DE2052494A1

DE2052494A1 - Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf

Info

Publication number: DE2052494A1
Application number: DE19702052494
Authority: DE
Inventors: Edward George David Cawston Ward Robert George Coventry Warwickshire HoUiday John Bertram Derby Hurst James Norman Repton Derbyshire Andrews, (Großbritannien) P
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1969-10-25
Filing date: 1970-10-26
Publication date: 1971-05-13
Also published as: FR2065530A1; GB1275756A; US3742707A; FR2065530B1

Description

ρλτ ε nt α κ walte DlPL-ING. CURT WALLACH

DIPL.-ING. GÜNTHER KOCH 2 0 5 2 A 9 A DR. TINO HAIBACH

8 MÜNCHEN 2, 26. Okt. 1970 12 884 - K/fci

Rolls-Royce Limited, Derby / England

Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit einem geschlossenen Kreislauf.

Gemäß der Erfindung weist die Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf einen Kompressor, einen Kernreaktor innerhalb eines Druckgefäßes, der das komprimierte Arbeitsmittel empfängt und erhitzt und eine Turbine auf, die von dem vom Kernreaktor erhitzten Arbeitsmittel angetrieben wird, wobei ein Wärmeaustauscher das Arbeitsmittel empfängt und abkühlt, das In der Turbine entspannt wurde und das abgekühlte Arbeitsmittel dem Kompressor zur Wiederverdichtung zuführt, wobei Kompressor und Turbine innerhalb einer ersten Ausnehmung in dem Druckgefäß herausnehmbar angeordnet sind und der Wärmeaustauscher innerhalb einer zweiten Ausnehmung des Druckgefäßes herausnehmbar angeordnet ist.

Der Wärmeaustauscher weist vorzugsweise einen Rekuperator auf, dessen erster Strömungsmittelpfad das in der Turbine entspannte

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Arbeitsmittel empfängt und In Wärmeaustauschbeziehung mit einem zweiten Strömungspfad liegt, der für die Strömung des Arbeitsmittels vorgesehen ist, das vom Kompressor nach dem Kernreaktor strömt, wobei ein Kühler das Arbeitsmittel aus dem ersten Strömungsmittelpfad empfängt und es an den Kompressor zur weiteren Verdichtung zurückführt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Kühler eine im wesentlichen ringförmige Gestalt auf und umgibt den Rekuperator.

Kühlmitteleinlaß und -auslaß des Kühlers sind vorzugsweise beide an einem Ende angeordnet.

So kann der Kühler erste und zweite im wesentlichen konzentrische Ringleitungen aufweisen, die benachbart zu einem Ende angeordnet sind und mit dem Kühlmitteleinlaß bzw. -auslaß in Verbindung stehen, wobei erste und zweite ringförmige Rohranordnungen vorgesehen sind, die mit den ersten bzw. zweiten Ringleitungen in Verbindung stehen und im wesentlichen axial von diesen vorstehen« wobei die Enden der Rohre der ersten Anordnung, die den Ringleitungen entfernt liegen, mit den Enden der Rohre der zweiten Anordnung In Verbindung stehen, die den Ringleitungen fern liegen.

Die erste und zweite Ausnehmung 1st vorzugsweise zylindrisch und Ihre Achsen können vertikal angeordnet sein.

Wenn die zweite Ausnehmung vertikal angeordnet ist, dann befindet eich das eine finde vorzugsweise an der Oberseite und der Zwischenkühler 1st vorzugsweise vom Kühlmitteleinlaß und -auslaß aufgehängt. Außerdem kann eine im wesentlichen zylindrische Prallvorrichtung innerhalb der ersten und zweiten Rohranordnung vorgesehen werden, die dichtend mit dem Boden der zweiten Aus-

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nehmung unter ihrem Eigengewicht in Verbindung steht, so daß der erste Strömungsmittelpfad des Rekuperators vom Arbeitsmittels trömungspf ad des Kühlers getrennt ist.

Der Kompressor kann in Strömungsrichtung hintereinander einen Niederdruckaxialkompressor, einen Zwischenkühler und einen Hochdruckaxialkompressor aufweisen.

