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Querverweis auf verwandte Anmeldung
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Seriennummer 60/183,512,
die am 18. Februar 2000 eingereicht wurde.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft eine anpassungsfähige, modulare, flexible, effiziente
Gasturbinenanlage und spezieller eine Gasturbinenanlage, die eine modulare
Grundstruktur und ein einstellbares Wärmetauschsystem aufweist, welches
während
des gesamten Lebenszyklus der Grundstruktur an das modulare Grundsystem
angepasst werden kann.
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Hintergrundinformation
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Eine
typische Gasturbinenanlage ist so konstruiert, dass sie die Anforderungen
einer einzigen Anwendung erfüllt.
Eine solche Konstruktion beinhaltet verschiedene Komponenten, die
normalerweise eine Verdichteranordnung, eine Brennkammeranordnung,
eine Turbinenanordnung und einen Generator umfassen. Das System
kann ferner einen Diffusor und eine zusätzliche Turbine enthalten.
Bei einer Zwei-Turbinen-Konfiguration
ist die erste Turbine mittels einer Welle mechanisch mit dem Verdichter
gekoppelt, und die zweite Turbine ist mittels einer Welle mechanisch
mit einem Generator, einer Pumpe oder einem Verdichter gekoppelt.
Das Gehäuse
für jede dieser
Komponenten und das Wärmetauschsystem wird
dann so strukturiert, dass ein maximaler Wirkungsgrad für die einzige
Anwendung erzielt wird, für welche
das System entwickelt wurde.
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In
Betrieb verdichtet die Verdichteranordnung Umgebungsluft. Die verdichtete
Luft strömt
in die Brennkammeranordnung, wo sie mit einem Brennstoff gemischt
wird. Das Gemisch aus Brennstoff und verdichteter Luft wird gezündet, wodurch
ein erwärmtes
Arbeitsgas erzeugt wird. Das erwärmte Arbeitsgas
wird durch die Turbinenanordnung expandiert. Die Turbinenanordnung
weist eine Vielzahl von stationären
Leitschaufeln und rotierenden Laufschaufeln auf. Die rotierenden
Laufschaufeln sind mit einer zentralen Welle verbunden. Die Expansion
des Arbeitsgases durch den Turbinenteil hindurch zwingt die Laufschaufeln
und dadurch die Welle zu rotieren. Die Welle kann mit dem Verdichter
und/oder einem Generator verbunden sein. Falls zwei Turbinenanordnungen
verwendet werden, ist die erste Turbinenanordnung mit der Verdichteranordnung
gekoppelt, und die zweite Turbineneinheit ist mit einer Arbeitseinheit
gekoppelt, wie etwa einem Generator, einer Pumpe oder einem Verdichter.
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Der
Nachteil eines solchen Systems ist, dass, wenn sich die Benutzeranforderungen ändern oder
wenn verbesserte Komponenten verfügbar werden, das System nicht
einfach an eine andere Konfiguration angepasst werden kann. Andererseits
ist es auch möglich,
dass der Benutzer zunächst
weniger teure Komponenten kauft, um die Anfangskosten zu senken,
und zu einem späteren
Zeitpunkt dann das System aufrüsten
möchte.
Systeme nach dem Stand der Technik sind nicht so strukturiert, dass
einzelne Komponenten leicht aufgerüstet werden können.
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Dementsprechend
besteht Bedarf an einer Gasturbinenanlage, welche an verschiedene
Anwendungen angepasst werden kann, für welche das System verwendet
werden kann.
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Weiterhin
besteht Bedarf an einer Gasturbinenanlage, welche an neue Technologien
angepasst werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftanlage,
um Wärme
innerhalb der Kraftanlage zurückzuhalten,
welches die folgenden Schritte umfasst: (a) Bereitstellen einer
Kraftanlage, die eine Verdichtereinheit, ein Brennstoffsystem, eine
Brennkammereinheit und wenigstens eine Turbineneinheit aufweist,
wobei die besagte Verdichtereinheit Entlüftungsleitungen aufweist und
die besagte Turbineneinheit so gestaltet ist, dass sie mit den besagten
Entlüftungsleitungen
gekoppelt ist und Rotoren aufweist, die so gestaltet sind, dass
sie von den besagten Entlüftungsleitungen
gekühlt
werden, wobei die besagten Rotoren eine Auslassleitung aufweisen,
die mit der besagten Brennkammer gekoppelt ist; (b) Bereitstellen
einer Vielzahl von Wärmetauscheinheiten;
(c) Verbinden der besagten Wärmetauscheinheiten
mit den besagten Entlüftungsleitungen,
so dass die Temperatur der besagten Rotoren selektiv gesteuert werden
kann; (d) Durchleiten von Luft durch die besagten Entlüftungsleitungen
mit ausgewählten
Temperaturen, um die Temperatur der besagten Rotoren zu steuern;
(e) Ermöglichen,
dass die besagte Luft, die von den besagten Rotoren erwärmt wurde,
der besagten Brennkammereinheit zugeführt wird.
