DE2263559A1

DE2263559A1 - Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE2263559A1
Application number: DE2263559A
Authority: DE
Inventors: Siegrried Dr Foerster; Guenter Hewig; Peter Quell
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1972-12-27
Filing date: 1972-12-27
Publication date: 1974-07-18
Also published as: FR2212488A1; US3895492A; DE2263559C3; GB1451207A; JPS49124412A; FR2212488B1; JPS5233725B2; DE2263559B2; IT1000742B

Description

Kernforschungsanlage Jülich Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Gasturbinenanlage

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage, bei der Kompressor, Erhitzer, Turbine sowie ein hinter dem Turbinenausgang angeordneter zugleich als Luftvorwärmer für die Verbrennungsluft dienender Kühler in einem geschlossenen, von einem Arbeitsmittel durchströmten Gaskreislauf geschaltet sind und bei der der der Turbine nachgeschaltete Kühler, Brennkammer und Erhitzer in einem mit der Atmosphäre in Verbindung stehenden äußeren Gaskreislauf liegen, und wobei zum Wärmeaustausch zwischen äußerem und geschlossenem Gaskreislauf Wärmeaustauscher vorgesehen sind.

In Gasturbinenanlagen wird die für die Energieumsetzung in der Turbine erforderliche Energie durch Verbrennen von Brennstoffen freigesetzt und zu einem Teil in mechanische Energie umgewandelt. Bekannt sind Gasturbinenanlagen mit offenem Kreislauf, bei denen Luft aus der Atmosphäre angesaugt, verdichtet und durch Verbrennen des Treibstoffes in der verdichteten Luft erhitzt wird. Nach, Abgabe der Arbeitsleistung an die Turbinen treten die Gase wieder in die Atmosphäre aus. Zum bekannten Stande der Technik gehört es auch, in Gasturbinenanlagen rekuperative oder regenerative Wärmeaustauscher vorzusehen. Die offenen Gasturbinenanlagen sind jedoch insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen wenig geeignet für kleinere Leistungse.inheiten und auch für Zwecke, bei denen es auf die Erzeugung stark veränderlicher Leistung ankommt, wie dies beispielsweise bei der Verwendung als Fahrzeugantrieb der Fall ist. Obwohl Gasturbinenanlagen den Vorzug haben, daß dabei sehr verschiedenartige mit Luft verbrennbare Brennstoffe verwendbar sind und außerdem bei Verwendung flüssiger, fossiler Brenn-

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stoffe in weitaus geringerem Maße als bei der Verwendung von Kolbenmotoren die Umwelt belastende Abgase erzeugt werden, haben sich daher Gasturbinenanlagen gegenüber den Kolbenmotoren als Antrieb für Fahrzeuge bisher nicht durchsetzen können. Ein weiterer Nachteil für die Verwendung als Fahrzeugantrieb besteht darin, daß die Abmessungen der Turbinenanlagen wegen der Notwendigkeit, sie unter Verwendung von atmosphärischer Luft zu betreiben, nach unten hin begrenzt sind. Eine Verminderung der Leistung, wie sie dabei notwendig ist, ist nur dadurch möglich, daß die Temperatur des Verbrennungsgases abgesenkt wird. Ein Nachteil, den die bisher bekannten Gasturbinenanlagen mit den Kolbenmotoren gemeinsam haben, besteht darin, daß der spezifische Brennstoffverbrauch im Teillastbetrieb ähnlich ansteigt wie bei einem Kolbenmotor. In den Fällen, wo Gasturbinenanlagen als Fahrzeugantrieb verwendet wurden, hat es sich ferner als notwendig erwiesen, die Gasturbinen in einen Hochdruck- und in einen Niederdruckteil aufzuteilen, die beide voneinander mechanisch getrennt sind. In diesem Fall treibt eine Hochdruckturbine nur den Kompressor an, während eine auf einer anderen Welle angeordnete Niederdruckturbine nur die Nutzleistung liefert. Derartige zweiwellige Gasturbinen weisen zwar eine für den Fahrzeugantrieb günstige Drehmomentcharakteristik auf, doch beansprucht die Anordnung von Hochdruckturbine und Niederdruckturbine auf je einer besonderen Welle einen verhältnismäßig großen Raum. Hinzu kommt, daß bei den bisher bekannten Gasturbinenanlagen von der laufenden Nutzturbinenwelle kein Bremsmoment aufgenommen werden konnte, und es war nicht möglich, die Turbine über diese Welle anzulassen. Nachteilig ist ferner, daß bei der Turbine mit offenem Kreislauf die Turbine den Verbrennungsgasen direkt ausgesetzt ist. Dadurch entsteht eine zusätzliche Beanspruchung. Nachteilig ist schließlich auch, daß die Ver-

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brennungsexnrichtung.unter dem Druck von einigen Atmosphären stehen muß. Dem muß durch bauliche Maßnahmen Rechnung getragen werden.

Zum bekannten Stande der Technik gehören zwar auch Gasturbinen mit geschlossenem Gaskreislauf. Dabei dient ein Gas, das mit den Brenngasen nicht in Berührung kommt, als -umlaufendes Mittel; die Anpassung an die jeweils geforderte Leistungsabgabe erfolgte dabei durch Änderung der Menge des umlaufenden Arbeitsmittels. Doch war die Anpassungsfähxgkeit der bisher bekannten Gasturbinen mit geschlossenem Gaskreislauf nicht ausreichend für die Anordnung als Antrieb von Fahrzeugen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasturbinenanlage mit geschlossenem Gaskreislauf zu schaffen, bei der die Nachteile der bisher bekannten Gasturbinenanlagen vermieden sind, bei der insbesondere der spezifische Brennstoffverbrauch in weiten Teillastbereichen gleich oder sogar niedriger ist als der der Volleistung entsprechende Wert. Außerdem soll durch diese Gasturbinenanlage eine rasche Veränderung der abgegebenen Leistung erzielt und auch ein äußeres Bremslastmoment aufgenommen werden können. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung für eine Gasturbinenanlage der eingangs bezeichneten Art durch die Kombination der nachfolgend aufgeführten Merkmale gelöst:

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a) Die Anordnung eines aus Turbine und Kompressor gebildeten Turbosatzes auf einer Welle mit einer Leistungsabnahme oder deren Verbindung mit der Welle für den Turbosatz durch Unter- oder Obersetzungsgetriebe,

b) Die Anordnung einer die Drucke auf der Hochdruckseite und auf der Niederdruckseite des geschlossenen Gaskreislaufs verändernden Speichereinrichtung,

c) Die Anordnung eines von einem regelbaren Motor angetriebenen Gebläses in der Zuführung für die Verbrennungsluft ,

d) Die Anordnung einer mit einer die Brennstoffzuführung verändernden Steuereinrichtung verbundenen Temperaturmeßeinrichtung in der Brennkammer,

e) Die Anordnung einer in Abhängigkeit von einer vorbestimmten unteren Grenze des Druckes im geschlossenen Gaskreislauf automatisch tätigwerdenden Einrichtung zum Einspeisen von Gas in den geschlossenen Gaskreislauf,

f) Die Anordnung einer den Druck im geschlossenen Gaskreislauf und in der Gasspeichereinrichtung, die Drehzahl des Gebläses für die Verbrennungsluft und die Brennstoffzuführung beeinflussenden Steuereinrichtung,

g) Die Anordnung einer Steuereinrichtung zur Veränderung der Brennstoffzuführung, der Drehzahl des Gebläses für die Verbrennungsluft, des Druckniveaus im geschlossenen Gaskreislauf sowie einer Anlaßvorrichtung

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für die Turbosatzwelle und die Zündeinrichtung für die Brennkammer zur Herbeiführung unterschiedlicher Lastzustände ,

h) Die Anordnung einer Überwachungseinrichtung für die Drehzahl der Turbosatzwelle sowie einer den Querschnitt des Bypasses beeinflussenden Betätigungseinrichtung,

Ein Vorzug der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Drehzahl des Turbosatzes die höchste Arbeitsmxtteltemperatur im geschlossenen Kreislauf und die im äußeren Kreislauf erzeugte Temperatur der Verbrennungsgase bei allen Lastzuständen annähernd konstant gehalten werden können. Ein weiterer. Vorteil besteht darin, daß die Leistung des zur Förderung der atmosphärischen Luft vorgesehenen Gebläses bei Teillasten so verringert werden kann, daß im Teillastbereich der spezifische Brennstoffverbrauch gleich oder kleiner ist als bei Vollast.

