DE3135863C1 - Gas-Dampfturbinenanlage - Google Patents

Description

• Bei der erfindungsgemäßen Gas-Dampfturbinenanlage ist der Luftverdichter mit der Hochdrucktubine in einem gemeinsamen Rotor ausgebildet, so daß durch die angesaugte Luft eine wirksame Kühlung der Laufschaufeln erfolgt. Diese brauchen damit nicht aus so hochfesten Materialien gefertigt werden. Außerdem ist es nicht erforderlich, die Verbrennung mit hohem Luftüberschuß zu fahren, so daß die am Verdichter aufzubringende Leistung geringer und somit der Gesamtwirkungsgrad der Anlage höher wird Da die Verdichterdrehzahl unabhängig von der Drehzahl der Niederdruckturbine ist, kann die Kompression in der Brennkammer zur bestmoglichen Ausnutzung des Kraftstoffs gesteuert werden. Durch den geringeren Leistungsbedarf beim Verdichter und dessen Abkupplung von der Niederdruckturbine ergibt sich eine Platz-und Materialersparnis, was den Einbau der Gas-Dampfturbinenanlage in einem Kraftfahrzeug möglich macht Das die Niederdruckturbine verlassende Gas-Wasserdampf-Gemisch wird im geschlossenen Kreislauf zurückgeführt, um die in dem Gemisch enthaltene Wärme an die komprimierte Verbrennungsluft und an den Dampferzeugungsprozeß zu überführen. Gleichzeitig wird das in dem Gas-Wasserdampf-Gemisch enthaltene Wasser kondensiert und zur Zurückleitung in den die Brennkammer umgebenden Mantel zurückgewonnen. Durch dem- Kondensatgefäß zugeordnete Abschlamm- und Abschäumeinrichtungen werden Verunreinigungen abgeschieden, wodurch sich insgesamt ein umweltfreundliches Arbeiten der erfindungsgemäßen Gas-Dampfturbinenanlage ergibt In anderen Zusammenhang, nämlich in Verbindung mit einer Aufladungsvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen, ist die Ausbildung einer Abgasturbine mit einem Luftverdichter in einem gemeinsamen Rotor aus der US-PS 29 18 787 bekannt Dort sind die Laufschaufeln der Abgasturbine nach außen durch einen axial durchströmten Verdichterlaufschaufelkranz verlängert Die Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein Prinzipschema der Gas-Dampfturbinenanlage gemäß der Erfindung; F i g. 2 eine Seitenansicht des Verdichters in Richtung des Pfeils II in Fig. 4; F i g. 3 eine Ansicht des gemeinsamen Rotors von Verdichter und Hochdruckturbine gemäß Pfeilen III-III inFig.4; F i g. 4 einen Längsschnitt des Verdichters mit Hochdruckturbine; F i g. 5 eine Ansicht eines Leitschaufelkranzes des Verdichters in Richtung der Pfeile V-V in F i g. 4; F i g. 6 eine Ansicht eines Verdichterlaufrads in Richtung der Pfeile VI-VI in F i g. 4; und F i g. 7 eine Detaildarstellung der wassergekühlten Düsen zum Einleiten der Verbrennungsgase in den Verdichter. Wie sich aus den Zeichnungen ergibt, besteht die Anlage gemäß der Erfindung im wesentlichen aus einem Verdichter 1, der mit der Brennkammer 2 eines Brenners 3 mit Zündkerzen 4 und Brennstoffzufuhr 5 in Verbindung steht und an den sich eine Mischkammer 6 anschließt Der Ausgang der Mischkammer ist über eine Zuführungsleitung mit der Niederdruckturbine 7 verbunden, die ihre erzeugte Energie über eine Welle 8 an einen entsprechenden Verbraucher abgibt Die Brennkammer 2 mit dem Anschluß 9 an den Verdichter 1 ist von einem Mantel 10 umgeben, in dem sich das zur Dampferzeugung erforderliche Wasser befindet Über dem Mantel 10 ist ein Dampfdom 11 vorgesehen, in welchen sich ein Wasserstandsregler 12 zur genauen Einstellung des Wasserstandes in dem Mantel 10 erstreckt Am oberen Austritt des Dampfdomes 11 ist ein Uberströmventil 13 vorgesehen, welches mit einer Dampfleitung 14 in Verbindung steht die in die Mischkammer 6 einmündet In dieser Phisikammer befindet sich eine thermostatgesteuerte Wassereinspritzvorrichtung 15.
