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Beschreibung
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Gas-/Damp-Verbundturbine mit erhöhtem Temperaturniveau Die Erfindung
betrifft eine Wärmekraftmaschine, in der brennbare Stoffe im flüssigen, gasförmigen
oder auch festen Zustand bei Luftzufuhr verbrannt werden und die bei der Verbrennung
entstehende Wärmeenergie in nutzbare mechanische Energie ungewandelt wird. Anwendung
finden können Wärmekraftmaschinen als Antrieb von Arbeitemaschinen, Fahrzeuge, Flugzeuge,
Schife, Stromaggregate etc.. Da es sich bei der Erdindung um eine Turbine handelt,
ist sie in erster Linie geeignet für Belastungen bei konstanten Drehzahlen; denn
Turbinen erretohen ihren optimalen Wirkungsgrad nur bei einer bestimmten Drehzahl.
Bei einer Drehzahländerung, bei starrer Auslegung von Lauf- und Leitschaufeln, ändert
sich auch das Geschwindigkeitsdreisck an der Laufschaufel und es treten zusätzliche
Strömungsverlauste ein.
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Dampfturbinen sind seit lange. bekannt und finden als Industrie-,
Kraftwerks- und Schiffs turbinen vielseitige. Anwendung Die konstruktive Auslegung
als mehrsttufige Überdruck-Axialturbine Mit Drucketufung und Eingangdampftemperatur
von 535 ° C (für ferritische Werkstoffe) ist heute am häufigsten, die sehrstufige
Gleichdruckturbine mit Druckstufung weniger häufiger anzutreffen. Die mehrstfige
Axialturbine mit Geschwindigkeitsstufung und mehrstufiger Radialturbine System Ljungström
wird heute kaum noch gebaut. Der Nachteil aller Dampfturbinen ist der relativ schlechte
Wirkungsgrad. Der beste bisher erreichte Wirkungsgrad an einer Dampfturbine soll
ca. 44 % betragen.
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Gasturbinen sind ebenfalls bekannt. Auch hier. dominiert die Axialturbine
mit Axialverdichter.
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Das - niedrige Anfahrmoment, - schlechter Wirkungsgrad und der daraus
resultierende hohe Kraftstoffverbrauch, - teure Herstellungskosten als beim Dienelmotor
scheinen der breiten Anwendung als Antriebsquelle von Fahrzeugen entgegestanden
zu haben. Der Wirkungsgrad der Gasturbine ist zwar geringfügiger besser als bei
der Dampfturbine, erreicht aber nicht den Wert des Dieselmotors.
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Gasturbinen, bei denen die heißen Abgase als Heizquelle für einen
nachgeschalteten Dampkessel mit angeschlossener Dampfturbine dienen, sind ebenfalls
bekannt. Der Abdampf der Dampfturbinen kann zusätzlich für Heizzwecke genutzt werden.
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Bisher tat dieses Konzept über den Pilotanlagen-Status nicht hinausgekommen
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmekraftmaschine mit optimalen
Ausnutzung des zugeführten Brennstoffes zu schaffen.
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Die in der Erfindung gestellte Aufgabe wird folgendermaßen gelöst.
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Die erfindungsgemäße "Gas-/Damp-Verbundturbine mit erhöhtem Temperaturniveau"
besteht aus einer Dampfturbine 4 aus den Wärmetauschern 2 und 6, des Dampfkessel
3 und der Gasturbine 1.
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Die beim Betrieb der Gasturbine 1 entstehenden heißen Abgase werden
durch einen mit wassergefüllten Wärmetauscher 2 geleitet, wobei sie einen Teil ihres
Wärmeinhaltes an das Wasser abgeben und es dadurch zum Sieden bringen. Der durch
das Sieden des Wassers entstehende Dampf wird in dem Kessel 3 unter Druck gespeichert
und danach, bei Erzeugung von mechanischer Energie, entspannt. So weit handelt es
sich hier um bekannte Technik.
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Das Besondere an der erfindungsgemäßen Verbundturbine ist die Anhebung
des Temperaturniveaus in der Gasturbine 1, dadurch, daß die vom Verdichter 5 der
Gasturbine t angesaugte Vorbrennungsluft bereits vorgewärmt in den Kompressor 5
eintritt.
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Die Brwärmung der Verbrennungsluft kann nach mehreren Verfahren erfolgen.