Zweckmäßig wird als Arbeitsmittel im geschlossenen Kreislauf Luft oder ein anderes mehratomiges Gas verwendet. Dabei ist bei Benutzung von Kohlendioxyd als Arbeitsmittel der spezifische Brennstoffverbrauch bei einem Drittel der Vollast um etwa ho % niedriger als bei einer vergleichbaren offenen Gasturbinenanlage, bei Vollast jedoch nur Io % höher.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung so zu betreiben, daß das Arbeitsmittel im geschlossenen Gaskreislauf unter einem Druck steht, der um soviel höher ist als der Atmosphärendruck, daß der in-

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folge des dabei ablaufenden Kreisprozesses sich ergebende Niederdruck größer ist als der Atmosphärendruck. Das hat die vorteilhafte Auswirkung, daß beispielsweise bei Verwendung von Luft als Arbeitsmittel, wenn dessen Druck auf der Niederdruckseite das Siebenfache des Atmosphärendrucks betrug.im geschlossenen Gaskreislauf Turbinen mit einem um etwa 60 % kleineren Außendurchmesser verwendet werden konnten als er für eine im offenen Kreislauf angeordneten Gasturbine mit vergleichbarer Leistung entspricht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung besteht darin, daß die den Druck des geschlossenen Gaskreislaufs verändernde Einrichtung aus einem Gasspeicher oder mehreren parallel geschalteten Gasspeichern besteht, die jeweils über von Hand betätigbare oder gesteuerte Ein- und Auslaßventile mit der Niederdruckseite und der Hochdruckseite des geschlossenen Gaskreislaufs verbunden sind. Die sich aus der infolge der Anordnung eines oder mehrerer parallel geschalteter Gasspeicher ergebenden Möglichkeit, das Arbeitsmittel dem jeweiligen Bedarfsfall angepaßt zuzuspeichern oder abzuspeichern, hat die Wirkung, daß das Druckniveau im geschlossenen Kreislauf der jeweiligen Betriebsweise sehr genau angepaßt ist, so daß sich auch bei Teillastzuständen eine sehr wirtschaftliche Betriebsweise ergibt. Die Betriebsweise erfolgt dabei so, daß bei Lastabsenkung auch das Druckniveau im geschlossenen Kreislauf abgesenkt und bei Laststeigerungen angehoben wird. Die durch Verwendung eines geschlossenen Kreislaufs bei Konstanz der höchsten Arbeitsmitteltemperatur gewinnbare Leistung ist etwa proportional zum Druckniveau im geschlossenen Gaskreislauf.

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Sind-, wie dies nach einer Ausführungsform der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung vorgesehen ist, zwei oder mehrere Gasspeicher parallel zu dem geschlossenen Gaskreislauf geschaltet, so ist es vorteilhaft, wenn jeder Gasspeicher für die Änderung des Druckniveaus des Kreislaufs für einen,vorbestimmten Druckbereich vorgesehen ist. Je größer die Zahl der Gasspeicher ist, die für einen vorbestimmten Änderungsbereich des Druckniveaus des geschlossenen Gaskreislaufs vorgesehen ist, um so kleiner ist das dazu erforderliche Speichervolumen. So beträgt beispielsweise bei Anordnung von zwei Gasspeichern, von denen jeder.etwa das gleiche geometrische Gasvolumen hat wie der geschlossene Gaskreislauf, der Änderungsbereich des Druckniveaus etwa 65 %· ■

Wird zum Abspeichern des geschlossenen Gaskreislaufs ein Teil des darin geführten Arbeitsmittels entnommen, so hat es sich wegen der verhältnismäßig hohen Kompressorauslaßtemperatur als zweckmäßig erwiesen, den zum Abspeichern vorgesehenen Teil des Gases vor der Einspeisung abzukühlen.

Das geschieht zweckmäßig dadurch, daß zur Abgabe der in dem im Arbeitsmittel in der den geschlossenen Gaskreislauf mit der Speichereinrichtung verbindenden Leitung zum Einspeisen des Gases ein im äußeren Gaskreislauf vor dem Gebläse zur Förderung der Verbrennungsluft liegender, nach dem Regenerationsprinzip arbeitender, Wärmeaustauscher vorgesehen ist. Dieser Wärmeaustauscher ist zweckmäßig als regenerativer. Wärmeaustauscher ausgebildet. Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung besteht darin, daß der

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regenerative Wärmeaustauscher aus einem Behälter mit an der Außenfläche angeordneten Kühlrippen und einem an der Innenwandung angelöteteten Drahtbündel aus massiven, gut wärmeleitenden, in geringem Abstand zueinander angeordneten, Drähten gebildet wird.

Wird das abzuspeichernde Gas, wie dies vorgesehen ist, durch das Druckgefäß zwischen dem Gasbündel hindurchgeleitet, so ist es ohne weiteres möglich, andere kurzzeitig aufeinanderfolgende Gasabspeicherungen vorzunehmen, ohne daß sich die Temperatur des aus dem Wärmeaustauscher austretenden Gases gegenüber der Eintrittstemperatur bei Durchströmen des kalten Wärmeaustauschers erhöht. Das hat den weiteren Vorteil, daß das Speichervolumen der Gasspeichereinrichtung innerhalb des jeweiligen Druckniveauänderungsbereichs kleiner sein kann als dies der Fall wäre, wenn das Arbeitsmittel bei der Temperatur, die es hinter dem Kompressor besitzt, gespeichert würde. Um die Temperatur des die Brennkammer verlassenden oder des in die Turbine einströmenden Gases bei allen in Frage kommenden Lastzuständen der Energieabnahme konstant zu halten oder in vorbestimmten Fällen _y in denen dies sich als notwendig erweist, die Temperatur zu verändern, um die zur Herbeiführung von Laständerungen erforderliche Einstellung des Druckniveaus im geschlossenen Gaskreislauf sowie zur Öffnung des vorgesehenen Bypasses und zu dessen Verstellung und ferner zur Änderung der Brennstoffzuführung beim Anlassen und zur Unterbrechung der Brennstoffzuführung beim Abstellen oder falls das Verbrennungsgas unzulässig hohe Temperaturen erreicht, weist die Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung eine Steuereinrichtung auf.

Die Brennstoffdosierung erfolgt dabei zweckmäßig so, daß eine Brennstoffzuführung erst oberhalb einer Mindestdrehzahl des

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Gebläses zur Zuführung der Verbrennungsluft erfolgt und daß sie abhängig von der Drehzahl des Gebläses so-gesteuert wird, daß die in die Brennkammer einströmende Brennstoffmenge etwa proportional zu der vom Gebläse geforderten Luftmenge ist. Das hat den Vorteil, daß eine Zuführung von Brennstoff erst erfolgt, sobald die Anlaßdrehzahl erreicht ist. Ein weiterer Vortoil besteht darin, daß dadurch sichergestellt wird/ daß bei allen in Frage' kommenden Lastzuständen die Verbrennungs—· gase annähernd konstante Temperatur aufweisen.

Porner ist in einer Zuleitung zu der Gasspeichereinrichtung ein bei Unterschreiten eines Ilindestdrucks im geschlossenen Gaskreislauf infolge etxmiger Leckverluste sich öffnendes und bei Erreichen des zu fordernden Druckniveaus sich selbst-

ständig schließendes Absperrorgan vorgesehen. Falls Luft als Arbeitsmittel im geschlossenen Gaskreislauf verwendet wird, kann statt dessen auch eine bei Unterschreiten des Drucks im geschlossenen Gaskreislauf in Betrieb gesetzte und bei Erreichen des Druckniveaus außer Betrieb gesetzte Pumpe vorgesehen sein.

