-
Gasturbine und Verfahren zum Betrieb derselben Gasturbinen und Verfahren
zum Betrieb derselben sind in vielen Ausführungen bekannt. Sie sind unterteilt,
betreffend ihrer Verbrennung in a) Gleichdraokturbinen mit kontinuierlich brennender
Flamme und gleichmäßig beauf schlagten Turbinenschaufe In, b) Explosionsturbinen
mit intermittierender Verbrennung und periodisch beaufschlagten Turbinens chaufeln,
und betreffend der die Turbinenschaufeln beauf schlagenden Gasart e) trockene Gasturbinen,
bei denen die kinetische Energie der Verbrennungsgase unmittelbar den Turbinenschaufeln
zugeführt werden und d) nasse Gasturbinen, bei denen die kinetische Energie der
Verbrennungsgase mittelbar durch Ubertragung auf Wasser den Turbinenschaufeln zugeführt
werden.
-
Bei 0) kommen die heißen Gase direkt mit den Turbinenschaufeln in
Berührung, während bei d) nur das Wasser mit diesen in Berührung kommt. Bei den
Turbinen nach Abschnitt e ist es notwendig, daß infolge der begrenzten Temperaturbeständigkeit
der Turbinenschaufeln die Verbrennungsgase entweder nur auf eine diesem Umw stand
angepaßte Temperatur erhitzt werden, oder daß eine erzeugte höhere Temperatur mittels
eines anderen Stoffes wieder auf eine, den Turbinenschaufeln angepaßte Temperatur
reduziert wird, oder daß die mit den auf hoher Temperatur befindlichen Verbrcnnung"
gasehln Berührung kommenden Teile (auch Turbinenachaufeln) zwischen den Verbrennungen
mittels eines anderen Stoffes gekühlt werden (Spü#lverfahren). Im letzteren Fall
handelt es sich hauptsächlich um Explosionsturbinen mit periodischer Beaufschlagung
der Turbinenschaufeln.
-
Die gebräuchlichste Gasturbinenart ist die Gleichdruckturbine, bei
der die auf relativ hohe Temperatur gebrachten Verbrennunggase mittels Zusatzluft
auf eine brauchbare Temperatur abgekühlt werden Dißs Verfahren hat den Nachteil,
daß der Wirkungsgrad der zwangsläufig auf relativ hoher Umdrhungizahl laufenden
Turbine
und der des Verdichters wehr ungünstig sind und sich auf
den-Wirkungsgrad der Gesamtanlage schädlich auswirken. Außerdem ist die Menge der
auf relativ hoher Außlaßtemperatur befindlichen Abgase größer und dadurch auch die
Verlustwärmemenge dieser Abgase groß, was wiederum den Wirkungsgrad der Gesamtanlage
wesentlich absinken läßt.
-
Der gleiche Verlusteffekt tritt aach ein, wenn zur Temperatursenkung
der Verbrennungsgase Wasser direkt in die hrennksmmer eingespritzt wird, oder wenn
das Verhältnis Luftmenge zur Brennstoffmenge ein hohes ist0 Vorliegende Erfindung
betrifft eine kombinierte Explosions-Gleich druck-Gasturbine mit vorzugsweise intermittierender
Verbrennung, bei der eine außenliegende Gasturbine einen innenliegenden Axialluftverdichter
umschließt, wobei die umlaufenden angetriebenen Schaufeln des Verdichters mit der
Innenseite einer Hohlwelle verbunden sind, während die umlaufenden antreibenden
Schaufeln der Turbine mit der Außenseite dieser Hohlwelle in fester Verbindung stehen,
sowie die feststehenden leitschaufeln des Verdichters auf einer mit dem Gehäuse
der Turbine festverbundenen Zentralhohlwelle und die feststehenden Leitschaufeln
der Turbine im Turbinengehäuse befestigt sind, außerdem ein außerhalb der Verdichter-Turbinen-Einheit
liegender, durch die Anordnung einer Zwischenwand in einen Verbrennungsraum und
einen Mischraum unterteilter separater Brennkopf vorhanden ist und im Bereich der
die Turbine verlassenden Abgase nach einem Abgas-Sammelraum ein Wärmetauscher mit
einem Dampfvorratsraum zur Anwendung kommt, der zur Vorwärmung und Verdampfung einer
Kühlflüssigkeit dient, sowie im Bereich der ins Freie strömenden Abgase ein Flüssigkeitsabacheider
vorgesehen ist, der zur Kondensation und Abscheidung der verbrauchten Eühlflüssigkeit
dient Die Anordnung von Verdichter und Turbine ist umkehrbar, sodaß also auch der
Verdichter die Gasturbine umschließen kann.