• Am Ausgang der Niederdrucktudoine 7 ist die Abgas-und Abdampf-Leitung f6 angeordnet; in weIcher ein Speisewasservorwärmer 17, ein Wãnnetauscher 18 und ein zusätzlicher Kühler 19 angeordnet sind Am Ende der Abgas-Abdampf-Leitung 16 ist ein Kondensatgefäß 20 angeordnet welches eine Einrichtung zur automatischen Abschlammung 21 aufweist Hierzu sind verschiedene Abschlamm- und Abschäumventile 22 vorgesehen, die zu einem Abschlammgefäß 23 führen, welches einen überlauf24 und eine Entleerung 25 aufweist Vor- und nach der Niederdruckturbine 7 ist noch je ein Wasserabscheider 26 mit einem Kondensatableiter 27 angeordnet, die das abgeschiedene Wasser in die Abgas-Abdampf-Leitung zurückführen Die Arbeitsweise der Anlage ist wie folgt: Der über die Brennstoffzuführung 5 zur Brennkammer 2 zugeführte Brennstoff wird mit der über eine Zuführungsleitung 28 zugeführten, verdichteten Luft gemischt und mittels der Zündkerzen 4 gezündet Die expandierenden Verbrennungsgase werden über den Anschluß 9 dem Verdichter 1 zugeführt Gleichzeitig wird bei der Verbrennung entstehende Wärme auf den die Brennkammer umgebenden Mantel 10 übertragen, wo sie das darin befindliche Wasser erhitzt und verdampft und der Dampf im Dampfdom 11 angesammelt wird, Mit dem Verdichter 1, der gleichzeitig Gasturbine und Luftverdichter ist wird die Umgebungsluft über einen Filter 29 angesaugt, welche dann in verdichteter Form der Leitung 28 zugeführt und im Wärmetauscher 18 vorerwärmt wird. Die so vorerwärmte Luft wird über einen Abschlammkühler 30 und einen Rückdruckverhinderer 31 der Brennkammer 2 zugeführt Wie bereits erwähnt, ist der besonders aufgebaute Verdichter 1 gleichzeitig Gas- bzw. Hochdruckturbine, die das Antriebsorgan des Verdichters darstellt Durch den Anschluß 9 (F i g. 2 und 4) werden die heißen Verbrennungsgase dem Verdichter zugeführt und treiben diesen an. Das Verdichterlaufrad 32 (F i g. 3) läuft bei einer Umdrehung zur Hälfte durch die heißen Verbrennungsgase und zur Hälfte durch die Ansaugluft und wird dadurch gekühlt Dies ergibt sich aus Fig.4 mit den dargestellten Pfeilen 33 für den Lufteintritt und 34 für den Heißgaseintritt Der Verdichter weist, da die in einer Stufe erzeugte Kompression der Luft nicht ausreicht, weitere Verdichterstufen 37 auf, an deren Eingang je ein Leitrad 35 (F i g. 5) und an deren austritt je ein Verdichterlaufrad 36 (F i g. 6) vorgesehen ist, wobei die verdichtete Luft der letzten Stufe der Leitung 28 zugeführt wird.
• Wie sich aus F i g. 7 ergibt, sind beim Anschluß 9 der Brennkammer 3 an den Verdichter t wassergekühlte Düsen 40 vorgesehen, welche auf das Laufrad 32 gerichtet sind, wobei die heißen Gase durch Leitschaufeln 41 gerichtet werden. Die heißen Gase vermischen sich dabei nicht mit der über 33 angesaugten Luft, sondern werden durch die Fliehkraft und durch die Form der Leitschaufeln 41 in Richtung der Mischkammer 6 bewegt Nach der Verbrennung und dem Durchtritt durch die Hochdruckturbine wird den heißen Verbrennungsgasen in der Mischkammer 6 über die Leitung 14 der erzeugte Wasserdampf zugeführt. Die Verbrennungsgase werden dadurch auf eine für die angeschlossene Niederdruckturbine 7 brauchbare Temperatur gekühlt. Für den Fall, daß in der Mischkammer die Temperatur zu hoch wird, kann über die thermostatgesteuerte Wassereinspritzvorrichtung 15 aus einer Düse Kondensat eingespritzt werden. Der Wasserstandsregler 112 sorgt für einen gleichbleibenden Wasserstand. Bei Wassermangel schaltet es die Brennstoffzufuhr über ein Ventil 38 ab.
• Der Speisewasservorwärmer 17, der in die Abgas-Abdampf-Leitung 16 eingebaut ist, dient zur Wärmerückgewinnung, wobei das Speisewasser vom Kondensatgefäß 20 über eine Speisewasserpumpe 39 zugeführt wird.
• Der nachfolgende, in die Abgas-Abdampf-Leitung eingebaute Wärmetauscher 18 erwärmt die von dem Verdichter 1 erzeugte Druckluft, was einen besseren Wirkungsgrad der Verbrennung zur Folge hat.
• Der Boden des Mantels 10 steht ferner über ein weiteres Abschlammventil 22 mit dem Abschlammwasserkühler 30 in Verbindung, der in die Gesamt-Abgas-Äbdampf-Leitung 16 einmündet.
• Da fast alle flüssigen und gasförmigen Brennstoffe Kohlenwasserstoffe sind, nach deren Verbrennung sich Wasser bildet, ist bei einem reibungslosen Betrieb keine Frischwasserzufuhr erforderlich, da auch das im Dampferzeuger verwendete Wasser wieder zurückgewonnen wird. Um eine Kesselsteinbildung zu vermeiden, wird als Frischwasser nur chemisch reines Wassser verwendet. Das Kondensatgefäß, de Filterkasten und die Filter können nach einer Betriebsdauer gereinigt werden. Mit entsprechenden Brennstoffdüsen sind alle möglichen flüssigen oder gasförmigen Brennstoffe geeignet, wobei flüssiger Wasserstoff als Brennstiff besonders ideal ist.
• Zum Bau des Verdichters í sind keine hochwertigen und teuren Materialien erforderlich, so daß auch die Gestehungskosten der Anlage entsprechend niedrig sind.