Um auch solche Lastzustände herbeizuführen, die durch die Anordnung der durch wahlweises Einschalten der Gasspeicher zum Zu- und Abspeichern des Arbeitsmittels hervorgerufenen Druckpendelregulierung nicht erreichbar sind, ist es vorteilhaft, daß im geschlossenen Gaskreislauf zwischen dem Gas-

acis Kompressors
auslaß-'ünd dem Turbinenauslaß eine Bypaßleitung vorgesehen ist, in der ein von Hand einstellbares und/oder mit einer Steuereinrichtung in Verbindung stehendes Ventil-angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, daß ein Teillastbetrieb bis zur Leistung O durchführbar ist und daß auch, wie dies beispiels-

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weise bei Verwendung als Antrieb für Fahrzeuge sehr erwünscht ist, Bremsleistuns vom Turbosatz aufgenommen v/erden kann.

Die Größe der Bauformen der in der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung ini geschlossenen Gaskreislauf angeordneten Turbomaschinen richtet sich nach der zu erzeugenden Auslegungsleistung und dem Auslegungsdruckniveau in geschlossenen Gaskreislauf. Bei einer Nutzleistung von etwa bb KM unter Verwendung von Luft als Arbeitsmittel und einem höchsten Auslegungsdruck im geschlossenen Gaskreislauf von 2b bar habon sich die Verwendung von Radialkompressoren und Zentripetalturbinen als günstig erwiesen. Bei einer das zehnfache der vorbezeichneten Nutzleistung übersteigenden Leistung ist es zweckmäßiger, Axialturbinen zu verwanden. Als KOüipressoren werden dabei zweckmäßig solche axialer und radialer υ zuweise verwendet. Es ergibt sich somit als zweckmäßig, daS die im geschlossenen Gaskreislauf angeordneten Turbomas, chinen als Radial- und/oder als Axialmaschinen ausgebildet sind.

"ine bevorzugte Ausgestaltung der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es notwendig ist, sicherzustellen, daß bei Laständerungen die ve_r der Turbine im geschlossenen Gaskreislauf herrschende Jastcinperatur nicht unter eine vorbestimiate una annähernd konstant zu haltende Temperatur absinkt. Dazu ist es notwendig, das Druckniveau im geschlossenen Gaskreislauf der jeweils in der Erennkai.imer freigesetzten Wärmeleitung anzupassen. Um dies zu erreichen, ist an der Hiederdruckseite des geschlossenen Gas-

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-kreislaufs eine mit einer an sich bekanntan_s die Drehzahl' uea Antriebs ,für das Gebläse zur Zuführung; der Verbrennungsluft in Abhängigkeit von dem Druckniveau im geschlossenen Gaskraislauf verändernden Steuereinrichtung verbundene Druckangeordnet.

Dadurch wird beispielsweise erreicht, daß bei Verringerung eier Nutzlast infolge Verminderung des' Luftdurchsatzes im offenen Kreislauf die Leistung des Gebläses in .stärkerem Maße ver-.rindert wird als die Nutzleistung. Damit ist eine zusätzliche Absenkung der Gastemperatur an der Eintrittsseite des Verdichters verbunden. Infolgedessen-und infolge des bei der vorgesehenen Druckpegelregulierung im geschlossenen Gaskreislauf sich nur geringfügig ändernden Kupplung^wirkungsgrades wirkt ' sich dies so aus, daß der Kupplungswirkungsgrad bei Teillasten besser is.t als bei Vollast.

Uiu zu erreichen, daß von der Gasturbinenanlag^gemäß der Erfindung auch Nutzleistungen abgegeben xirerden können, die kleiner sind als die Nutzleistungen, durch die infolge der Anordnungen der Gasturbinenanlage vorgesehenen Druckpegelregulierung, ist es zweckmäßig, daß die Druckmeßeinrichtung mit einer mit einem im Bypaß angeordneten Ventil in Verbindung stehenden Steuereinrichtung verbunden und so geschaltet ist, daß nach Unterschreiten eines vorbestimmten Drucks im geschlossenen Gaskreislauf das Ventil geöffnet und bei überschreiten des vorbestimmten Druckmeßxtfertes geschlossen wird.

Zum Anfahren und zum Abschalten der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung ist außerdem eine Steuereinrichtung angeordnet, durch die das Druckniveau im geschlossenen Gaskreislauf, die Bypaßeinsteilung, die Drehzahl des Gebläses ' zur Förderung der Verbrennungsluft und die Brennstoffdosierung in vorgegebener Weise eingestellt sowie der auf der Turbosatzwelle angeordnete Anlaßmotor und die Zündeinrichtung in der Verbrennungskammer ein- und abgeschaltet werden.

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Da der geschlossene Gaskreislauf unter einem überdruck gegenüber der Atmosphäre steht, hat es sich insbesondere als zweckmäßig erwiesen, daß zur Lagerung der Welle für den im geschlossenen Gaskreislauf angeordneten Turbosatzes und eines von diesem angetriebenen elektrischen Generators, insbesondere zwischen Hochdruckseite des Kompressors und der Turbine gasdynamische Lager vorgesehen sind. Doch ist es selbstverständlich auch möglich, eine bei schneilaufenden Turbinen übliche Lagerung zu verwenden. Zweckmäßig ist es jedoch, eine gasdynamische Lagerung zwischen der llochdruckseite des Kompressors und der Turbine des Turbosatzes vorzusehen.

Da die Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung zweckmäßig so betrieben wird, daß der geschlossene Gaskreislauf unter überdruck steht, sind die Querschnitte zur Verbindung der in dem geschlossenen Gaskreislauf angeordneten Vorrichtungen vorgesehenen Gasführungen so klein, daß es möglich ist, daß üie Turbomaschinen und der elektrische Generator innerhalb eines durch lösbare Gasanschlüsse mit den übrigen Teilen des geschlossenen Gaskreislaufs verbundenen unter Druck stehenden Druckbehälters angeordnet werden können. Dieser Druckbehälter kann unabhängig von den übrisen Teilen der Gasturbinenanlage oder aber auch innerhalb der Gasturbinenanlage angeordnet sein.

Eine Ausgestaltung der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung besteht darin, daß in dem oder an dem zur Leistungsabgabe dienenden Generator mit einem in einer von dem zur Zuführung der Verbrennungsluft vorgesehenen Gebläse abgezweigten Gasleitung liegenden und von den im geschlossenen Gaskreislauf reführten Arbeitsmittel durchströmten Kühler in Verbindung stehende Kühlkanäle vorgesehen sind, wobei zur zusätzlichen Förderung des Arbeitsmittels auf der VielIe, auf der der Generator angeordnet ist, ein den zur Kühlung des Generators dienender Teil des Arbeitsmittels an die Einlaßseite der innerhalb des Generators

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oder an dem Generator vorgesehenen Kühlkanäle förderndes Gebläse angeordnet ist.

Zweckmäßig ist es, daß das Gebläse zur Förderung des Kühlmittels für den Generator in Abhängigkeit von der Leistungsabgabe des Generators veränderbar ist. Durch die bei der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung für den Wärmeaustausch zwischen dem geschlossenen Gaskreislauf vorgesehene Anordnung der Einrichtung wird erreicht, daß die dem geschlossenen Gaskreislauf zugeführte Wärmeenergie dem Energiebetrag entspricht, der erforderlich ist, die bei der notwendigen Kühlung des Arbeitsmittels im geschlossenen Gaskreislauf zugleich vorgewärmte Luft des äußeren Kreislaufs auf die gewünschte Temperatur der. Verbrennungs-, gase zu bringen. Die zuzuführende Wärmeenergie ist um so kleiner, je kleiner die Temperaturdifferenzen zwischen dem abzukühlenden Arbeitsmittel und der für die Verbrennung vorzuwärmenden Luft an der Stelle, an der die Luft bis zur höchsten Temperatur aufgewärmt wird und ebenfalls zwischen den Verbrennungsgasen und dem zu erhitzenden Arbeitsmittel an der Stelle sind, an der die Verbrennungsgase ihre höchste Temperatur erreichen. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, daß einer oder mehrere der für den Wärmeaustausch zwischen geschlossenem Gaskreislauf und offenem Gaskreislauf vorgesehenen Wärmeaustauscher so ausgebildet sind, daß die wärmeaustauschenden Medien im Gegenstrom geführt sind, wobei die dabei vorgesehene Wärmeaustauschermatrxx Scheibenform besitzt und so angeordnet ist, daß die Scheibenebenen von den jeweils sich kreuzenden Gasströmen des geschlossenen¹ und des äußeren Gaskreislaufs in Richtung der Normalen durchströmt werden.