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In
der
US-Patentschrift 5,520,512 werden diese
Merkmale allgemein beschrieben, mit der beachtenswerten Ausnahme
des Zuführens
von Luft, die zum Kühlen
der Rotoren der Turbine verwendet wurde, in die Brennkammereinheit.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ein
umfassendes Verständnis
der Erfindung kann anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
erreicht werden, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
studiert wird, wobei:
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1 eine
Schnittdarstellung einer Verbrennungsturbine zeigt;
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2 eine
schematische Darstellung eines Verbrennungsturbinensystems mit einem
modularen Wärmetauschsystem
zeigt, das für
Simple-Cycle-Spitzenbetrieb konfiguriert ist;
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3 ein
Schema für
eine ausgereifte Verbrennungsturbinenanlage mit einem modularen
Wärmetauschsystem
zeigt, das für
einen ausgereiften Simple-Cycle-Spitzenbetrieb
konfiguriert ist;
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4 ein
Schema für
eine Verbrennungsturbinenanlage mit einem modularen Wärmetauschsystem
zeigt, das für
ein ausgereiftes Reheat-System (Zwischenüberhitzungssystem) für Kombizyklus
konfiguriert ist;
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5 ein
Schema für
eine Verbrennungsturbinenanlage mit einem modularen Wärmetauschsystem
zeigt, das für
die Verwendung mit einem externen Verbrennungsmodul konfiguriert
ist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Der
Begriff "ausgereifte" Verbrennungsturbine
wird hier in dem Sinne verwendet, dass er angibt, dass die Verbrennungsturbine
ihr Entwicklungspotential sowohl hinsichtlich der Einlasstemperatur
der ersten Turbine als auch hinsichtlich der Komponententechnologien
erreicht hat.
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Wie
in der Technik wohlbekannt ist und in 1 dargestellt
ist, weist eine Verbrennungsturbine 1 eine Verdichteranordnung 2,
eine Brennkammeranordnung 3 mit einem Übergangsabschnitt 4 oder
stattdessen eine Ringbrennkammer sowie eine erste Turbinenanordnung 5 auf.
Es existiert ein Durchflussweg durch den Verdichter 2,
die Brennkammeranordnung 3, den Übergangsabschnitt 4 und die
erste Turbinenanordnung 5 hindurch. Die erste Turbinenanordnung 5 ist
mittels einer zentralen Welle 6 mechanisch mit der Verdichteranordnung 2 gekoppelt.
Ein äußeres Gehäuse 7 erzeugt
eine Druckluftkammer 7a. Normalerweise umschließt das äußere Gehäuse 7 eine
Vielzahl von Brennkammeranordnungen 3 und Übergangsabschnitten 4.
Die Brennkammeranordnungen 3 und die Übergangsabschnitte 4 sind
rings um die mittlere Welle 6 herum angeordnet. Das System
kann ferner eine Zwischeneinheit 8 und eine zweite Turbinenanordnung 9 aufweisen.
Die Zwischeneinheit 8 kann entweder ein Diffusor 8a oder
eine Reheat-Brennkammer (Zwischenüberhitzungs-Brennkammer) 8b oder
ein Mischer sein. Die zweite Turbinenanordnung 9 kann mittels einer
Welle mit einer Arbeitseinheit 80 (2) wie etwa
einem Generator, einer Pumpe oder einem Verdichter gekoppelt sein.
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In
Betrieb saugt die Verdichteranordnung 2 Umgebungsluft an
und verdichtet sie. Die Druckluft strömt durch den Durchflussweg
zu der Druckluftkammer 7a, die durch das Gehäuse 7 definiert
ist. Die Druckluft innerhalb der Druckluftkammer 7a tritt in
eine Brennkammeranordnung 3 ein, wo die Druckluft mit einem
Brennstoff gemischt und gezündet wird,
um ein Arbeitsgas zu erzeugen. Das Arbeitsgas strömt aus der
Brennkammeranordnung 3 durch den Übergangsabschnitt 4 hindurch
und in die erste Turbinenanordnung 5 hinein. In der ersten
Turbinenanordnung 5 wird das Arbeitsgas durch eine Reihe
von in Rotation versetzbaren Laufschaufeln 11, welche mittels
eines Rotorstapels 11a mit einer Welle 6 gekoppelt
sind, und die stationären
Leitschaufeln 12 hindurch expandiert. Während das Arbeitsgas durch die
erste Turbinenanordnung 5 strömt, rotieren die Laufschaufeln 11 und
die Welle 6 und erzeugen dabei ein mechanisches Drehmoment,
welches die Verdichteranordnung 2 antreibt. Das Arbeitsgas
strömt anschließend durch
die Zwischeneinheit 8, wo der Druck des Arbeitsgases abnimmt,
während
die Temperatur in einer Reheat-Brennkammer
(Zwischenüberhitzungs-Brennkammer) 8b erhöht werden
kann. Schließlich
wird das Gas durch die zweite Turbinenanordnung 9 hindurch
expandiert, die eine Reihe von rotierenden Laufschaufeln 13 und
stationären
Leitschaufeln 14 aufweist. Die Laufschaufeln 13 der zweiten
Turbine sind mit einer Welle gekoppelt, um eine Rotationskraft zu
erzeugen. Die Welle der zweiten Turbine kann mit einem Generator
gekoppelt sein, um Elektrizität
zu erzeugen, oder mit einer Pumpe oder einem Verdichter.