Ein Möglichkeit ist die Erwärmung durch eine externe Heizquelle, z. 8. die Heraziehung
von heißer Abluft aus Industriebetrieben. Die andere ist die Erwärmung der Ansaugluft
durch den Abdampf der Dampfturbine 4 oder durch die heiben Abgase der Gasturbine
1. Die optimalste Lösung für die Erwärmung der Verbrennung ist die Addition der
drei o. a. Verfahren.
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Im i-s-Diagramm verlaufen die Isothermen fast waagerecht. Das bedeutet,
daß mit steigender Frischdampftemperatur auch das nutzbare Wärmegefälle steigt.
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Die erfindungsgemäße Gas-/Damp-Verbundturbine mit erhöhtem Temperaturniveau
besteht aus der Gasturbine 1 mit Verdichter 5, Brennkammer 10 und Turbine 15, den
Wärmetauschern 2 und 6, Daspfkessel 3 und Dampfturbine 4. Bei der Industrieabnahme
wird zuerst die Gasturbine 1 gestartet und hochgefahren. Die Dampfturbine 4 bleibt
ausgekuppelt. Die heißen Abgase strömen durch die Wärmetauscher 2 und 6 und bringen
zunächst das Wasser zum Sieden. Der durch das Sieden entstehende Damp wird in dem
Dampfkessel 3 unter Druck gespeichert. Wenn im Dampfkessel der Betriebdruck erreicht
ist, wird der Dampf @ den Wärmetauscher 6 der Dampfturbine 4 zugeführt, wobei läufer
der Turbine 4 in Drehung versetzt wird und der Gasturbine 1 zugeschaltet wird, Der
Abdampf aus der Dampfturbine 4 wird durch den von der Verbrennungsluft durchströmten
Wärmetauscher 7 geführt und dadurch vorgewärmt, bevor sie in den Verdiohter 5 eintritt.
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Bei dem Verfahren der Vorwärmung der Verbr.nnungsluft durch externe
Heizquelle entfällt der Wärmetauscher 7 für die Luftvorwärmung.
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In weiterer Ausgestaltung der erfindung kann die Verbrennungsluft,
nachdem sie den vom Abdampf der Turbine 4 beaufschlagten Wärmetauscher 7 passiert
hat, durch einen zweiten Wärmetauscher 8, der von den hießen Abgasen der Gasturbine
1 durchströmt wird, geführt werden, bevor sie in den Verdichter 5 eintritt.
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Die Verbrennungsluft wird bei Erreichen des Verdichtungs-Enddruckes
über einen Luft/Wasser-Wärmetauscher 9 in die Brennkammer 10 geführt. Der Wärmetauscher
ist mit dem Wasserkreislauf des Dampfkessels 3 verbunden. Naoh einem weiteren Markmal
der erfindungsgemäßen Verbungturbine kann der zwischen der Verdichterendstufe und
Brennkammer 10 geschaltete Wärmetauscher 9 mit einem Kohlenwasserstoff beauschlagt
und mit eine. separaten Kessel 11 mit separater Turbine 12 geschaltet sein.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung kann der Dampf, nachdem er in
der Turbine 4 zus Teil entspannt wurde, wobei die Feuchtigkeit des Dampfes anstieg,
über die hohle Turbinenwelle 18 durch die als Wärmetauscher konzipierten Laufschaufeln
17 und in den Niederdruckteil 19 aur weiteren Entspannung geführt werden.
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Durch die Konvektion des feuchten Dampfes mit den heißen Turbinenschaufeln
17 wird der Dampf "zwischenüberhitzt" und getrocknet. Durch diese Maßnahme wird
eine Erosion der Turbinenschaufeln im Niederdruckteil durch im Dampf vorhandene
Wassertropfen gemildert. Von Vorteil kann es sein, die erste Turbinenstufe 14 nicht
zum Wärmetausch mit dem Dampf heranzuziehen. In der ersten Stufe der Turbine 15
könnte es erforderlich sein, die Laufschaufeln 17 und die Düsen 13 mit einem hitzebeständigen
Material su überziehen wesen der hohen Temperatur in der Brennkammer 10. Auch bei
den Gasturbinen erhöht die Temperatur der Gase vor dc. Eintritt in die Turbine 15
den Wirkungsgrad der Gasturbine 1 beträchtlich
Als sehr hitzebeständiges,
aber weniger wärmeleitfähiges Material dürfte in Zukunft Keramik im Gssturbinenbau
Verwendung finden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird als Verdamfungsmittel
kein Wasser, sondern eine organische Flüssigkeit, z. B.