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Ist die Wärmeaus taus cherinatrix scheibenförmig ausgebildet, so ist es zweckmäßig, daß mit den Matrixflächen der Wärmeaustauscher für das im geschlossenen Gaskreislauf geführte Arbeitsmittel und für die im äußeren Kreislauf geführte Luft oder die Verbrennungsgase mit rohrförmigen Gasführungen in Verbindung stehende Gassammler verbunden und so allgeordnet sind, daß jeweils gleichartige Gase von den Qasführungen aufgenommen werden.

Sehr vorteilhaft ist es auch, daß einer oder mehrere der für den Wärmeaustausch zwischen geschlossenem Gaskreislauf und offenem Gaskreislauf vorgesehenen Wärmeaustauscher aylinderförmig ausgebildet und so angeordnet sind, daß die dadurch gebildeten Zylinderoberflächen in Richtung der Normalen von den jeweils sich kreuzenden Gasströmen des geschlossenen und des äußeren Gaskreislaufs durchströmt werden. Die Verwendung so ausgebildeter Wärmeaustauscher hat außerdem den Vorzug, daß sie infolge ihrer kompakten Bauweise nur einen verhältnismäßig geringen Raum beanspruchen.

Eine hinsichtlich der raumsparenden Ausifirkung besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung ergibt sich dadurch, daß die Wärmeaustauscher koaxial zueinander angeordnet und so geschaltet sind., daß der innere Wärmeaustauscher radial von außen nach innen von der aufzuwärmenden Verbrennungsluft und der äußere Wärmeaustauscher von innen nach außen von den Verbrennung gasen durchströmt wird.

Dabei ist es im Hinblick auf den Wirkungsgrad vorteilhaft, die Wärmeaustauscher so auszubilden, daß für das in dem geschlossenen Gaskreislauf geführte Arbeitsmittel und

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die im äußeren Gaskreislauf geführte Luft oder die Verbrennungsgase auf den Matrixflächen der Wärmeaustauscher parallel zur Achsrichtung geführte Gassammler und mit an beiden Enden des. Wärmeaustauschers angeordneten vorzugsweise ringförmig oder spiralenförmig ausgebildeten Gasführungen so verbunden sind, daß die beiden an einer Seite der Wärmeaustauschermatrix ein- und austretenden Gasströme jeweils von einer der einander gegenüberstehenden Gasführungen aufgenommen werden.

Eine besonders raumsparende Ausbildung der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung ergibt sich dadurch, daß es sich als völlig ausreichend erwiesen hat, daß die Abstände der Bleche der Wärmeaustauschermatritzen für das Arbeitsmittel des geschlossenen Gaskreislaufs kleiner oder höchstens gleich groß sind wie die Abstände der Bleche für die Verbrennungsluft oder die Verbrennungsgase des äußeren Kreislaufs.

Eine weitere zweckmäßige Ausbildungsform der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung besteht darin, daß das Gebläse bei koaxialer Anordnung der Wärmeaustauscher auf der Lufteintrittsseite koaxial zu den Wärmeaustauschern angeordnet und über eine Ringleitung mit den Gassammlern für den Lufteintritt des als Luftvorwärmer vorgesehenen Wärmeaustauschers verbunden ist.

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Eine weitere Ausgestaltung der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung besteht darin, daß auf der das Gebläse und den Antriebsmotor fUr das Gebläse tragenden Welle ein mit der Welle umlaufender, in den die Wärmekammer bildenden Raum hineinragender und in die Brennkammer Brennstoff abgebender Brennstoffzerstäuber angeordnet ist. Dadurch wird eine feine und auf engstem Raum stattfindende Zerstäubung des Brennstoffs erzielt. Ein Vorzug dieser Ausgestaltung der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung besteht darin, daß es nicht notwendig ist, eine Förderpumpe vorzusehen. Um ein einwandfreies Arbeiten sicherzustellen* ist der den Brennstoffzerstäuber aufnehmende Raum gasdicht gegenüber der Umgebung abgeschlossen; der in ihm herrschende Druck ist gleich dem Druck, hinter dem zur Förderung der Verbrennungsluft vorgesehenen Gebläse.

Wird, wie dies vorgesehen ist, zur Leistungsabgabe ein Generator angeordnet, so wird dieser zweckmäßig in der Weise in zwei Abschnitte aufgeteilt, daß ein Abschnitt zur Leistungsabgabe an den Antriebsmotor für das Gebläse und der andere Abschnitt zur Nutzleistungsabgabe dient. Zum Anwerfen des Turbosatzes aus dem Stillstand ist entweder an einem Abschnitt des Generators eine zum Betrieb dieses Generators als Motor dienenden Zusatzwicklung vorgesehen oder aber es ist zusätzlich zum Generator ein auskuppelbarer Anwurfmotor angeordnet.

Um, wie vorgesehen, bei der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung innerhalb vorgegebener Grenzen willkürlich einen beliebigen Lastzustand zu erzielen, ist bei der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung eine Betätigungseinrichtung vor-

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gesehen, die so ausgebildet ist, daß die zur Herbeiführung unterschiedlicher Lastzustände in an sich bekannter Weise aus einom Lastbetätigungsorgan und einem Bremsbetätigungsorgan bestehende Schalteinrichtung über ein Steuerorgan und mit an der Gasspeichereinrichtung für den geschlossenen Gaskreislauf angeordneten Ein- und Auslaßventilen und gegebenenfalls mit dem im Bypaß angeordneten Ventil so verbunden ist, daß das Druckniveau im geschlossenen Gaskreislauf und gegebenenfalls der Querschnitt der Bypaßleitung dem zu fordernden Lastdrehmoment oder dem Bremsdreh-' moment angepaßt wird, wobei jeweils die sich aus der "Einwirkung der Kräfte einer Feder und eines Gegenlagers auf die Betätigungsorgane ergebenden Ruhestellungen dem niedrigsten Druckniveau der sich im geschlossenen Gaskreislauf aus der Verbindung mit der Gasspeichereinrichtuhg ergebenden Druckpendelregulierung entsprechen und wobei eine die Turbodrehzahl messende Drehzahleinrichtung mit dem im Bypaß angeordneten Ventil und mit der Brennstoffzuführung verbundene Steuereinrichtung verbunden und so geschaltet ist, daß die Drehzahl konstant bleibt.

Um zu verhindern, daß für den Fall, daß durch die "Verbrennungsgase unzulässig hohe Temperaturen erreicht werden, Beschädigungen der Gasturbinenanlage auftreten können, ist es zweckmäßig, daß in der Brennkammer ein oder mehrere Thermoelemente angeordnet und mit der mit der Brennstoffzuführung in Verbindung stehenden Steuereinrichtung so ge-

,vor

schaltet sind, daß beim überschreiten einer^bestimmten oberen Terapcraturgrenze die Brennstoffzuführung unterbrochen oder reduziert wird.

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Vorteilhaft ist es außerdem, daß ein unter dem von dem Gebläse für die Verbrennungsluft erzeugten Luftdruck stehender Kraftstoffbehälter vorgesehen ist. Dadurch \iird erreicht, daß auch dann, wenn das Brennstoffniveau niedriger ist als an der BrennstoffZuführungsstelle, Brennstoff in die Brennkammer gefördert wird, ohne daß es erforderlich ist, für diesen Fall eine Brennstoffpumpe vorzusehen.

Um zu verhindern, daß Luftverunreinigungen in den äußeren Gaskreislauf eindringen können, ist es zweckmäßig, vor dem Gebläse zur Förderung der Verbrennungsluft ein Luftfilter vorzusehen. Die den offenen Gaskreislauf verlassenden Abgase haben eine Temperatur, die etwa 200° C entspricht. Um die Gefahr von dadurch entstehenden Schäden auszuschließen, ist es zweckmäßig, daß das Ende der Abgasleitung in mehrere Auslässe unterteilt ist oder am Ende der Abgasleitung eine das Abgas mit Umgebungsluft mischende an sich bekannte Mischeinrichtung vorgesehen ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen

P13. 1 eine schematischa Darstallung der Gasturbinenanlage

Fig. 2 ein Ausführun~sbeispiel einer Steuereinrichtung für die Gasturbinenanlage nach Fig. 1 in schematischer Darstellung

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Fig. 3 eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Gasturbinenanlage gemäß Fig. 1 im"Längsschnitt und teilweise in schematischer Wiedergabe ' .