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Wie
in 2 dargestellt, weist ein modulares Gasturbinenanlagen-System 10 eine
erste Vielzahl von modularen Komponenten 20 auf, wie etwa eine
modulare Verdichtereinheit 22, ein modulares äußeres Gehäuse 19,
eine modulare Brennkammereinheit 24, eine modulare erste
Turbineneinheit 26, eine modulare Zwischeneinheit 50,
eine modulare zweite Turbineneinheit 60 und eine Arbeitseinheit 80. Eine
modulare Zwischeneinheit 50 kann zwischen der ersten Turbineneinheit 26 und
der zweiten Turbineneinheit 60 angeordnet sein. Eine zweite
Vielzahl von modularen Komponenten 20a beinhaltet der ersten
Vielzahl 20 entsprechende Komponenten, wobei die zweite
Vielzahl von modularen Komponenten 20a jedoch andere Betriebscharakteristiken
aufweist.
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Die
modulare Verdichtereinheit 22 hat ein Gehäuse 23,
die modulare Brennkammereinheit hat ein Gehäuse 25 und die modulare
erste Turbineneinheit hat ein Gehäuse 27, die modulare
Zwischeneinheit 50 hat ein Gehäuse 51 und die modulare
zweite Turbineneinheit 60 hat ein Gehäuse 61. Das Gehäuse 23 der
modularen Verdichtereinheit, das modulare äußere Gehäuse 19, das Gehäuse 25 der
modularen Brennkammereinheit, das Gehäuse 27 der modularen
ersten Turbineneinheit, das Gehäuse 51 der
modularen Zwischeneinheit und das Gehäuse 61 der modularen
zweiten Turbineneinheit bilden eine kontinuierlichen Durchflussweg
durch diese Gehäuse
hindurch.
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Somit
hat jede von den mehreren Komponenten 20 ein Gehäuse 23, 25, 27, 51, 61.
Zwischen den mehreren Komponenten befindet sich jeweils eine Schnittstelle.
Die Gehäuse 23, 25, 27, 51, 61 benachbarter
Komponenten sind so gestaltet, dass sie miteinander in Eingriff
stehen. Eine alternative Komponente ist so gestaltet, dass sie ein
Gehäuse
aufweist, welches mit der (den) benachbarten Komponente(n) in Eingriff
gelangt. Somit sind die Gehäuse der
einzelnen Komponenten 23, 25, 27, 51, 61 sowie die
Gehäuse
von alternativen Komponenten so gestaltet, dass sie mit den Gehäusen 23, 25, 27, 51, 61 benachbarter
Komponenten sowie mit Gehäusen von
alternativen Komponenten in Eingriff gelangen.
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Eine
Verdichter-Turbinen-Welle 30 verbindet die modulare Verdichtereinheit 22 mechanisch
mit der modularen ersten Turbineneinheit 26. Die Verdichter-Turbinen-Welle 30 weist
zwei Enden 30a, 30b auf, welche so gestaltet sind,
dass sie lösbar
mit der modularen Verdichtereinheit und mit der modularen ersten
Turbineneinheit koppelbar sind. Der Begriff "lösbar
koppelbar" wird
hier in der Bedeutung verwendet, dass die Komponente vorzugsweise
so gestaltet ist, dass sie mit einer zugehörigen Komponente oder Einheit
in Eingriff oder außer
Eingriff gebracht werden kann. Selbstverständlich schließt "lösbar koppelbar" jedoch auch andere
Mittel des Eingriffs ein, welche praktisch auf eine Weise, welche eine
erneute Befestigung ermöglicht,
gelöst
werden können.
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Eine
Generatorwelle 70 koppelt die modulare zweite Turbineneinheit 60 mit
der Arbeitseinheit 80. Die Generatorwelle 70 weist
zwei Enden 70a, 70b auf, welche so gestaltet sind,
dass sie lösbar
mit der modularen zweiten Turbineneinheit und der Arbeitseinheit 80 koppelbar
sind.