Der Zwischenkühler weist vorzugsweise eine ringförmigeGestalt auf und liegt zwischen den Kompressoren koaxial zu diesen.

Der Kompressor und die Turbine können in einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse untergebracht sein, das herausnehmbar in der entsprechenden Ausnehmung gelagert ist.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Pig. 1 eine schematische Grundrißansicht einer Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf;

Pig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 gemäß Pig. Ij

Pig. 5 eine Teilansicht des Schnittes gemäß Fig. 2 in größerem Maßstab;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der Ringleitungsanordnung.

Die in der Zeichnung dargestellte Gasturbinenanlage umfaßt ein im wesentlichen zylindrisches vorgespanntes Betondruckgefäß 10 mi«t im wesentlichen vertikaler Achse, das in einer zentralen Ausnehmung 12 einen gasgekühlten Kernreaktor 14 enthält. Sechs im gleichen Winkelabstand angeordnete vertikal verlaufende

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zylindrische Ausnehmungen l6 sind im Druckgefäß 10 rings um die Ausnehmung 12 herum angeordnet. In Fig. 2 ist ein Paar benachbarter Ausnehmungen 16 (mit 16a und l6b in Fig. 2 bezeichnet) dargestellt. Die verbleibenden zwei Paare von benachbarten Ausnehmungen 16 sind dem dargestellten Paar im we-.sentlichen identisch.

Die Ausnehmung 16a nimmt ein herausnehmbar gelagertes zylindrisches Gefäß 18 auf, das seinerseits eine Welle 20 enthält, die koaxial zu dem Gehäuse 18 ist. Auf der Welle 20 sind von oben nach unten, gemäß Fig. 2 betrachtet, ein Hochdruckaxialkompressor 22, ein Niederdruckaxialkompressor 24- und eine Hochdruckaxialturbine 26 angeordnet. Das obere Ende der Welle 20 ist zum Anlauf an einen Elektromotor 28 anschließbar, der auch innerhalb des Gehäuses 18 angeordnet sein kann.

Ein im wesentlichen ringförmiger Zwischenkühler 30 liegt zwischen dem Hochdruckkompressor 22 und dem Niederdruckkompressor 24 koaxial hierzu. Der Zwischenkühler ;50 umfaßt einen ringförmigen Strömungskanal 22, der zwischen dem Auslaß des Kompressors 24 und dem Einlaß des Kompressors 22 liegt und mehrere vertikal verlaufende mit Wärmeaustauscherrippen versehene Rohre (nicht dargestellt) enthält, die an die Kühlwasser strömung angeschlossen sind.

Der Einlaß der Turbine 26 steht mit einem Auslaß des Kernreaktors 14 über einen Kanal J56 in Verbindung, der radial bezüg lich des Gehäuses l8 durch den Beton des Druckgefäßes 10 hindurchverläuft, während der Auslaß mit dem Einlaß einer Axialturbine 58 in Verbindung steht. Die Turbine 38 ist außerhalb des Gehäuses 18 angeordnet, und zwar mit horizontaler Achse und in einer horizontal liegenden Erweiterung 40 am Boden der Ausnehmung 16 und sie ist mit einer horizontalen Antriebswelle versehen, die antriebsmäßig mit einem nicht dargestellten Wechselstromgenerator gekuppelt ist, der außerhalb des Druckgefäßes 10 angeordnet ist. Falls erforderlich, können die Turbine

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und ihre Welle 42 axial auf die Welle 20 ausgerichtet und innerhalb des Gehäuses 18 angeordnet werden, wobei der Wechselstromgenerator unter dem Druckgefäß 10 zu liegen kommt.