' als

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines deu Kühler für

das Gas des geschlossenen Gaskreislaufs verwendeten Wärmeaustauschers der Ausführungsform der Gasturbinenanlage nach Fig. 3, teilweise im Schnitt.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, sind die Gasturbine 1, der Kompressor 2, der zur Abgabe der Nutzleistung vorgesehene Generator 3 und ein weiterer Generator k zur Erzeugung der Leistung für den Antrieb eines Gebläsemotors für die Verbrennungsluft sowie ein zur Kühlung der Generatoren 3 und 4 vorgesehenes Gebläse 5 und ein Anlaßmotor 6 auf einer gemeinsamen Welle 7 innerhalb eines unter Druck stehenden Behälters 8 gelagert. Die für die Welle 7 vorgesehenen Lager 9 sind auf Quer- und Längskräfte beanspruchbar. Der Kompressor 2, ein Erhitzer Io, die Turbine 1 und ein Kühler 11 werden in der angegebenen Reihenfolge im geschlossenen Gaskreislauf von dem Arbeitsmittel durchströmt. Der geschlossene Gaskreislauf steht über ein Ventil 12 mit·einem Hochdruckbehälter 13 oder für den Fall, daß als Arbeitsmittel Luft verwendet wird, mit einem mit einem Motor gekuppelten Kompressor 14 in Verbindung, so daß es möglich ist, etwaige Arbeitsmittelverluste im geschlossenen Gaskreislauf auszugleichen. Dabei ist zu beachten, daß im Erhitzer Io infolge Kompression des Arbeitsmittels durch den

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Kompressor 2 und durch die Erhitzung des Arbeitsmittels der höchste Druck besteht, während in; Kühler 11 infolge der Expansion des Arbeitsmittels bei seinem Austritt aus der Turbine 1 und infolge Abkühlung im geschlossenen Gaskreislauf der niedrigste Druck herrscht. Außerdem steht der geschlossene Gaskreislauf über eine Leitung 15 und über Ventile 17 und 19 auf der Hochdruckseite und über eine Leitung 18 und über Ventile 16 und 2o mit zwei parallel geschalteten Gasspeichern 21 in Verbindung. Statt der beiden Gasspeicher 21 können auch mehrere Gasspeicher, odor es kann statt dessen auch nur ein Gasspeicher vorgesehen sein. Dabei ist, um die Speicherkapazität der Gasspeicher 21 zu vergrößern, auf der Kochdruckseitc der Gasspeicher in der Leitung IiT ein Kühler 22 vorgesehen, uu das Arbeitsmittel abzukühlen. Aufgrund dor im geschlossenen G-askreislauf herrschenden Druckunterschiedc ist es ohne weiteres -möglich, auf der Kochdruckseite des Kreislaufs oinen Teil aes Arbeitsmittels in die Gasspeicher 21 aufzunehmen, da der Druck in den Gasspeichern wie vorgesehen niedriger ist als der Druck im geschlossenen Gaskreislauf auf der Ilochiruckseite. Umgekehrt kann auf ior llieo-.erdruckscito aus den Gasspeichern 21 Gas an den geschlossenen Gaskrciolauf abgegeben werden, da der Druck in 3en Gasspeichern hoher ist als 4er auf der Miedcrdruckscito des geschlossenen Gaskreislaufs.

Im äußeren xit der Außenluft in Verbindung stehenden Kreislauf sind ein Axialgebläse 23 zum Ansaugen der Luft, der zugleich zur Luftvorwärmung dienende Kühler 11 für das Arbeitsmittel und der Erhitzer Io angeordnet, der übe·:¹ eine

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Abgasleitung 25 die in der Brennkammer 24 gebildeten Verbrennungsgase mittels der Gasmischer 26 an die Umgebung abgibt. Dem Axialgebläse 23 sind ein Filter 27 sowie der zugleich der Luftvorwärmung dienende Speichergaskühler 22. vorgeschaltet. Zum Antrieb des Axialgebläses 23 ist ein Motor vorgesehen, der zugleich mit einem Drehzahlregler 29 auf einer gemeinsamen Welle 3o mit dem Axialgebläse 23 gelagert ist. Auf der Welle 3o ist außerdem ein Brennstoffzerstäuber 31 so angeordnet, daß er zugleich einen Teil der äußeren Begrenzung eines unter dem auf der Gebläseaustrittsseite herrschenden Drucks stehenden Behälter 32 bildet. Da der Behälter 32 unmittelbar an die Brennkammer 24 an- ' grenzt, bildet der Brennstoffzerstäuber 31 zugleich mindestens einen Teil der gemeinsamen Begrenzung zxiischen Brennkammer 24 und Behälter 32.

Außerdem ist am Austritt des Axialgebläses 23 die mit dem Brennstoffbehälter 33 in "Verbindung stehende Leitung 34 vorgesehen. Dadurch wird der Brennstoffbehälter 33 mit unter Druck stehender Luft beaufschlagt_s so daß die Brennstoffförderung zum Brennstoffzerstäuber 31 über die zwischen Brennstoffbehälter 33 und Brennstoffzerstäuber '31 vorgesehene Brennstoffleitung 35 auch unter ungünstigen Bedingungen sichergestellt ist. Wie aus der Zeichnung hervorgeht'₃ ist in der Brennstoffleitung 35 außerdem ein in Abhängigkeit von auf der Welle 3o angeordneten Drehzahlregler 29 steuerbares Ventil ^b angeordnet. Der Ausgang des Axialgebläses 23 ist außerdem mit einer zu dem Kühler 37 führenden Leitung 3b verbunden. Der Kühler 37 dient zur Kühlung der auf der Wolle 7 angeordneten Generatoren 3 und 4, in denen zu diesem äweck Kühlkanäle vorgesehen sind. Durch die in den Generatoren 3 und *t angeordneten Kühlkanäle wird mittels eines

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auf der Welle 7 angeordneten Gebläses 5 unter niedrigsten Druck des geschlossenen Gaskreislaufs stehendes Arbeitsmittel durch den Kühler 37 umgewälzt und dabei gekühlt.

Wie am besten aus Fig. 2 zu entnehmen ist, wird die Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung mittels eines an sich bekannten Betätigungsorgans 39 angelassen. Das geschieht in der Weise, daß über einen Steuerpfad si ein Hauptsteuerorgan 4o und von dort über den Steuerpfad s2 sowie über den Stellpfad s3 und den Stellmotor 42 sowie ein weiteres Steuerorgan 41 ein in einem Hochdruck- und Niederdruckseite des geschlossenen Gaskreislaufs verbindenden Bypaß 43 angeordnetes Ventil 44 geöffnet wird. Ferner wird mittels des Betätigungsorgans 39 über den Pfad si das Steuerorgan 4o Stellpfade s4 und s5 sowie über Stellglieder 45 und 46 die Stellung der den Druckpegel im geschlossenen Gaskreislauf regulierenden Ventile 19 und 2o und über einen Steuerpfad s6 und ein Steuerorgan 47 mittels des von einer Batterie 4 8 gespeisten, Anlaßmotor 6 die Welle 7 angefahren. Durch das Betätigungsorgan 39 wird gleichzeitig mit den vorbezeichneten Vorgängen über einen Steuerpfad s7 ein Steuerorgan 49 betätigt und mittels einer von der Batterie gespeisten Vorglüheinrichtung 5o die Zündung in der Brennkammer 24 betätigt. Eingeleitet durch Betätigen des Betätigungsorgans 39 wird ferner über den Steuerpfad s8 ein Steuerorgan 51 und über einen weiteren Stellpfad s9 ein Stellglied 52 mit der Wirkung betätigt, daß das Regelventil 36 für den Kraftstoff eingestellt wird. Über den Steuerpfad slo wird durch das Betätigungsorgan 39 ferner ein Steuerorgan 5 3 mit der Wirkung betätigt, daß die Dreh-

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zahl des vom Generator H elektrisch betriebenen Motors 28 für das Axialgebläse 23 für die Verbrennungsluft eingestellt wird.

