen der Brennkammer (5) oder der Turbinenstufe (6).

8. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluft zu Zwecken einer Druckanpassung durch eine Kühlluftturbine läuft, um an der zu kühlenden heißen Stelle etwa dem vor Ort herrschenden Druckniveau zu entsprechen.

9. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluft nach erfolgter Kühlung dem Prozeßgas innerhalb der Gasturbinenanordnung beimischbar ist oder innerhalb eines geschlos senen Kühlkanalsystems verbleibt.

10. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbinenanordnung mehrstufig mit zwei oder mehreren Brennkammer-Turbinenstufe ausgebildet ist, und daß die aus der ersten Turbinenstufe austretenden expandierten Heißgase in die zweite Brennkammer ein leitbar sind, die nach Austritt aus der zweiten Brennkammer in die zweite Turbinen stufe zu deren Antrieb eingeleitet werden.

11. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich nach der zweiten Turbinenstufe weitere Brenn kammer-Turbinenstufen anschließen.

12. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der aus einer Turbinenstufe (6) aus tretenden expandierten Heißgase derart gewählt ist, daß nach Eintritt der expan dierten Heißgase in eine nachfolgende Brennkammer eine Selbstzündung erfolgt.

13. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in die Wärmetauschereinheit (8) oder in die Brenn kammer (5) Wasser einbringbar ist, vorzugsweise in Form eines fein zerstäubten Wassersprühnebels.

14. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in das Kühlkanalsystem Wasser einbringbar ist, vor zugsweise in Form eines fein zerstäubten Wassersprühnebels.

15. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanordnung nach Anspruch 1, wobei zur Bereitstellung einer isothermen komprimierten Luftmenge folgende Verfahrens schritte vorgenommen werden:

a) dass die Luft mittels eines Luft-Wasser-Gemisches isotherm komprimiert wird,
b) dass die Kompression des Luft-Wasser-Gemisches mittels Gravitations kraft, Impuls oder Fliehkraft vorgenommen wird,
c) dass die komprimierte Luft vom Wasser ausgeschieden wird,
d) und dass diese komprimierte Luft in eine Wärmeerzeugungseinheit einge leitet wird.