Claims (1)

1. Patentansprüche 1. Gas-Dampfturbinenanlage mit a) einem Verdichter, b) einer Brennkammer, c) einer mit Verbrennungsgasen teilbeaufschlagten Hochdruckturbine, d) einer Niederdruckturbine, e) einem die Brennkammer umgebenden Mantel, dem von einer Speisepumpe aus einem Wasserbehälter Wasser zuführbar ist, welches in dem Mantel verdampft wird, f) einer zwischen die Hochdruck- und die Niederdruckturbine geschalteten Mischkammer zur Mischung der Hochdruckturbinenabgase mit dem Wasserdampf, und g) einer Wärmerflckgewinnungs- und Kondensatbildungseinrichtung zur Übertragung der in dem die Niederdruckturbine verlassenden Gas-Wasserdampf-Gemisch enthaltenen Wärme an die komprimierte Verbrennungsluft und an den Dampferzeugungsprozeß, und zur Rückgewinnung des in dem Gas-Wasserdampf-Gemisch enthaltenen Wassers, dadurch gekennzeichnet, daß h) die Hochdruckturbine mit dem Verdichter (1) in einem gemeinsamen Rotor ausgebildet ist, wobei ein axial angeströmtes Radialverdichterlaufrad an seiner Austrittseite mit einem teilbeaufschlagten, axial durchströmten Turbinenlaufschaufelkranz verbunden ist, i) die Niederdruckturbine (7) als freie Nutzleistungsturbine ausgebildet ist, und j) der in dem Mantel (10) erzeugte Wasserdampf der Mischkammer (6) direkt zuführbar ist 2. Gas-Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (6) mit einer thermostatgesteuerten Wassereinspritzvorrichtung (15) versehen ist 3. Gas-Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (1) aus mehreren hintereinander liegenden Verdichterstufen (37) besteht 4. Gas-Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor und nach der Niederdruckturbine (7) Wasserabscheider (26) mit Kondensatableitern (27) angeordnet sind.