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Freon, Toluol etc. oder eine Mischung aus Wasser und Ammoniak verwendet.
Nach eines weiteren Merkmal der erfindungsgemäßen Turbine wird der Abdampf der Dampfturbine
4, nachdem er bei der Entspannung in der Turbine 4 auf ca. 120° C abgekühlt ist
in einen Wärmetauscher 20, der von einem organischen Verdampfungsmittel mit niedrigerer
Siedetemperatur und niedrigerer Verdampfungswärme beaufschlagt ist, geführt. Die
dabei entstehenden Gas werden auf Druck in einem separaten Kessel 11 gespeichert
und danach in einer separaten Turbine 12 unter Abgabe von mechanischer Energie entspannt.
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Vorteile: - Günstiger wirkungsgrad und deshalb geringer spezifischer
Kraftstoffverbrauch. Es ist z.B. möglich mit der Verbundturbine eine Wärmepumpe
anzutreiben. Die Verbrennungsgase werden zusätzlich durch einen Wärmetauscher geleitet,
der in den Vorlauf der Wärmepumpe geschaltet ist. Die Vorlauftemperatur wird dabei
von 55 ° C auf ca. 80 § c angehoben. Für die Wärmepumpe ergibt sich daraus eine
zusätzliche Möglichkeit zur Anwedung in bereite bestehende Heizungssystemen.
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Der Abdampf der Dampfturbine kann noch zur Aufheizen des Verdampfungsmittels
der Wärmepumpe herangeze, werden.
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- Geringere Abgabe von Wärme an die Umwelt als bei Wärmekraftmaachinen
gleicher Leistung.
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- Geringerer Schadstoffgehalt (Stickoxyd) in den Abgasen als bei Diesel-
und Ottomotoren.
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- Wegen des niedrigeren Kraftstoffverbrauches entsteht auch eine niedrigere
Abgasmenge wie bei Wärmekraftmaschinen gleicher Leistung.
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Die erfindungsgemäße Gas-/Dampf-Verbundturbine mit erhöhtem Temperaturniveau
ist in Fig. 1 bis 4 beispielhaft veranschaulicht.
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Es zeigen Fig. 1 - Seitenansicht der Verbundturbine in Twin-Anordnung
Fig. 2 - Seitenansicht der Verbundturbine in Tandembauweise Fig. 3 - Seitenansicht
der Verbundturbine in Twin-Anordnung mit Zwischenüberhitzung des Abdampfe und zweiteiliger
Hoch-/Wieder-Dampfturbine Fig. 4 - Seitenansicht der Verbundturbine in Tandembauweise
mit zwei verschiedenen Verdampffungsmittel-Kreisen.
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Zu Fig. 1: In do. hier dargestellten Beispiel sind die Gasturbine
1 und die Dampfturbine 4 übereinander angeordnet (Twin-Anordnung).
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Die Durchströmungsrichtung in den beiden Turbinen 1 u. 4 verlaufen
in entgegengesetzer Richtung. Die von dem Verdichter 5 angesaugte Verbrennungsluft
wird in dem von dem Abdampf der Dampfturbine 4 beaufschlagten Wärmetauscher 7 Vorgewärmt.
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Die aus der Gasturbine 1 ausströmende heiße Auspuff oder die Verbrennungsgase
werden durch den Gas/Dampf-Wärmetauscher (überhitzer) 6, danach durch den Gas/Wasser-Wärmetsauscher
2 geführt, bevor sie dann ins Freie strömen.
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Zu Fig. 2: In dieser Darstellung sind Gas- 1 und Dampfturbine 4 hintereinander
(Tandem) angeordnet. Die Vorwärmung der Verbrennungs luft erfolgt in zwei Stufen
in den Wärmetauschern 7 und 8. Im Verdichter S wird die durch di. Vorwärmung und
Verdichtung erhitzte Verbrennungsluft zweimal in den Luft/Wasser-Wärmetauschern
9 gekühlt. Die dabei gewonnene Wärme wird an den Wasserkreislauf abgeführt.