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Die
modulare Verdichtereinheit 22 kann eine aus einer Vielzahl
von Verdichtern mit hohem Verdichtungsverhältnis sein. Die modulare Verdichtereinheit 22 kann
so angepasst werden, dass sie mit einem kombinierten Zyklus mit
integrierter Vergasung (Integrated Gasification Combined Cycle,
IGCC), mit einer fortschrittlichen druckaufgeladenen Wirbelschichtfeuerung
(Advanced Pressurized Fluidized Bed Combustion, APFBC), mit Gasturbinen-/Festkeramik-Brennstoffzellen-(Gas
Turbine/Solid Oxide Fuel Cell, GT/SOFC-)Hybridzyklen sowie mit anderen, neu
entstehenden Kraftanlagen-Zyklen zusammenwirken kann. Die modulare
Verdichtereinheit 22 enthält mehrere Reihen von stationären Leitschaufeln
und rotierenden Laufschaufeln (nicht dargestellt). Das Gehäuse 23 der
modularen Verdichtereinheit ist so gestaltet, dass es mehrere Konfigurationen von
Leitschaufeln und Laufschaufeln umschließt, wobei die Reihen von Leitschaufeln
und Laufschaufeln mehr als eine Form haben können.
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Die
modulare Verdichtereinheit ist so gestaltet, dass sie mit der Verdichter-Turbinen-Welle 30 lösbar koppelbar
ist. Die modulare Verdichtereinheit 22 als solche kann
leicht von dem Kraftanlagen-System 10 gelöst werden.
Dann könnte
eine andere modulare Verdichtereinheit 22 an der Stelle
der ersten modularen Verdichtereinheit 22 installiert werden. Eine
beliebige andere modulare Verdichtereinheit 22 ist ebenfalls
so gestaltet, dass sie mit der Verdichter-Turbinen-Welle 30 lösbar koppelbar
ist. Das Gehäuse 23 der
modularen Verdichtereinheit ist so gestaltet, dass es mit dem modularen äußeren Gehäuse 19 lösbar koppelbar
ist.
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Die
modulare Brennkammereinheit 24 kann eine von vielfältigen Brennkammeranordnungen sein.
Zum Beispiel ist eine modulare Brennkammereinheit 24 so
gestaltet, dass sie Erdgas verbrennt. Eine andere modulare Brennkammereinheit 24 ist
so gestaltet, dass sie Synthesegas verbrennt, wie etwa das Gas,
das von einem IGCC-System erzeugt wird. Die modulare Brennkammereinheit 24 ist
so gestaltet, dass sie innerhalb eines modularen äußeren Gehäuses 19 innerhalb
einer Luftkammer angeordnet ist, die mit Druckluft von der modularen
Verdichtereinheit 22 gefüllt ist. Die modulare Brennkammereinheit 24 mischt
Druckluft mit einem Brennstoff und zündet das Gemisch, um ein Arbeitsfluid
zu erzeugen. Die modulare Brennkammereinheit 24 weist ein Brennstoffeinlassmittel
und eine Zünderanordnung (nicht
dargestellt) auf. Das Brennstoffeinlassmittel ist so gestaltet,
dass es mit einer Brennstoffzufuhr 90 lösbar koppelbar ist. Die anderen
modularen Brennkammereinheiten 24 sind auch so gestaltet,
dass sie mit einer Brennstoffzufuhr 90 lösbar koppelbar
sind. Die modulare Brennkammereinheit 24 als solche kann
also leicht durch eine andere modulare Brennkammereinheit 24 ersetzt
werden. Das modulare äußere Gehäuse 19 ist
so gestaltet, dass es mit Brennstoffeinlassleitungen unterschiedlicher
Größen verwendet
werden kann.
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Die
modulare erste Turbineneinheit 26 ist so gestaltet, dass
sie mit der Verdichter-Turbinen-Welle 30 lösbar koppelbar
ist. Das Gehäuse 23 der
modularen Verdichtereinheit ist so gestaltet, dass es mit dem modularen äußeren Gehäuse 19 lösbar koppelbar
ist. Das stromabwärts
befindliche Ende der ersten Turbineneinheit 26 ist so gestaltet,
dass es mit der modularen Zwischeneinheit 50 lösbar koppelbar ist.
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Die
modulare erste Turbineneinheit 26 weist eine Vielzahl von
stationären
Leitschaufeln und rotierenden Laufschaufeln (nicht dargestellt)
auf. Eine Form der modularen ersten Turbineneinheit 26 ist
so gestaltet, dass sie ein Kühlsystem
(wie unten beschrieben) für
das Gehäuse 27 und
die Leitschaufeln und/oder Laufschaufeln enthält. Die modulare Zwischeneinheit 50 ist
so gestaltet, dass sie sowohl mit der modularen ersten Turbineneinheit 26 als
auch mit der modularen zweiten Turbineneinheit 60 lösbar koppelbar
ist. Eine Form der modularen Zwischeneinheit 50 enthält eine
Reheat-Brennkammer 53 (4), welche
so gestaltet ist, dass sie das Arbeitsgas wieder erwärmt, bevor
das Arbeitsgas in die modulare zweite Turbineneinheit 60 eintritt.