Die Ausnehmung l6b enthält einen im wesentlichen kreisringförmigen Vorkühler 50 koaxial hierzu und einen Rekuperator 52 innerhalb des Vorkühlers 50. Der Vorkühler 50 und der Rekuperator 52 sind aus der Ausnehmung 16b entnehmbar. Der Vorkühler 50 weist einen ringförmigen Strömungskanal 54 auf, der mehrere mit Wärmeaustauscherrippen 55 versehene Rohre (Fig.3) aufweist, die mit einer Kühlwasserströmung in Verbindung stehen. Der Rekuperator 52 weist einen ersten Strömungsmittelpfad 58 mit einem Einlaß 59 auf, der über einen horizontal verlaufenden Kanal 60 durch den Beton des Druckgefäßes 10 hindurch mit dem Auslaß der Turbine 38 verbunden ist, während ein Auslaß 61 des Rekuperators an den Einlaß des ringförmigen Strömungskanals 54 des Vorkühlers 50 angeschlossen ist. Außerdem weist der Rekuperator einen zweiten Strömungskanal 62 auf, der aus mehreren mit Wärmeaustauscherrippen versehenen Rohren besteht und einen Einlaß 63 besitzt, der über einen horizontal durch den Beton des Druckgefäßes 10 verlaufenden Kanal 64 mit dem Auslaß des Kompressors 22 verbunden ist, während ein Auslaß 65 über einen vertikal nach oben verlaufenden Kanal 66 mit einem Kanal verbunden ist, der radial bezüglich der Ausnehmung 16b durch den Beton des Druckgefäßes 10 geführt und an einen Einlaß des Kernreaktors 14 angeschlossen ist. Der Auslaß des Ringströmungskanals 54 des Vorkühlers 50 ist über einen horizontal durch den Beton des Druckgefäßes 10 verlaufenden Kanal 68 mit dem Einlaß des Kompressors 24 verbunden.

Jede der Ausnehmungen l6 ist mit einem an sich bekannten Doppelverschlußorgan 70 versehen.

Der Vorkühler 50 und der Rekuperator 52 sind im einzelnen aus den Pig. j5 und 4 ersichtlich. Der Vorkühler 50 weist eine

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halbkreisförmige Wassereinlaßleitung 72 auf, die am Kopf des Kühlers vorgesehen ist und in der Mitte dieser Leitung ist ein Wassereinlaß 74 angeschlossen. Die beiden gegenüberliegenden Enden der halbkreisförmigen Leitung 72 sind über kreisbogenförmige Zwischenleitungen 76 an eine ringförmige Hauptvertellerleitung 78 angeschlossen. Die Leitungen 72, 76 und 78 verlaufen koaxial bezüglich der Ausnehmung 16b und sie haben etwa den gleichen Durchmesser und liegen im vertikalen Abstand zueinander.

Mehrere vertikal nach unten verlaufende Rohre 80 sind mit der Leitung 78 über ihren gesamten Umfang verbunden und die im Abstand zueinander angeordneten mit Wärmeaustauscherrippen versehenen Rohre 55 stehen mit den Pußteilen der Rohre 88 in Verbindung und erstrecken sich von diesen nach oben, um eine ringförmige Anordnung zu schaffen, die koaxial mit dem zylindrischen Raum und innerhalb desselben liegt, der von den Rohren 80 umschlossen ist. Die oberen Enden der Rohre 55 stehen mit einer kreisringförmigen Hauptsammelleitung 82 in Verbindung, die im wesentlichen konzentrisch zu der Leitung 78 innerhalb derselben liegt und ihrerseits mit einer halbkreisförmigen Auslaßleitung 84 in Verbindung steht, die konzentrisch zu der Leitung 72 liegt und diametral entgegengesetzt zu dieser. Im Mittelabschnitt der Leitung 84 ist ein radial nach außen verlaufender Auslaß 86 vorgesehen, der somit diametral dem Einlaß 74 gegenüberliegt.

Die radial innersten Rohre 55 sind an eine zylindrische Prallplatte 86 angeschlossen, die sich über die volle Länge des Vorkühlers 50 erstreckt und gegenüber dem Boden der Ausnehmung l6b unter dem Eigengewicht dichtend anliegt. Der Zwischenkühler 50 wird außerdem dadurch getragen, daß er vom Einlaß 74 und vom Auslaß 86 und den halbkreisförmigen Leitungen 72, 84 aufgehängt ist. Der Einlaß 59 des Rekuperators 52 liegt am

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Boden der Ausnehmung l6b innerhalb des von der Prallplatte umschriebenen Kreises, während der Auslaß des ringförmigen Strömungskanals 54 des Vorkühlers 50 am Boden der Ausnehmung 16b in dessen Wand angeordnet ist. Die Prallplatte 86 zwingt daher das Arbeitsmittel der Triebwerksanlage in einen ersten Strömungspfad 58 des Rekuperators 52 nach oben zu strömen in Gegenfluß zu dem Arbeitsmittel, das durch die Rohre des zweiten Strömungsmittelpfades 62 des Rekuperators 52 nach unten abfließt und dann nach unten nach dem Strömungskanal 54 des Vorkühlers 50 im Gegenstrom zu dem die Rohre 55 durchfließenden Wasser.