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Zu Fig. 3: Seitenansicht eines weiteren Beispiels in Twin-Anordnung.
Die Dampfturbine ist unterteilt in ein Hochdruckteil 4 und ein Niederdruckteil 19.
Diese beiden Teile sind hier schematisch dargestellt. Der Abdampf aus dem Hochdruckteil
wird durch die Laufschaufeln 17 der Gaaturbine 1 geführt, wobei dieser zwiscenüberhitzt.
getrocknet und anschließend im Niederdruckteil 19 entspannt wird Der Abdampf vom
Niederdruckteil t9 wird in den Dampf/Luft-Wärmetauscher T geleitet, wo er kondensiert
und die Verbrennungsluft vorwärmt.
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Der Düsenkranz 13 und die Laufschaufeln 17 der ersten Turbinenstufe
14 der Turbine 15 der Gasturbine 1 sind mit einem keramischen Werkstoff beschichtet.
Wegen der nic@ @gen Wärme-Leitfähigkeit des Keramikmaterials ist die erste Turbinenstufe
14 nicht in die Zwischenüberhitzung eintesogen. Die Leitschaufeln 16 sind als Gas/Dampf-Wärmetauscher
6 ausgelegt.
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Fig. 4 zeigt ein Anwedungsbeispiel der erindungsgemäßen Verbundturbine
mit dem optimalsten Wirkungsgrad, der nach dem heutigen Stand der Technologie auf
dem Sektor Wärmekraftmaschinen möglich ist.
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Die Gasturbine 1, Dampfturbine 4 und separate Turbine 12 ( 12 = Turbine,
in der das gasförmige organische Verdampfungsmittel <z> 5. Freon) entspannt
wird) sind auf einer Welle 18, die durch zwei Kupplungen 24 unterbrochen sind, angeordnet.
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Der Abdampf der Turbine 4 wird durch den Dampf/Freon-Wärmetauscher
20 geführt und bringt das Freon, wegen des Siedepunktes von 80 * C zum Sieden. Der
dabei entstehende Dampf bzw. das entstehende Gas wird in dem separaten Kessel 11
unter Druck gespeichert und in der Turbine 12 unter Abgabe von mechanischer Energie
an den Turbinenläufer entspannt. Der Abdampf aus der separaten Turbine 12 wird in
den Freon-Gas/ Luft-Wrmetauscher 21 geführt und von der diesen Wärmetauscher durchströmenden
Luft zur Kondensation gebracht und anschließend über den Wärmetauscher 8, in welchem
die Temperatur der Verbrennungsluft weiter ansteigt, in den Verdichter 5 geleitet.
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Die Dampferzeugung für die Turbine 4 erfolgt wie bei den Beispielen
1 - 3. Die Größenverhältnisse der Wärmetauscher zu den Turbinen, auch in den 3 anderen
Ausführungsbeispielen, sind zugunsten der Turbinen verschoben wegen der besseren
und anschaulicheren Darstellung der Funktion der Verbundturbine.
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Die Gasturbine 1 ist im Schnitt, die Dampf- 4 und separate Turbine
12 sind schematisch dargestellt.
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Verzeichnis der Bezugszahlen 1 - Gasturbine 2 - Gas/wasser-Wärmetauscher
3 - Dampfkessel 4 - Dampfturbine 5 - Kompressor oder Verdichter 6 - Gas/Dampf-Wärmetauscher
7 - Dampf/Luft-Wärmetauscher 8 - Gas/Luft-Wärmetauscher 9 - Luft/Wasser-Wärmetauscher
10 - Brennkammer 11 - separater Kessel t2 - separate Turbine 13 - Düsenkranz in
der Gasturbine 14 - erste Turbinenstufe tn der Gasturbine 15 - Arbettsturbine 16
- Leitschaufel 17 - Laufschaufel 18 - Turbinenwelle der Gasturbine 19 - Niederdruckturbine
20 - Dampf/organisches Verdampfunsmittel-Wärmetausch 21 - organisches Gas/Luft-Wärmetauscher
22 - Speisepumpe
23 - Keilriemen 24 - Kupplung 25 - Vorratsbehälter
für Kesselspeisewasser 26 - Verratsbehälter für Verdampfungsmittel 27 - Speisepumpe
für Verdampfungsmittel 28 - Turbinenläufer der Dampfturbine 29 - Ritzel
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L e e r s e i t e -