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Die
modulare zweite Turbineneinheit 60 ist so gestaltet, dass
sie mit der modularen Zwischeneinheit 50 und der Generatorwelle 70 lösbar koppelbar
ist. Die zweite Turbineneinheit 60 weist eine Vielzahl
von stationären
Leitschaufeln und rotierenden Laufschaufeln (nicht dargestellt)
auf. Eine Form der zweiten Turbineneinheit 60 ist so gestaltet,
dass sie ein Kühlsystem
(wie unten beschrieben) für
das Gehäuse 61 und
die Leitschaufeln und/oder Laufschaufeln enthält. Modulare zweite Turbineneinheiten 60 sind
für entweder
50-Hz- oder 60-Hz-Anwendungen ausgelegt. Die modulare zweite Turbineneinheit 60 kann
eine an Ort und Stelle angeordnete Reheat-Vorrichtung zum Wiedererwärmen des
Arbeitsgases innerhalb der modularen zweiten Turbineneinheit 60 enthalten.
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Die
Arbeitseinheit 80 ist vorzugsweise entweder ein 50-Hz- oder ein 60-Hz-Generator.
Die Arbeitseinheit 80 ist so gestaltet, dass sie mit der
Generatorwelle 70 lösbar
koppelbar ist.
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Der
Verdichter-Turbinen-Kraftanlage 10 wird durch ein modulares
Wärmetauschsystem 100 ein höherer Wirkungsgrad
verliehen. Das modulare Wärmetauschsystem 100 enthält eine
Vielzahl von geschlossenen und offenen Wärmetauscheinheiten. Mit dem
Begriff "geschlossene
Wärmetauscheinheit" wird hier eine Wärmetauscheinheit
bezeichnet, die zwei geschlossene Fluidleitungen aufweist, welche miteinander
Wärme austauschen.
Wenn zwei Leitungen miteinander Wärme austauschen, wird im Folgenden
gesagt, dass die zwei Leitungen miteinander "interagieren". Da die Leitungen jedoch geschlossen sind,
vermischen sich die zwei Fluide nicht. Eine "offene Wärmetauscheinheit" ist eine Wärmetauscheinheit,
welche gestattet, dass Umgebungsluft mit einer geschlossenen Leitung
interagiert, wodurch Energie auf die Atmosphäre übertragen wird. Der Begriff "offen gekoppelt" wird hier in der
Bedeutung verwendet, dass erwärmte
Luft von einer Wärmetauscheinheit über eine
zweite Wärmetauscheinheit
bewegt wird und dadurch die zweite Wärmetauscheinheit erwärmt. Das
Fluid im Inneren der ersten Wärmetauscheinheit
interagiert jedoch nicht mit dem Fluid in der zweiten Wärmetauscheinheit.
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Das
Gehäuse 23 der
modularen Verdichtereinheit ist so gestaltet, dass ermöglicht wird,
dass wenigstens drei Entlüftungsleitungen 31, 32 und 33 Druckluft
aus dem Verdichter entnehmen. Die erste Entlüftungsleitung 31 wird
an der am weitesten stromaufwärts
befindlichen Stelle des Durchflussweges abgezweigt, verglichen mit
den übrigen
Entlüftungsleitungen.
Die erste Entlüftungsleitung
kann jedoch nicht an einer Stelle abgezweigt werden, die sich stromaufwärts der
Verdichterschaufeln der ersten Stufe befindet. Die erste Entlüftungsleitung 31 als solche
entnimmt die kühlste
Druckluft. Die zweite Entlüftungsleitung
wird an einer Stelle abgezweigt, die sich im Durchflussweg stromabwärts der
ersten Entlüftungsleitung 31 befindet.
Die zweite Entlüftungsleitung 32 als
solche transportiert Luft, die sowohl eine höhere Temperatur als auch einen
höheren Druck
als die der ersten Entlüftungsleitung 31 aufweist.
Die dritte Entlüftungsleitung
wird an einer Stelle abgezweigt, die sich entlang des Durchflussweges weiter
stromabwärts
als die zweite Entlüftungsleitung 32 befindet.
Dementsprechend weist die Druckluft innerhalb der dritten Entlüftungsleitung 33 einen
höheren
Druck und eine höhere
Temperatur auf als die Luft in der zweiten Entlüftungsleitung 32.
Die Druckluft, welche den Auslass der Verdichtereinheit 22 verlässt und
in das modulare äußere Gehäuse 19 eintritt,
hat den höchsten
Druck und die höchste
Temperatur. Die Druckluft aus dem Inneren des modularen äußeren Gehäuses 19 wird
in mindestens drei Teile aufgeteilt. Ein erster Teil dieser Luft
wird der modularen Brennkammereinheit 24 zugeführt, ein
zweiter Teil dieser Luft wird über
eine primäre
Gehäuseentlüftungsleitung 34 dem
modularen Wärmetauschsystem 100 zugeführt, und
ein dritter Teil kann zu der modularen ersten Turbineneinheit 26 strömen.