-
Der zui Zweek der Verdampfung der KtUilflüssigkeit verwendete Wärmetauscher
ist einem Autokühler ähnlich. Zum Transport des erzeugten Dampfes sind Leitungen
und Düsen vorgesehen. In dem Teil des Wärmetauschers, in dem die Abgase schon am
meisten abgekühlt sind, ist die Zuführung der Kühlflüssigkeit zweetmaßig so ausgebildet,
daß die Leitung in mehreren Windungen quer zur Richtung der Gasströmung angeordnet
ist, wodurch die Flüssigkeit vorgewärmt wird (Ekonomiser).
-
Die vorliegende erfindung betrifft auch noch ein Verfahren zum Betrieb
einer koebinierten Explosions-Gleichdruck-Gasturbine mit vorzugsweise intermittierender
Verbrennung, in der in einem direkt Ton der Turbine angetriebenen Luftverdichter
lift über Atmosphärendruck gebracht wird, wobei nur eine zur Verbrennung des Betriebstoffes
erforderliche Luftmenge verdichtet und in einen separaten Verbrennungsraum geleitet
wird, diesen von aus der vorangegangenen Verbrennung stammenden Restabgasen freispült,
dort durch Zuführung und Zündung von Brennstoff sich erhitzt und im Volumen sich
vergrößernd in einen angrenzenden Mischraum ausströmt, wo sie mit einer zuvor in
einem Wärmetauscher von den heißen Abgasen der Turbine verdampften und auf Überdruck
gebrachten Xühlflüssigkeit vermischt und auf eine Turbinenschaufeln zuträgliche
Temperatur gebracht wird, gemeinsam mit diesen Dämpfen in einer Turbine unter Leistung
von Arbeit auf Atmosphärendruck entspannt und über den genannten Wärmetauscher einem
Flüssigkeitaabscheider zugeführt wird, wo die Dämpfe kondensiert und zusammen mit
den von der entstehenden Xondensflüssigkeit absorbierten, für die Umwelt gesundheitsschädlichen
Abgasteilen, insbesondere Kohlenoxydgasen, Schwefeldioxydgasen und Bleidämpfen,
aus den an die Atmosphäre abzuleitenden Abgasen ausgeschieden werden.
-
Das Verfahren ist auch bei kontinuierlicher Verbrennung anwendbar.
-
Bei dem verwendeten Wärmetauscher strömen, ähnlich wie bei einem Autokühler,
zwischen den Elementen einerseits die heißen Turbinen-Abgase hindurch, während andererseits
in den Elementen im Gegenstrom die ERhlflüßsigkeit durchgeführt ist. Der dabei erzeugte
Dampf wird in einem Vorrataraum gesammelt und über leitungen und Düsen in den Mischraum
des Brennkopfes geleitet, t er sich mit den heißen Verbrennungsgasen vermischt,
diese abkuhlt und selbst erhitzt wird.
-
Der Vorteil einer Gasturbine nach der Erfindung ist insbesondere,
daß durch die Übereinanderanordnung von Turbine und Verdichter 10 ein gemeinsame
Antriebsachse und gemeinsame lagerungen verwendet werden können, was erhebliche
Gewioht- und Herstellkosten-Einsparungen ergibt und die Reparatur- und Wartungskosten
senkt; 2. das Antriebsmoment des Verdichters gegenüber dem Turbinen-Abw triebimoment
untersetzt ist und dadurch ein günstigerer Wirkungagrad erzielt wird; 3. die Druckunterschiede
zwischen den einzelnen Druckstufen des Verdichters und der Turbine klein gehalten
werden können, wobei
entsprechende Stufendriicke defl Verdichters
unter gleichartige der Turbine zi Liegen koinieii, wodurch nur geringfügige und
leicht zu beherrschende Kräfteauffang- und Abdichtvorkehrungen zwischen verdichter
und Turbine und den Druckstufen untereinander erforderlich sind, was wiederum Einsparungen
an Gewicht und Herstellkosten mitsichbringt und die Reparatur- und Wartunggkosten
senkt; 4e die Anwendung eines separaten, abnehmbaren Brennkopfes ermöglicht, wodurch
alle hitzebeanspruchten Teile des Verbrennungsraumes, des Mischraumes, der Brennstoffeinspritzung
und der Xühldampf zuführung leicht zugänglich sind und damit erhebliche Wartungskosten
eingespart werden können.