Der Einlaß 63 der den zweiten Strömungspfad 62 des Rekuperators 52 bildenden Rohres steht mit einem Raum 87 (Pig. J5) in der Ausnehmung 16b in Verbindung und dieser Raum steht wiederum mit dem Kanal 64 in Verbindung. Der Raum 87 ist zwischen dem Verschlußorgan 70 und dem Ringflansch 88 abgedichtet, der rings um die äußere Oberfläche des Kanals 66 angeschweißt ist und der auf einem radial nach innen vorstehenden Steg 89 ruht, der an einer Metallauskleidung 90 der Ausnehmung 16b vorgesehen ist. Der Kanal 66 ist lösbar mit dem Kanal 67 oberhalb des Flansches 88 verbunden.

Um den Vorkühler 50 und den Rekuperator 52 aus der Ausnehmung l6b zu entnehmen, ist es nur notwendig, den Wassereinlaß 74, den Wasserauslaß 86 und die Verbindung zwischen den Kanälen und 67 zu unterbrechen und dies kann alles am Kopf der Ausnehmung l6b geschehen und alle diese Stellen sind leicht zugänglich.

Im Betrieb tritt das Arbeitsmittel der Triebwerksanlage (vorzugsweise Helium, es kann jedoch aus Kohlendioxyd sein) in den Kompressor 24 ein und wird von diesem verdichtet. Dann strömt das Arbeitsmittel durch den Zwischenkühler 3>0 und wird von diesem abgekühlt, bevor eine weitere Verdichtung in dem

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Kompressor 22 stattfindet. Das komprimierte Arbeitsmittel, das den Kompressor 22 verläßt, tritt durch den zweiten Strömungspfad 62 des Rekuperators 52 hindurch und wird erwärmt und wird dann weiter direkt im Kernreaktor 14 erhitzt, dessen Kühlmittel es bildet. Statt dessen könnte jedoch der Kernreaktor 14 auch so ausgebildet sein, daß er das Arbeitsmittel indirekt erhitzt.

Das erhitzte Arbeitsmittel, das den Kernreaktor 14 verläßt, tritt zunächst in die Turbine 26 ein und treibt diese an; dadurch werden die Kompressoren 22 und 24 angetrieben und dann tritt das Arbeitsmittel in die Turbine 38 ein und treibt diese und ihre Antriebswelle 42 an. Das in der Turbine 58 entspannte Arbeitsmittel gelangt durch den ersten Strömungsmittelpfad 58 des Rekuperators 52 und wird somit abgekühlt, während gleichzeitig das in dem zweiten Strömungspfad 62 fließende Arbeitsmittel erhitzt wird. Dann strömt das entspannte Arbeitsmittel durch den Vorkühler 50 ab und wird dort weiter abgekühlt, bevor es wieder in den Kompressor 24 eintritt.

Durch die Anordnung der Bauteile in einem einzigen Arbeitszyklus der Turbinenanlage in zwei Ausnehmungen 16a, l6b anstelle von einer Ausnehmung führt dazu, daß zwei im wesentlichen gleich bemessene Aufbauten von Einzelheiten geschaffen werden und diese Aufbauten sind kleiner und daher leichter zu manipulieren als ein einziges Gehäuse, das sämtliche Bestandteile enthält und die Gesamthöhe des Druckgefäßes 10 erniedrigt. Außerdem bewirkt die Anordnung des Vorkühlers 50 um den Rekuperator 52 herum eine thermische Isolation des letzteren von dem Druckgefäß 10, wodurch die thermischen Beanspruchungen vermindert werden, denen das Druckgefäß 10 unterworfen ist. Schließlich werden durch die axiale Ausrichtung des Auslasses von Kompressor 24, des Strömungskanals 32 des Zwischenkühlers 30 und des Einlasses des Kompressors 22 die Strömungsverluste in dem Zwischenkühler 50 vermindert.