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Das
modulare Wärmetauschsystem 100 ist so
gestaltet, dass es Druckluft aus den drei Entlüftungsleitungen und Druckluft,
die aus dem zweiten Teil der Luft in dem modularen äußeren Gehäuse 19 entnommen
wurde, verwendet. Wie weiter unten beschrieben wird, kann das modulare
Wärmetauschsystem 100 in
vielfältigen
Konfigurationen eingerichtet werden. Bei jeder Konfiguration weist
jedoch die Luft innerhalb der diversen Kreisläufe, die von den verschiedenen
Entlüftungsleitungen
gebildet werden, ungefähr
denselben Druck auf, der dem Druck der einzelnen Entlüftungsleitungen 31, 32, 33, 34 entspricht.
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Allgemein
besteht der Zweck des modularen Wärmetauschsystems 100 darin,
den Brennstoff zu erwärmen
und/oder die Leitschaufeln und Laufschaufeln der ersten Turbineneinheit 26 und
der zweiten Turbineneinheit 60 zu kühlen, oder das Gehäuse 27 der
ersten Turbineneinheit oder das Gehäuse 61 der zweiten
Turbineneinheit zu erwärmen, so
dass der Spitzenspalt zwischen den Laufschaufeln innerhalb der ersten
Turbineneinheit 26 und der zweiten Turbineneinheit 60 einem
optimalen Abstand entspricht.
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Die
erste Turbineneinheit 26 und die zweite Turbineneinheit 60 arbeiten
mit dem höchsten
Wirkungsgrad, wenn sich die rotierenden Laufschaufeln innerhalb
der Turbinen 26, 60 in einem optimalen Abstand
von den Gehäusen 27 und 61 befinden.
Um sicherzustellen, dass der Zwischenraum zwischen den Laufschaufeln
und den Gehäusen 27 und 61 optimal bleibt,
können
die Gehäuse 27 und 61 selektiv
erwärmt
werden, wodurch eine kontrollierte Wärmeausdehnung hervorgerufen
wird, oder die rotierenden Laufschaufeln und der Rotorstapel 11a können auf
ausgewählte
Temperaturen gekühlt
werden, wodurch eine kontrollierte thermische Kontraktion hervorgerufen
wird.
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Das
modulare Wärmetauschsystem 100 ist so
gestaltet, dass es mit dem Gehäuse 23 der
modularen Verdichtereinheit, der modularen Brennkammereinheit 24,
dem Gehäuse 27 der
modularen ersten Turbineneinheit, dem Gehäuse 51 der modularen Zwischeneinheit
und dem Gehäuse 61 der
modularen zweiten Turbineneinheit lösbar koppelbar ist. Innere
Kanäle
(nicht dargestellt) innerhalb des Gehäuses 27 der modularen
ersten Turbineneinheit und des Gehäuses 61 der modularen
zweiten Turbineneinheit ermöglichen,
dass sich das modulare Wärmetauschsystem 100 in
Fluidkommunikation mit den Laufschaufeln und Leitschaufeln der modularen
Turbinenanordnungen 26, 60 befindet.
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Wie
in 2 dargestellt, weist eine Kraftanlage 10,
die als eine Kraftanlage für
Simple-Cycle-Spitzenbetrieb konfiguriert ist, ein modulares Wärmetauschsystem
auf, das wie folgt konfiguriert ist. Die erste Entlüftungsleitung 31 ist
in Fluidkommunikation mit einer ersten geschlossenen Wärmetauscheinheit 102.
Die erste geschlossene Wärmetauscheinheit
ist ferner in Fluidkommunikation über eine dritte Gehäuseentlüftungsleitung 37 (weiter
unten beschrieben). In der ersten geschlossenen Wärmetauscheinheit 102 interagiert
Luft in der Leitung 31 mit der Luft in der dritten Gehäuseentlüftungsleitung 37, wodurch
die Temperatur der ersten Entlüftungsleitung 31 erhöht und die
Temperatur der dritten Gehäuseentlüftungsleitung 37 verringert
wird. Die Luft in der dritten Gehäuseentlüftungsleitung 37 wird
am stromabwärts
befindlichen Ende der Verdichtereinheit 22 zurück in die
modulare Verdichtereinheit 22 geleitet. Die erste Entlüftungsleitung 31 ist
ferner in Fluidkommunikation mit der ersten offenen Wärmetauscheinheit 103.
Um den Wärmetausch
mit der ersten offenen Wärmetauscheinheit 103 zu
erleichtern, kann die Einheit einen Lüfter 103(a) oder ein
anderes solches Mittel aufweisen, um Luft zu zwingen, durch und/oder über die
Wärmetauscheinheit
zu strömen.