-
Der Vorteil des Verfahrena zum Betrieb einer Gasturbine nach der Erfindung
ist insbesondere, daß durch die Zuführung von Dampf statt Spülluft, der in verdichteter
Form dadurch Ausnutzung der Turbinenabwärme anfällt, 5. nur eine kleine Menge von
zur Verbrennung erforderlicher Ansaugluft verdichtet werden muß, wodurch der Wirkungsgrad
der Gesamtanlage wesentlich verbessert wird und kleine Baugrößen ergibt, was weitere
Gewichts- und Herstellkosten-Einsparungen mitsichbringt; 6. die annahernd vollständige
Abscheidung der für die Umwelt schädlichen Abgas stoffe ohne besonderen Mehraufwand
ermöglicht und dadurch die Anlage im Sinne des Umweltschutzes schadenverhütend betrieben
werden kann.
-
Weitere Vorteile der Vorrichtung und des Verfahrens gehen aus der
Beschreibung hervo@.
-
Der Erfindungsgegenstand ist, soweit er die Vorrichtung betrifft,
anhand der beiliegenden Zeichnung beispielsweise erleutert, Die Abbildung zeigt
einen schematischen Vertikal-Längs schnitt durch eine Gasturbine nach der Erfindung.
-
(1) ist ein Kanal für die Ansaugluft und (2) der Verdichter hiefür.
-
(3) ist die Gasturbine und (4) eine beweglich gelagerte, für Verdichter
und Gasturbine gemeinsame Hohlwelle, wobei an der Innenseite (a) die Verdichterschaufeln
(5) und an der Außenseite (b) die Turbinenschaufeln (6) befestigt sind. AuBerdem
trennt die Wandung der Hohlwelle (4) den Verdichterraum vom Turbinenraum.
-
(7) sind Verdichterleitschaufeln, die auf der mit dem Turbinengehäuse
(8) festverbundenen Zentralhohlwelle (9) befestigt sind und (10) Turbinenleitschaufeln,
die mit dem Turbinengehäuse (b)
in fester Verbindung stehen. (11)
ist eine Zwischenwand, die aus der Fortsetzung der Hohlwelle (4) gebildet ist und
den abnehmbaren, separaten brennkop! (12) in einen Verbrennungsraui (13) und einen
Mischraum (14) unterteilt und trennt. (15) ist ein Wärmetauscher, ähnlich einen
Autokühler, in dem durch die Abgase der Turbine (3) eine Kühlflüssigkeit verdampft
wird0 (16) ist ein Vorratsraum für die Dämpfe. (17) sind leitungen und (18) Düsen
zu einer Dampfbeschickungsvorrichtung (19). (20) sind leitungen und (21) Düsen zu
einer Brennstoffeinspritzvorrichtung (22)o (23) ist ein abnehebarer Abgassammelraum,
der gleichzeitig als Lager schild für die Abtriebswelle (24) und die Zentralhohlwelle
(9) diente (25) ist ein Flüssigkeitsabscheider mit Sammelraum (26) und Förderpumpe
(2i). (28) (29) sind leitungen für eine VerbrenB nungsraui-Kühlvorriohtung (30).
(31) ist ein Flüssigkeitsvorwärmer (Ekonomiser). (32) (33) (34) und (35) sind Lagerungen
zur Ecuhrung der beweglichen Teile der Gesamtanlage. (56) ist eine Leitung und (37)
eine Zündkerze zum Inbetriebsetzen (anlassen) der Gasturbine.
-
Die Gasturbine nach der Erfindung kann in einer nichtgezeichneten
Teilvariaate so ausgeführt sein, daß mehrere Gasturbinen, die mit dem Verdichter
auf der gleichen Welle angeordnet sind, vorgesehen sind, Eine weitere nichtgezeichnete
Teilvariante ist gegeben, wenn mehrere Gas turbinen und Verdichter auf verschiedenen
Wellen angeordnet sind.
