DE491156C

DE491156C - Verfahren zur Durchfuehrung eines Kreisprozesses, insbesondere fuer Gasturbinen, mit isothermischer Verdichtung der Gase

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Publication number: DE491156C
Application number: DEW70740D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1925-10-18
Filing date: 1925-10-18
Publication date: 1931-02-20

Description

Verfahren zur Durchführung eines Kreisprozesses, insbesondere für Gasturbinen, mit isothermischer Verdichtung der Gase Vom Standpunkt des bei Gasturbinen angewandten Kreisprozesses ist es üblich, dieselben einzuteilen in solche, bei denen die Wärmezufuhr bei gleichbleibendem Raum und in solche, bei denen dieselbe bei gleichbleibendem Druck erfolgt. Man unterscheidet dementsprechend Verpuffungs- und Gleichdruckgasturbinen. Isothermische Wärmezufuhr ist zwar vorgeschlagen worden, hat aber bislang keine Bedeutung erlangen können.
Die Wärmeabfuhr erfolgt bei der Gasturbine nach den bisherigen Vorschlägen und Ausführungen bei gleichbleibendem Druck im Gegensatz zu den Kolbenbrennkraftmaschineri, bei denen wegen des im allgemeinen beschränkten Ausdehnungsraumes die Wärmeabfuhr bei gleichbleibendem Raum erfolgt.
Bei der Wärmeabfuhr, sowohl bei gleichbleibendem Raum als auch bei gleichbleibendem Druck, ist die Endtemperatur der Ausdehnung hoch und beträgt je nach dem Grade der Ausdehnung etwa 4.0o bis 8oo° C. Es sind also in den Abgasen noch große Wärmemengen enthalten, die ungenutzt bleiben.
Wenn trotzdem bei der Kolbenbrennkraftmaschine ein im Verhältnis zu anderen Wärmekraftmaschinen hoher thermischer Wirkungsgrad erreicht wird, so liegt es daran, daß die obere Temperatur, bei welcher die Wärmezufuhr erfolgt, sehr hoch liegt. Es ist aber bei den Gasturbinen bisher nicht möglich gewesen, eine gleich hohe Temperatur anzuwenden und somit wenigstens theoretisch einen gleich guten thermischen Wirkungsgrad zu erreichen. Das liegt daran, daß es nicht möglich ist, die Gasturbinen mit Gasen von Temperaturen von iooo bis i5oo° C zu beaufschlagen, ohne die Beschaufelung zu zerstören oder durch Kühlung, teilweise und periodisch wechselnde Beaufschlagung und hohes Stufengefälle den Turbinenwirkungsgrad herabzusetzen. Schließlich ist eine so wirtschaftliche Verdichtung, wie sie sich in der Kolbenmaschine ohne weiteres durchführen läßt, bei Gasturbinen auf den bisher beschrittenen Wegen nicht zu erzielen gewesen. Dementsprechend sind auch alle bisherigen Versuche, Gasturbinen zu bauen, fehlgeschlagen. Daraus ergibt sich, daß, solange noch kein genügend feuerfester Schaufel- und Turbinenbaustoff zur Verfügung steht, man sich mit niedrigeren Temperaturen begnügen muß.
Es ist also zweckmäßig, den Kreisprozeß für Gasturbinen derart zu gestalten, da& die Anfangstemperatur so hoch liegt, wie es sich mit Rücksicht auf den Bau der Turbine und den guten Wirkungsgrad derselben erreichen läßt, daß dagegen die Wärmeabfuhr bei möglichst niedriger, im wesentlichen gleichbleibender Temperatur erfolgt. Um dies zu erreichen, -muß die adiabatische Ausdehnung der Gase bis weit unter den Atmosphärendruck getrieben werden, worauf die Gase dann isothermisch bis auf den Anfangsdruck des Kreisprozesses verdichtet werden.
Auf diesem Wege läßt sich für eine Gasturbine bei erträglicher Anfangstemperatur ein hoher thermischer Wirkungsgrad erreichen, trotz der verhältnismäßig niedrigen Anfangstemperatur. Ferner lassen sich die Kühlverluste größtenteils vermeiden und auch der thermodynamische Wirkungsgrad der Turbine selbst wird gut wegen der durch den niedrigen Anfangsdruck bedingten kleinen Spalt- und Lüfterverluste und wegen der anwendbaren kleinen Stufengefälle. Eine solche Gasturbine wird sich von den bisherigen Dampfturbinen nur geringfügig unterscheiden, so daß die vorliegenden Erfahrungen in weitgehendem Maße ausgenutzt werden können. Man müßte lediglich mit der Anfangstemperatur bis an die höchstmögliche Grenze gehen. Gegenüber der Dampfturbine dürfte wohl noch eine Temperatursteigerung zu erreichen sein, da der Anfangsdruck w&-sentlich niedriger sein kann als bei denselben und damit auch die Beanspruchung des Baustoffes. -Ein solcher Kreisprozeß für Gasturbinen, bei dem die Wärmeabfuhr isothermisch erfolgt, ist bekannt; infolge der weit unter den Atmosphärendruck getriebenen, adiabatischen Ausdehnung ergeben sich aber Gasräume, die wegen