Vorzugsweise umgeht bei Betrieb des Systems in einem stabilen Zustand
die Luft aus der ersten Entlüftungsleitung 31 die
erste offene Wärmetauscheinheit 103,
indem ein Umgehungsventil 103b geöffnet wird. Während der
Inbetriebnahme- und Abschaltsequenzen wird Kühlluft zu dem Rotorstapel 11a gelenkt,
um zu bewirken, dass der Rotorstapel 11a schrumpft und somit
die Laufschaufeln von dem Gehäuse 27 weggezogen
werden. Im stabilen Zustand wird der Rotorstapel auf eine kontrollierte
Weise erwärmt,
um dem Rotorstapel 11a zu ermöglichen, sich auszudehnen und
zu bewirken, dass der Spalt zwischen den Laufschaufeln und dem Gehäuse 27 optimal ist.
Die Verwendung der ersten geschlossenen und der ersten offenen Wärmetauscheinheit 102, 103 ermöglicht eine
Steuerung der Temperatur der Luft, die zu Kühlkanälen innerhalb der Laufschaufeln
der zweiten Turbineneinheit 60 geleitet wird, wodurch eine
Steuerung des Spitzenspaltes ermöglicht
wird.
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Die
erste, die zweite und die dritte Gehäuseentlüftungsleitung 35, 36 und 37 befinden
sich über die
primäre
Gehäuseentlüftungsleitung 34 in
Fluidkommunikation mit der Druckluft im modularen äußeren Gehäuse 19.
Die Luft aus der ersten Gehäuseentlüftungsleitung 35 wird
direkt dem Gehäuse 27 der
modularen ersten Turbineneinheit zugeführt, wodurch das Gehäuse 27 der
modularen ersten Turbineneinheit erwärmt wird. Die zweite Gehäuseentlüftungsleitung 36 ist
mit dem Gehäuse 61 der
modularen zweiten Turbineneinheit gekoppelt. Die Luft von den Gehäuseentlüftungsleitungen 35, 36 kann
verwendet werden, um die Gehäuse 27, 61 zu
erwärmen und
dadurch bei der Steuerung des Spitzenspaltes zu helfen.
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Der
Brennstoff wird durch das modulare Wärmetauschsystem 100 erwärmt. Brennstoff
aus einer Brennstoffquelle 90 wird einem Brennstoffzufuhrsystem 92 zugeführt. Der
Brennstoff ist vorzugsweise ein brennbares Gas. Eine primäre Brennstoff-Wärmetauscheinheit 91 ist
offen mit einer zweiten offenen Wärmetauscheinheit 104 gekoppelt,
welche einen Lüfter 104(a) enthalten
kann. Erwärmte
Luft aus der zweiten Entlüftungsleitung 32 strömt durch
die zweite offene Wärmetauscheinheit 104 und
erwärmt den
Brennstoff in der primären
Brennstoff-Wärmetauscheinheit 91.
Die primäre
Brennstoff-Wärmetauscheinheit 91 ist
außerdem
offen mit einer dritten offenen Wärmetauscheinheit 106 gekoppelt,
welche einen Lüfter 106(a) enthalten
kann. Erwärmte
Luft aus der dritten Entlüftungsleitung 33 strömt durch
die dritte offene Wärmetauscheinheit 106 und
erwärmt
den Brennstoff in der primären
Brennstoff-Wärmetauscheinheit 91 noch
weiter. Der Brennstoff aus dem primären Brennstoff-Wärmetauscher 91 wird
dann der modularen Brennkammereinheit 24 zugeführt.
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Die
Luft aus der zweiten Entlüftungsleitung 32 wird
dann einer vierten offenen Wärmetauscheinheit 105 zugeführt, welche
einen Lüfter 105(a) enthalten
kann, bevor sie dem Rotorstapel der ersten Turbineneinheit 26 zugeführt wird.
Nach der dritten offenen Wärmetauscheinheit 106 wird
die Luft in der dritten Entlüftungsleitung 33 dem
Rotorstapel innerhalb der ersten Turbineneinheit 26 zugeführt. Bevor
sie der ersten Turbineneinheit 26 zugeführt wird, kann die Luft aus
der dritten Entlüftungsleitung 33 durch eine
fünfte
offene Wärmetauscheinheit 107 geleitet werden,
welche einen Lüfter 107(a) enthalten
kann, um die Temperatur der Luft aus der dritten Entlüftungsleitung 33 zu
regulieren. Vorzugsweise werden im stabilen Zustand sowohl die vierte
als auch die fünfte
offene Wärmeübertragungseinheit 105 und 107 unter
Verwendung von Umgehungsventilen 105b und 107b umgangen.
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Das
in 2 dargestellte System kann an eine Konfiguration
für ausgereiften
Simple-Cycle-Spitzenbetrieb, wie sie in 3 dargestellt
ist, angepasst werden, indem das modulare Wärmetauschsystem 100 umkonfiguriert
wird. Diese Ausführungsform
enthält
ferner einen Brennstoffverdichter 93 und eine zweite geschlossene
Wärmetauscheinheit 109. Der
Brennstoffverdichter 93 ist zwischen der Brennstoffzufuhr 90 und
der primären
Brennstoff-Wärmetauscheinheit 91 angeordnet.