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Claims

Patentansprüche

si·/ Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf, bestehend aus einem Kompressor, einem Kernreaktor innerhalb eines Druckgefäßes, dem Arbeitsmittel vom Kompressor zwecks Erwärmung zugeführt wird und mit einer Turbine, der das vom Kernreaktor zugeführte erhitzte Arbeitsmittel zugeführt wird und mit einem Wärmeaustauscher, der das in der Turbine entspannte Arbeitsmittel empfängt und abkühlt und gekühltes Arbeitsmittel zur Wiederkompression dem Kompressor zuführt, i dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor und die Turbine ausbaubar innerhalb einer ersten Ausnehmung des Druckgefäßes angeordnet sind und daß der Wärmeaustauscher ausbaubar innerhalb einer zweiten Ausnehmung des Druckgefäßes angeordnet ist.
2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher einen Rekuperator (52) aufweist, dessen erster Strömungsmittelpfad das Arbeitsmittel empfängt, das in der Turbine entspannt wurde und dieses in Wärmeaustauschbeziehung mit einem zweiten Strömungspfad führt, durch den das Arbeitsmittel hindurchtritt, j welches vom Kompressor an den Kernreaktor (14) angeliefert wird und daß ein Kühler das Arbeitsmittel von dem ersten Strömungsmittelpfad empfängt und dieses dem Kompressor zur Wiederverdichtung zuführt.
3>. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Kühler ringförmig ausgestaltet ist und den Rekuperator umgibt.

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4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Kühlraitteleinlaß und der KUhlmittelauslaß jeweils an einem Ende angeordnet sind.
5. Gasturbinenanlage nach Anspruch 4, dadurch g e -kennz elchnet, daß der Kühler erste und zweite im wesentlichen konzentrische kreisbogenförmige Leitungen aufweist, die den Kühlmitteleinlaß und den KUhlmittelauslaß tragen und daß erste und zweite ringförmige Reihen von Rohren vorgesehen sind, die mit den ersten und zweiten Ringleitungen in Verbindung stehen und im wesentlichen axial von diesen verlaufend angeordnet sind und daß die Enden der Rohre der ersten Reihe, die den Ringleitungen entfernt liegen» mit den Enden der Rohre der zweiten Reihe in Verbindung stehen, die den Ring· leitungen entfernt sind.
6. Gasturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Ausnehmungen (l6a, 16b) im wesentlichen zylindrisch ausgebildet und mit vertikaler Achse angeordnet sind.
7. Gasturbinenanlage nach Anspruch 6, dadurch g e -kennzeichnet, daß das eine Ende am Kopf liegt.
8. Gasturbinenanlage nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenkühler am KUhlmitteleinlaß und am KUhlmittelauslaß aufgehängt ist.
9. Gasturbinenanlage nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß eine im wesentlichen zylindrische Prallplatte innerhalb der ersten und zweiten Rohr-

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anordnung vorgesehen ist, und daß diese Prallplatte dichtend unter ihrem Eigengewicht gegenüber dem Boden der zweiten Ausnehmung angeordnet ist, so daß der erste Strömungsmittelpfad des Rekuperators von dem Arbeitsströmungsmlttelpfad des Kühlers getrennt ist.
10. Gasturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor In Strömungsrichtung hintereinander einen Niederdruckaxialströ- * mungskompressor, einen Zwischenkühler und einen Axlalströmungs-Hochdruckkompressor aufweist.
11. Gasturbinenanlage nach Anspruch IC, dadurch ä e ■-kennzeichnet, daß der Zwischenkühler riu^i ^r.._:< ausgebildet und zwischen den beiden Kompressoren k:, : „u ;,-.·. diesen angeordnet ist.
12. Gasturbinenanlage nach den Ansprüchen I tlv. 11 , dadurch gekennzeichnet , daß der Ko-npr^sor und die Turbine innerhalb eines im wesentlichen zylindrischen Gehäuses gelagert sind, das ausbaubar in der entsprechenden Ausnehmung angeordnet ist.

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