   5. Gas-Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederdruckturbine (7) hintereinander ein Speisewasservorwärmer (17) zur Erwärmung des den Mantel (10) zuführbaren Wassers und ein Wärmetauscher (18) zur Erwärmung der komprimierten Luft nachgeschaltet sind.

   6. Gas-Dampfturbinenanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wärmetauscher (18) ein zusätzlicher Kühler (19) nachgeschaltet ist 7. Gas-Dampfturbinenanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem zusätzlichen Kühler (19) ein zugleich als Wasserbehälter und Filterkasten für das rückgewonnene Wasser dienendes Kondensatgefäß (20) nachgeschaltet ist, welches Abschlamm- und Abschäumeinrichtungen (22, 23) aufweist Die Erfindung betrifft eine Gas-Dampfturbinenanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

   Eine solche Gas-Dampfturbinenanlage, die einen in sich geschlossenen Maschinensatz bildet, ist aus der DE-PS 8 11 890 bekannt. Vor der Turbine mit Hoch-und Niederdruckteilen ist eine Brennkammer mit einem Wasssermantel angeordnet, um einerseits Verbrennungsgase und andererseits Dampf zu erzeugen. Der Hochdruckteil der Turbine wird somit mit zwei verschiedene Treibmitteln betrieben, die voneinander unabhängige Düsensätze durchströmen, aber die gleichen Laufschaufelkränze beaufschlagen. Hinter dem Hochdruckteil vereinigen sich die beiden Treibmittel in einem Mischraum, so daß der darauf folgende Niederdruckteil mit einer Mischung aus Verbrennungsgasen und Dampf beaufschlagt wird. Da im Hochdruckteil die relativ kühlen Dampfstrahlen im Laufgitter seitlich unmittelbar nach den heißeren Gasstrahlen wirksam sind, gewährleisten sie eine hinreichende Kühlhaltung der Laufschaufeln. Im Niederdruckteil wird die Höchsttemperatur durch die Mischung in Grenzen gehalten.

   An den Niederdruckteil der Turbine ist mechanisch ein Luftverdichter angeschlossen, der Verbrennungsluft komprimiert der Brennkammer zuführt. Außerdem ist eine Wärmerückgewinnungs- und Kondensatbildungseinrichtung vorgesehen, um die in dem den Niederdruckteil der Turbine verlassenden Gas-Wasserdampf-Gemisch enthaltene Wärme an die komprimierte Verbrennungsluft und in den Dampferzeugungsprozeß zu überführen. Durch Kondensierung wird gleichzeitig das in dem Gas-Wasserdampf-Gemisch enthaltene Wasser zurückgewonnen.

   Trotz Temperaturabsenkung der die Turbinenlaufschaufeln beaufschlagenden Verbrennungsgase durch den kühleren Dampf liegen die Temperaturen innerhalb der Turbine so hoch, daß die Turbinenlaufschaufeln aus hochwertigem, teurem Material gefertigt werden müssen. Zur Temperaturabsenkung muß der Verbrennungsprozeß mit Luftüberschußgefahren werden, was seinerseits den Wirkungsgrad der Gesamtanlage vermindert Da der Luftverdichter mechanisch mit dem Niederdruckteil der Turbine gekoppelt ist, ist einerseits ein hoher Kraftaufwand beim Anlassen erforderlich und kann andererseits keine flexible Steuerung zur Optimierung des Verbrennungsprozesses erfolgen.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gas-Dampfturbinenanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher eine Turbine verwendet werden kann, deren Laufschaufeln nicht aus hochwertigem, teurem Material bestehen müssen, und deren Wirkungsgrad verbessert ist.

   Diese Aufgabe wird mit einer Gas-Dampfturbinenanlage gelöst, wie sie durch den Anspruch 1 gekennzeichnet ist. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.