der erforderlichen Abmessungen der Verdichter dies Verfahren praktisch undurchführbar machen. Durch die Erfindung soll diese Schwierigkeit überwunden werden. Die Erfindung besteht darin, daß die adiabatische Ausdehnung der Gase nach erfolgter Wärmezufuhr und vor Erreichen der Isotherme abgebrochen wird und darauf durch Kühlung die Gase auf die Temperatur der Isotherme gebracht werden, worauf dann die weitere Wärmeabfuhr während der Verdichtung der Gase bei gleichbleibender Temperatur erfolgt. Damit ist allerdings ein geringer Arbeitsverlust verbunden; aber' die zu verdichtende Gasmenge wird dabei so erheblich verringert, daß der Kreisprozeß infolge der auf diesem Wege erzielten Verringerung der Verdichterabmessungen wirtschaftlich durchführbar wird. Der geschilderte bekannte Kreisprozeß wird also abgekürzt und durch Kühlung der Gase an einer Stelle geschlossen, an der die Menge der adiabatisch ausgedehnten Gase eine wirtwirtschaftliche Verdichtung zuläßt.
Da die isothermische Verdichtung bei niedrigem Druck vor sich geht, und besonders der Anfanggasraum der Verdichtung im Zustand g (s. Abbildung) groß sein würde, so müßte entsprechend der Verdichter, besonders ein Kolbenverdichter, große Abmessungen 'annehmen. Das läßt sich dadurch einschränken, daß man, wie dargestellt, durch einfache Kühlung die Wärmeabfuhr zunächst bei gleichbleibendem, beliebig hohem Druck von gg' bis g" vor sich gehen läßt so lange, bis die Temperatur erreicht ist, bei der die weitere isothermische Wärmeabfuhr vor sich gehen soll. Es braucht dann der Verdichter statt für das Volumen g nur für das Volumen g" bemessen werden. Der durch diese Maßnahme verursachte Arbeitsverlust entspricht der Fläche g', gg" und ist verhältnismäßig gering.
So hat z. B. eine Gleichdruck-Gasturbine von iooo PS Leistung mit einem theoretischen Vakuum von 95 °/o und einem theoretischen thermischen Wirkungsgrad von 57,5 °/o einen theoretischen Luftverbrauch von etwa 2 kg/sek. Das entspricht einer Menge von etwa 36 mg, welche in jeder Sekunde verdichtet werden müsste. Würde man nun die Ausdehnung bereits bei einem Vakuum von 85 °4 abbrechen, so würde zwar der theoretische Wirkungsgrad auf 55 % sinken; die zu verdichtende Menge würde in diesem Falle dagegen nur i2 m3 betragen, so daß der Verdichter nur ein Drittel so groß gemacht zu werden braucht wie in ersterem Falle bei vollständiger Ausdehnung auf die Temperatur der isothermischen Verdichtung. Dieses theoretische Verhältnis dürfte auch für praktische Fälle zutreffen.
In ähnlicher Weise, wie oben geschildert, kann auch die Wärmeabfuhr zunächst bei gleichbleibendem Ratzen vorgenommen werden. Es ergibt sich dann zunächst die Linie g"'-g". In diesem Falle entsteht ein etwas größerer Wärmeverlust als im erstgenannten Fall; die Vorteile sind jedoch im übrigen die gleichen. Ob man das eine oder andere Verfahren wählt, ist eine Frage, bei der bauliche Gesichtspunkte mitzusprechen haben.
Schließlich kann man noch beide Verfahren miteinander verbinden, indem man die Wärme zunächst bei gleichbleibendem Raum, dann bei gleichbleibendem Druck und schließlich wieder isothermisch abführt. Dadurch wird der Wärmeverlust etwas geringer, als wenn man die Wärme nur bei gleichbleibendem Raum und isothermisch abführt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Durchführung eines Kreisprozesses, insbesondere für Gasturbinen, bei welchem die Gase nach adiabatischer Ausdehnung isothermisch verdichtet «erden, dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgter Wärmezufuhr die adiabatische Ausdehnung vorErreichung der Temperatur der Isotherme zum Zwecke der Verringerung der Verdichterabinessungen abgebrochen wird und darauf die Gase durch Kühlung auf die Temperatur der Isotherme gebracht werden, wonach bei isothermischer Verdichtung die weitere Wärmeabfuhr erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch z, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabfuhr zuerst bei gleichbleibendem Druck und darauf während isothermischer Verdichtung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabfuhr zuerst bei gleichbleibendem Raum und darauf während isothermischer Verdichtung erfolgt. .
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabfuhr zuerst bei gleichbleibendem Druck, dann bei gleichbleibendem Raum oder umgekehrt und zuletzt während isothermischer Verdichtung erfolgt.