Zur Einstellung des gewünschten Lastdrehmoments und des Bremsdrehmoments sind ein Lastbetätigungsorgan 5H und ein Bremsbetätigungsorgan 55 vorgesehen. Beide Betätigungsorgane werden jeweils durch eine Feder 56 oder 57 sowie durch ein Gegenlager 58 oder 59 in einer festen Ruhelage gehalten. Eine Betätigung der Betätigungsorgane 54 und 55 wird - wie aus Fig. 2 hervorgeht - über Sollwertgeber 6o und 61 und Steuerpfade sll und sl2 auf das Hauptsteuerorgan 4o übertragen. Dem Hauptsteuerorgan Ho wird außerdem über den Pfad sl3 und einen Meßwertverteiler 62, der von einem auf der Niederdruckseite des geschlossenen Gaskreislaufs angeordneten Druckmesser 63 gemessene Druck aufgeschaltet. Das Hauptsteuerorgan Ho schaltet ferner über die Steuerpfade sH und s5 und über die Stellglieder H5 und H6 das Ventil 19 in der Entnahmeleitung 15 und das Ventil 2o in der Einspeiseleitung 18 des geschlossenen Gaskreislaufs. Außerdem wird durch das Hauptsteuerorgan Ho über den Steuerpfad s2 das Steuerorgan Hl, den Stellpfad s3.und das Stellglied H2 die Stellung des in der Bypaßleitung H3 vorgesehenen Ventils ^H gesteuert.

Die an der Niederdruckseite der Gasspeichereinrichtung vorgesehenen Ventile 17 und 19 sind so geschaltet, daß jeweils eins der beiden Ventile während der Steuerung der in den zum geschlossenen Gaskreislauf führenden Gasleitungen 15 und 18 angeordneten Ventile 16 und 2o geöffnet und das andere geschlossen ist. Welches der beiden

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Ventile 17 und 18 geöffnet und welches geschlossen ist, ist abhängig von dem Druck in den einzelnen Speicherbehältern 21, da die von einem zur Messung des Drucks in jedem der Gasspeicher vorgesehenen Druckmeßgeräten 64 und 65 abgegebenen Meßsignale über die Pfade sl4 und sl5 einem Stellglied 66 zugeleitet werden, durch das die Ventile 1^- und 19 nach Maßgabe der Druckpegel eingestellt werden.

Das in der Leitung 88 zum Nachspeisen des geschlossenen Gaskreislaufs vorgesehene Ventil 12 wird mittels eines Stellgliedes 67 in Abhängigkeit von dem im geschlossenen Gaskreislauf angeordneten Druckmesser 6 3 an den Meßwertverteiler 6 2 abgegebenen und mittels eines über einen Pfad sl6 abgegebenen Signal so gesteuert, daß es nur dann geöffnet wird, wenn der Druck in dem geschlossenen Kreislauf auf der Niederdruckseite unter einen vorgegebenen Mindestwert absinkt. Um zu erreichen, daß die vom Gebläse 23 geförderte Verbrennungsluftmenge dem Druckpegel im geschlossenen Gaskreislauf angenähert proportional ist, wird die Drehzahl des als Antrieb für das Gebläse 23 vorgesehenen Motors 28 mittels des Steuerorgans 53 gesteuert, das von dem Druckmesser 63 über den Meßwertverteiler 62 und einen Pfad si7 ein entsprechendes Signal empfängt. Die Brennstoffzufuhr wird durch das in der Brennstoffleitung 35 angeordnete Ventil 36 und durch den Zerstäuber 31 so gesteuert, daß sich in der Brennkammer 24 eine vorbestimmte annähernd konstante Verbrennungstemperatur einstellt. Das geschieht dadurch, daß die von dem auf der für das Gebläse 2 3 vorgesehenen Welle 3o angeordneten Drehzahlmesser 29 abgegebenen Meßwerte in Signale umgewandelt über einen Meßpfad sl8, einen Verteiler 29a, einen Pfad sl9, das Stellorgan 51, den Pfad s9 und das Stellglied 52 an

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das in der Brennstoffzuführung 35 angeordnete Regelventil 36 abgegeben werden.

Bei der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung ist außerdem eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung der Drehzahlen der Wellen 7 und 3o und der Temperatur in der Brennkammer 24 vorgesehen. Die daraus sich ergebende Überwachungsfunktion überlagert sich der Funktion der Steuereinrichtung. Zur Überwachung der Drehzahl der Welle 7 ist an dieser Welle ein Drehzahlmesser 68 angebracht. Das der jeweiligen Drehzahl entsprechende Meßsignal wird über einen Meßpfad s2o dem Bypaßsteuerorgan M-I zugeführt. Wird eine vorbestimmte Drehzahl der Welle 7 überschritten, so wird durch die Abgabe eines Signals an das Stellglied 42 über einen Stellpfad s3 bewirkt, daß das Bypaßventil 44 geöffnet wird.

In ähnlicher Weise wird die Drehzahl der Welle 3o überwacht. Das geschieht dadurch, daß dem Steuerorgan 53_s das die Drehzahl des Antriebsmotors 28 für das Gebläse 23 steuert, von dem Drehzahlmesser 29 über den Pfad sl8₉ den Verteiler 29a und den Pfad s21 ein Signal zugeführt wird.

Überschreitet die Temperatur in der Brennkammer 24 einen vorgegebenen zulässigen Maximalwert, so wird ein von einem in der Brennkammer 24 angeordneten Thermoelement 69 erzeugtes Meßsignal dem KraftStoffsteuerorgan 51 über den Pfad s22 zugeleitet. Von dem Kraftstoffsteuerorgan 51 wird dann infolge Abgabe eines Signals an das Stellglied 52 über den Pfad s9 das Kraftstoffventil 36 und somit die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer abgesperrt.

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In Fig. 3 ist eine Ausführungsform der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung wiedergegeben, wobei zur Vereinfachung der Darstellung die Steuereinrichtung nicht eingezeichnet ist. Bei dieser Ausführungsform sind der als Erhitzer Io vorgesehene Wärmeaustauscher und der der Turbine 1 als Kühler 11 nachgeschaltete Wärmeaustauscher zylindrisch ausgebildet und koaxial zueinander angeordnet. Außerdem ist der aus der Turbine 1, dem Kompressor 2 gebildete Turbosatz auf einer Welle 7 angeordnet, wobei außerdem ein von dem Turbosatz direkt angetriebener Generator 3 vorgesehen ist. Die aus der Atmosphäre entnommene und von dem Gebläse 2 3 angesaugte Luft strömt dabei in Pfeilrichtung durch eine in Form eines Kreisringspaltes ausgebildete Ansaugöffnung zum Luftfilter 27 und von dort über eine an dem Speichergaskühler 22 entlang geführte Leitung 27a zu dem fliegend gelagerten Axialgebläse 23. Auf der Welle des Axialgebläses 23 sind der Antriebsmotor 28 mit regelbarer Drehzahl und ein Fliehkraftregler 29 zur Steuerung des Kraftstoffregelventils 36 und des BrennstoffZerstäubers 31, in den die Brennstoffzuführungsleitung 35 einmündet, angeordnet. Koaxial zum Gebläse und zur Welle 3o und koaxial zueinander sind Luftvorwärmer 11 und Erhitzer Io angeordnet.

Bei dieser Anordnung wird die vom Gebläse 2 3 kommende Luft durch den ringförmigen Sammelraum 2 7b auf der Außenseite des Luftvorwärmers 11 über den konisch ausgeführten Gasverteiler 7o zum Luftvorwärmer 11 geführt. Nach der radial von außen nach innen erfolgenden Durchströmung des Luftvorwärmers 11 gelangt die vorgewärmte Luft durch den konisch ausgeführten Gassammler 71 zur Ringbrennkammer 24.