-
Eine weitere nichtgezeichnete Teilvariante ist gegeben, wenn das Innere
des Brennkopfes (12) oder nur dir Verbrennungsraum (13) desselben mit wärmebeständigem
Werkstoff ausgefüttert ist und oder der Turbinenaußenmantel (e) mit wärmeisolierendem
Werkstoff umhüllt t.
-
Die Arbeitsweise der Gasturbine nach der Erfindung ist folgende: Die
Frischluft wird über den Kanal (1) dem Verdichter (2) zugeführt.
-
Dieser ist ein Axial-Turbo-Verdichter und ist mit der Gasturbine (3)
in der Weise kombiniert, daß die Verdichter- und Turbinenschaufeln gemeinsam durch
die Wandungen einer Hohlwelle (4) gehalten sind, welche gleichzeitig den Verdichterraum
vom Turbinenraum trennt.
-
Die Hohlwelle (4) ist mit der die Turbinenleistung abführenden Abtriebswelle
(24) fest verbunden. Die Höhe der Verdichterschaufeln (5) (7) gegenüber der der
Turbinenschaufeln (6) (10) ergibt das Verhältnis zwischen Turbinenleistung und Verdichterverbra'ichsleistun.
Die Leitschaufeln (10) der Turbine (3) sind an der Gehäu-
P a t
R D t a n 8 1) r ü c h e 1. Kombinierte Explosions-Gleichdruck-Gasturbine mit vorzugsweise
intermittierender Verbrennung, dadurch gekennzeichnet, daß eine außnliegende Gasturbine
(3) einen innenliegenden Axialluftverdichter (2) umschließt, wobei die umlaufenden
angetriebenen ShaufeIn (5) des Verdichters (2) mit der Innenseite (a) einer hohlwelle
(4) verbunden sind, während die umlaufenden antreibenden Schaufeln (6) der Turbine
(3) mit der Außenseite (b) dieser Hohlwelle in fester Verbindung stehen, sowie die
feststehenden Leitschaufeln (7) des Verdichters (2) auf einer mit dem Gehäuse (8)
der Turbine (3) festverbundenen Zentralhohlwelle (9) und die feststehenden Leitschaufeln
(10) der Turbine (3) im Turbinengehäuse (8) befestigt sind, außerdem ein außerhalb
der Verdichter-Turbinen-Einheit liegender, durch die Anordnung einer Zwischenwand
(11) in einen Verbrennungsraum (13) und einen Mischraum (14) unterteilter separater
Brennkopf (12) vorhanden ist und im Bereich der die Turbine (3) verlassenden Abgase
nach einem Abgas-Sammelraum (23) ein Wärmetauscher (15) mit einem Dampfvorratsraum
(16) zur Anwendung kommt, der zur Vorwärmung und Verdampfung einer Kuhlflüssigkeit
dient, sowie im Bereich der ins Freio strömenden Abgase ein Flüssigkeitsabscheider
(25) vorgesehen ist, der zur Kondensation und Abscheidung der verbrauchten Kühlflüssigkeit
dient.
-
2. Kombinierte Explosions-Gleichdruck-Gasturbine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine aus Leitungen (17) und Düsen (18) bestehende
Vorrichtung (19) vorharrnn ist, durch die der im Wärmetauscher (15) erzeugte Kühldampf
dem Mischraum (14) zugeleitet wird und mindestens eine aus Leitungen (20) und Düse
(21) bestehende Vorrichtung (23) vorhanden ist, über die Brennstoff, vorzugsweise
intermittierend, dem Verbrennungsraum (13) zufließt.
-
3. Kombinierte Explosions-Gleichdruck-Gasturbine nach Anspruch 1 und
2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (2) außen und die Turbine (3) innen
angeordnet sind.
-
4. Kombinierte Explosions-Gleichdruck-Gasturbine nach Anspruch 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine aus Leitungen (28) (29) bstehende
Vorrichtung (30) vorhanden ist, über die der Zentralhohiwelle (9) Kühlflüssigkeit
zugeleitet wird, mit der die innere Begrenzungswand des Verbrennungsraumes (13)