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Von dort strömt das Verbrennungsgas durch einen hohlkegelförmigen Gasverteiler 72 radial von innen nach außen durch den Wärmeaustauscher Io, in dem die Verbrennungsgase gekühlt werden und anschließend durch einen hohlkegelförmig ausgebildeten Gassammler 73, durch ein Spiralgehäuse 74 und von dort durch die Abgasleitung 25, an deren Ende Abgasrohre 7 5 und auf diese aufgesetzte Luftmischer 26 angeordnet sind, in die Umgebung.

An dem Behälter 8, in dem - wie aus Fig. 3 zu entnehmen ist Turbine 1, Kompressor 2 und die von dem Turbosatz angetriebenen Generatoren 3 und 4 angeordnet sind, sind insgesamt vier Gasleitungsanschlüsse zur Verbindung mit dem zylindrischen Erhitzer Io und dem ebenfalls zylinderförmigen Kühler 11 vorgesehen. Dabei wird das vom Kompressor 2 kommende Arbeitsmittel einem Spiralgehäuse 83a zugeführt und sodann dem als Erhitzer Io dienenden Wärmeaustauscher über am äußeren Umfang des Wärmeaustauschers Io angeordnete Gasverteiler 8 3 zugeleitet. Der Erhitzer Io wird dabei radial von außen nach innen durchströmt. Am inneren Umfang des Erhitzers Io wird das Arbeitsmittel in Gassammlern 84 gesammelt und einem Spiralgehäuse 85 zugeführt. Von dort gelangt das Arbeitsmittel zum Turbineneinlaß am Behälter 8. Nach Expansion in der Turbine 1 wird das Gas zu einer am inneren Umfang des Kühlers 11 angeordneten Spirale 76 geführt. Die Gaszuführung zur Spirale 76 durchdringt die vom Sammelraum 71 für das im äußeren Kreislauf geführte Gas zum Gebläse 23 führende Ringleitung 27b dergestalt, daß die äußere Durchdringung gasdicht und die innere Durchdringung nicht gasdicht ausgebildet ist. Von der Spirale 76 gelangt das Arbeitsmittel über auf dem inneren Umfang des Kühlers 11 angeordnete Gasverteiler 78 und durch diese zum Kühler 11. Der Kühler 11 wird radial von innen nach außen durchströmt. Das durch die auf der Außenseite des Kühlers 11 angeordneten Gassammler 79 austretende Gas wird dann zur Spirale 8ο und von dort zum Kompressoreinlaß am Behälter 8 geleitet, wo es auf den oberen Prozeßdruck

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verdichtet wird. Die Verbindungsleitung von der Spirale 80 zum Behälter 8 durchdringt die Brennkammer 2t, wobei die Durchdringungen gasdicht ausgeführt sind.

Der zur Aufnahme des Gebläsemotors 28 bestimmte Raum, der von der Brennkammer 2H durch den Brennstoffzerstäuber 31 getrennt ist, ist gegenüber der Umgebung mittels des Abschlusses 86 verschlossen. Der in ihm herrschende Druck entspricht dem vom Gebläse 23 erzeugten Luftdruck. Zum Nachspeisen von durch Leckverluste verloren gegangenen Arbeitsmittels ist eine Luftpumpe 87 mit dem nachgeschalteten Einspeiseventil 12 vorgesehen.

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, wird bei zylindrischer Ausbildung der Wärmeaustauscher beispielsweise das Arbeitsmittel des geschlossenen Gaskreislaufs durch eine Gasführung 76 zu in Längsrichtung auf der Innenseite der Wärmeaustauschermatrix 77 aufgeschweißten Gasverteilern 78 geführt. Die Gasverteiler 78 sind jeweils auf der dem Gaseinlaß gegenüberliegenden Seite gasdicht verschlossen. Durchströmt das Arbeitsmittel des geschlossenen Gaskreislaufs die Matrix 77 von der Innenseite des zylindrischen Wärmeaustauschers her in Richtung zum Außenumfang hin, so wird es dort von in Längsrichtung auf der Matrix aufgeschweißten, an ihrem einen Ende gasdicht verschlossenen Gassammlern 79 aufgenommen. Von dort wird das Arbeitsmittel zu einer an dem der Gaszuführung 76

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gegenüberliegenden Ende des Wärmeaustauschers angeordneten spiralförmig ausgebildeten Gasabführung 80 geleitet, und durch diese der Brennkammer 24 zugeführt. Die Gassammler 79 sind durch eine Abdeckung 81 und die Gassammler 78 von einer Abdeckung 82 umgeben.

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Claims

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Kernforschungsanlage Julien Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Patentanspruch e

Gasturbinenanlage, bei der Kompressor, Erhitzer, Turbine sowie ein hinter dem Turbinenausgang angeordneter zugleich als Luftvorwärmer für die Verbrennungsluft dienender Kühler in einem geschlossenen, von einem Arbeitsmittel durchströmten Gaskreislauf geschaltet sind und bei der der der Turbine nachgeschaltete Kühler, Brennkammer und Erhitzer in einem mit der Atmosphäre in Verbindung stehenden äußeren Gaskreislauf liegen, und wobei zum Wärmeaustausch zwischen äußerem und geschlossenem Gaskreislauf Wärmeaustauscher vorgesehen sind, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

a) die Anordnung eines aus Turbine und Kompressor gebildeten Turbosatzes auf einer Welle mit einer Leistungsabnahme oder deren Verbindung mit der Welle für den Turbosatz durch Unter- oder Übersetzungsgetriebe,

b) die Anordnung einer die Drucke auf der Hochdruckseite und auf der Niederdruckseite des geschlossenen Gaskreislaufs verändernden Speichereinrichtung,

c) die Anordnung eines von einem regelbaren Motor angetriebenen Gebläses in der Zuführung für die Verbrennungsluft,

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d) die Anordnung einer mit einer die Brennstoffzuführung verändernden Steuereinrichtung verbundenen Temperaturmeßeinrichtung in der Brennkammer,

e) die Anordnung einer in Abhängigkeit von einer vorbestimmten unteren Grenze des Druckes im geschlossenen Gaskreislauf automatisch tätigwerdenden Einrichtung zum Einspeisen von Gas in den geschlossenen Gaskreislauf,

f) die Anordnung einer den Druck im geschlossenen Gaskreislauf und in der Gasspeichereinrichtung, die Drehzahl des Gebläses für die Verbrennungsluft und die Brennstoffzuführung beeinflussenden Steuereinrichtung,

g) die Anordnung einer Steuereinrichtung zur Veränderung der Brennstoffzuführung, der Drehzahl des Gebläses für die Verbrennungsluft, des Druckniveaus im geschlossenen Gaskreislauf sowie einer Anlaßvorrichtung für die Turbosatzwelle und die Zündeinrichtung für die Brennkammer zur Herbeiführung unterschiedlicher Lastzustände ,

h) die Anordnung einer Überwachungseinrichtung für die Drehzahl der Turbosatzwelle sowie einer den Querschnitt des Bypasses beeinflussenden Betätigungseinrichtung.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Druck des geschlossenen Gaskreislaufs verändernde Einrichtung aus einem Gasspeicher oder aus mehreren parallel geschalteten Gasspeichern besteht, die jeweils über von Hand betätigbare oder gesteuerte Ein- und Auslaßventile mit der

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Niederdruckseite und der Hochdruckseite des geschlossenen Gaskreislaufs verbunden sind.

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abgabe der in dem im Arbeitsmittel in der den geschlossenen Gaskreislauf mit der Speichereinrichtung verbindenden Leitung zum Einspeisen des Gases ein im äußeren Gaskreislauf vor dem Gebläse zur Förderung der Verbrennungsluft liegender, nach dem Regenerationsprinzip arbeitender, Wärmeaustauscher vorgesehen ist.

4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der regenerative Wärmeaustauscher aus einem Behälter mit an der Außenfläche angeordneten Kühlrippen und einem an der Innenwandung angelöteten Drahtbündel aus massiven, gut wärmeleitenden, in geringem Abstand zueinander angeordneten, Drähten gebildet wird.

5. Gasturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im geschlossenen Gaskreislauf zwischen dem Gasauslaß des Kompressors und dem Turbinenauslaß eine Bypassleitung vorgesehen ist, in der ein von Hand einstellbares und/oder mit einer Steuereinrichtung in Verbindung stehendes Ventil angeordnet ist.

0. Gasturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß die im geschlossenen Gaskreislauf angeordneten Turbomaschinen als Radial- und/oder als Axialmaschinen ausgebildet sind.

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'(. Gasturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Niederdruckseite des geschlossenen Gaskreislaufs eine mit einer an sich bekannten, die Drehzahl des Antriebs für das Gebläse zur Zuführung der Verbrennungsluft in Abhängigkeit von dem Druckniveau im geschlossenen Gaskreislauf verändernden Steuereinrichtung verbundene Druckmeßeinrichtung angeordnet ist.

8. Gasturbinenanlage nach Anspruch Y, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmeßeinrichtung mit einer mit einem im By.paß angeordneten Ventil in Verbindung stehenden Steuereinrichtung verbunden und so geschaltet ist, daß nach Unterschreiten eines vorbestimmten Drucks im geschlossenen Gaskreislauf das Ventil'geöffnet und bei überschreiten des vorbestimmten·Druckmeßwertes geschlossen wird.

9. Gasturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 bis !^,dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagerung der Welle für den im geschlossenen Gaskreislauf angeordneten Turbosatzes und eines von diesem angetriebenen elektrischen Generators, insbesondere zwischen Hochdruckseite des Kompressors und der Turbine gasdynamische Lager vorgesehen sind.■

Io. Gasturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 bis S₃ d.a durch gekennzeich.net, daß die Turbomaschinen und der elektrische Generator innerhalb eines durch lösbare Gasanschlüsse mit den übrigen Teilen des geschlossenen Gaskreislaufs verbundenen unter Druck stehenden Druckbehälters angeordnet sind.

409829/0017 " ³⁴ "

11. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis Io, dadurch gekennzeichnet, daß in dem oder an dem zur Leistungsabgabe dienenden Generator mit einem in einer von dem zur Zuführung der Verbrennungsluft vorgesehenen Gebläse abgezweigten Gasleitung liegenden und von den im geschlossenen Gaskreislauf geführten Arbeitsmittel durchströmten Kühler in Verbindung stehende Kühlkanäle vorgesehen sind, wobei zur zusätzlichen Förderung des Arbeitsmittels auf der Welle, auf der der Generator angeordnet ist, ein den zur Kühlung des Generators dienender Teil des Arbeitsmittels an die Einlaßseite der innerhalb des Generators oder an dem Generator vorgesehenen Kühlkanäle förderndes Gebläse angeordnet ist.

12. Gasturbinenanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Gebläses zur Förderung des Kühlmittels für den Generator in Abhängigkeit von der Leistungsabgabe des Generators veränderbar ist.

13. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere der für den Wärmeaustausch zwischen geschlossenem Gaskreislauf und offenem Gaskreislauf vorgesehenen Wärmeaustauscher so ausgebildet sind, daß die wärmeaustauschenden Medien im Gegenstrom geführt sind, wobei die dabei vorgesehene Wärmeaustauschermatrix Scheibenform besitzt und so angeordnet ist, daß ihre Ebene von den jeweils sich kreuzenden Gasströmen des geschlossenen und des äußeren Gaskreislaufs in Richtung der Normalen durchströmt wird.

14. Gastrubinenanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Matrixflächen der

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Vlürmeaustauscher für das im geschlossenen Gaskreislauf geführte Arbeitsmittel und für die im äußeren Kreislauf geführte Luft oder die Verbrennung gase mit rohrförmigen Gasführungen in Verbindung stehende Gassammler vorgesehen und so verbunden sind, daß jeweils gleichartige Gase von den Gasführungen aufgenommen werden.

15. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere der für den Wärmeaustausch zwischen geschlossenem Gaskreislauf und offenem Gaskreislauf vorgesehenen Wärmeaustauscher zylinderförmig ausgebildet und so angeordnet sind, daß die dadurch gebildeten Zylinderoberflächen in Richtung der Normalen von den jeweils sich kreuzenden Gasströmen des geschlossenen und des äußeren Gaskreislaufs durchströmt werden.

16. Gasturbinenanlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscher koaxial zueinander angeordnet und so geschaltet sind, daß der innere Wärmeaustauscher radial von außen nach innen von der aufzuxfärmenden Verbrennungsluft und der äußere Wärmeaustauscher von innen nach außen von den Verbrennungsgasen durchströmt wird.

17. Gasturbinenanlage nach den Ansprüchen 13.bis 16, da-, durch gekennzeichnet, daß für das in dem geschlossenen Gaskreislauf geführte Arbeitsmittel und die im äußeren Gaskreislauf geführte Luft oder die Verbrennungsgase auf den Matrixflächen der Wärmeaustauscher

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parallel zur Achsrichtung geführte Gassammler und mit an beiden Enden des Wärmeaustauschers angeordneten vorzugsweise ringförmig oder spiralenförmig ausgebildeten Gasführungen so verbunden sind, daß die beiden an einer Seite der Wärmeaustauschermatrix ein- und austretenden Gasströme jeweils von einer der einander gegenüberstehenden Ga3führungen aufgenommen werden.

18. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 17, da durch gekennzeichnet, daß die Abstände der Bleche der Wärmeaustauschermatritzen für das Arbeitsmittel des geschlossenen Gaskreislaufs kleiner oder höchstens gleich groß sind wie die Abstände der Bleche für die Verbrennungsluft oder die Verbrennungsgase des äußeren Kreislaufs.

19. Gasturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 und Iß, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse bei koaxialer Anordnung der Wärmeaustauscher auf der Lufteintrittsseite koaxial zu den Wärmeaustauschern angeordnet und über eine Ringleitung mit den Gassammlern für den Luft· eintritt des als Luftvorwärmer vorgesehenen Wärmeaustauschers verbunden ist.

20. Gasturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Bronn- ■ kammer ringförmig ausgebildet ist.

21. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der das Gebläse und den Antriebsmotor für das Gebläse tragenden Welle ein mit der Wolle umlaufender, in den die Wärmekarger bildenden Rauu hineinragender und in die Brennkammer Brennstoff abgebender Brennstoffzerstäuber angeordnet ist.

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22. Gasturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Herbeiführung unterschiedlicher Lastzustände in an sich bekannter Weise aus einem Lastbetätigungsorgan und einem Bremsbetätigungsorgan bestehende Schalteinrichtung über ein Steuerorgan und so mit an der Gasspeichereinrichtung für den geschlossenen Gaskreislauf angeordneten Ein- und Auslaßventilen und gegebenenfalls mit dem im Bypaß ange^ ordneten Ventil verbunden ist, daß das Druckniveau im geschlossenen Gaskreislauf und gegebenenfalls der Querschnitt der Bypaßleitung dem .zu fordernden Lastdrehmoment oder dem Bremsdrehmoment angepaßt wird, wobei jeweils die sich aus der Einwirkung der Kräfte einer Feder und eines Gegenlagers auf die Betätigungsorgane ergebenden Ruhestellungen dem niedrigsten Druckniveau der sich im geschlossenen Gaskreislauf aus der Verbindung mit der Gasspeichereinrichtung ergebenden Druckpegelregulierung entsprechen und wobei eine die Turbodrehzahl messende Drehzahleinrichtung mit dem im Bypaß angeordneten Ventil und mit der Brennstoffzuführung verbundene Steuereinrichtung verbunden und so geschaltet ist, daß die Drehzahl konstant bleibt.

23. Gasturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennkammer ein oder mehrere Thermoelemente angeordnet und mit der mit der Brennstoffzuführung in Verbindung stehenden Steuereinrichtung so geschaltet sind, daß beim Überschreiten einer bestimmten oberen Temperaturgrenze die Brennstoffzuführung unterbrochen oder reduziert wird."

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2¹J. Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche> dadurch' gekennzeichnet, daS ein unter dem von dem Gebläse für die Verbrennungsluft erzeugten Luftdruck stehender Kraftstoffbehälter vorgesehen ist.

25. Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Enüc der Abgasleitung in mehrere Auslässe unterteilt ist oder am Ende der Abgasleitung eine das Abgas mit Umgebungsluft mischende an sich bekannte Mischeinrichtung vorgesehen ist.

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Leersei t.e