Der Brennstoffverdichter 93 erhöht den Druck des Brennstoffes.
Die Temperatur des Brenngases wird in der primären Brennstoff-Wärmetauscheinheit 91 wie
oben beschrieben erhöht.
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Nach
der ersten geschlossenen Wärmetauscheinheit 102 wird
die erste Entlüftungsleitung 31 in einen
ersten Zweig 31a und einen zweiten Zweig 31b aufgeteilt.
Der zweite Zweig 31b ist in Fluidkommunikation mit der
ersten offenen Wärmetauscheinheit 103 und
Laufschaufeln der modularen zweiten Turbineneinheit 60,
wie oben beschrieben. Die zweite geschlossene Wärmetauscheinheit 109 ist
in Fluidkommunikation mit dem Zweig 31a. Die zweite geschlossene
Wärmetauscheinheit 109 ist
ferner mit der dritten Entlüftungsleitung 33 verbunden
und ist zwischen der dritten offenen Wärmetauscheinheit 106 und
der fünften
Wärmetauscheinheit 107 angeordnet.
Die Wärme
von der dritten Entlüftungsleitung 33 wird
als solche auf die Druckluft in der Entlüftungsleitung 31a übertragen.
Die Entlüftungsleitung 31a ist
ferner mit der Zwischeneinheit 50 verbunden, wo die Druckluft in
der Entlüftungsleitung 31a mit
dem Arbeitsfluid vereinigt wird. Da die Wärme von der dritten Entlüftungsleitung 33 auf
die Druckluft in der Entlüftungsleitung 31a übertragen
wird und danach zurück
auf das Arbeitsgas übertragen
wird, bevor es durch die zweite modulare Turbineneinheit 60 strömt, wird
die gesamte Wärme,
die aus der dritten Verdichter-Entlüftungsleitung 33 in
die Kühlluft
in der Entlüftungsleitung 31a entnommen
wird, in das System zurückgeführt, wodurch
der Wirkungsgrad des Zyklus maximiert wird.
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Das
Verbrennungsturbinenanlagen-System 10 kann ferner wie in 4 dargestellt
verfeinert werden, so dass nahezu die gesamte Motorwärme in dem
Arbeitsgas zurückgehalten
wird. Bei dieser Konfiguration ist das modulare Wärmetauschsystem 100 so
gestaltet, dass es mit einer ausgereiften Reheat-Kraftanlage (Zwischenüberhitzungs-Kraftanlage) für Kombizyklus
zusammenwirkt. Allgemein ist die Zwischeneinheit 50 so
gestaltet, dass sie eine Reheat-Brennkammer 53 enthält, wie
oben angemerkt. Außerdem
ist das modulare Wärmetauschsystem 100 so
gestaltet, dass es den Leitschaufeln in der ersten Turbinenanordnung 26 und
der zweiten Turbineneinheit 60 Kühlluft in einem Kühlsystem
mit teilweise geschlossenem Kreislauf zuführt, wie weiter unten beschrieben
ist. Die erste Entlüftungsleitung 31 ist
erneut in einen ersten Zweig 31a und einen zweiten Zweig 31b aufgeteilt.
Der erste Zweig 31a ist bei dieser Konfiguration in Fluidkommunikation
mit einer dritten, einer vierten und einer fünften geschlossenen Wärmetauscheinheit 202, 204, 206.
Die dritte geschlossene Wärmetauscheinheit 202 ist
in Fluidkommunikation mit der zweiten Entlüftungsleitung 32.
Der erste Zweig 31a und die zweite Entlüftungsleitung 32 interagieren
in der dritten geschlossenen Wärmetauscheinheit 202,
wobei die Luft in dem ersten Zweig 31a erwärmt wird
und die Luft in der zweiten Entlüftungsleitung 32 gekühlt wird.
Der erste Zweig 31a ist dann mit der vierten geschlossenen Wärmetauscheinheit 204 verbunden.
Die fünfte
geschlossene Wärmetauscheinheit 206 ist
in Fluidkommunikation mit der dritten Entlüftungsleitung 33.
Der erste Zweig 31a und die dritte Entlüftungsleitung 33 interagieren
in der vierten geschlossenen Wärmetauscheinheit 204,
wobei die Luft in dem ersten Zweig 31a erwärmt wird
und die Luft in der dritten Entlüftungsleitung 33 gekühlt wird.
Die fünfte
geschlossene Wärmetauscheinheit 206 ist
mit dem ersten Zweig 31a verbunden und, über die
dritte Gehäuseentlüftungsleitung 37,
in Fluidkommunikation mit dem modularen äußeren Gehäuse 19. Wie zuvor
interagieren die dritte Gehäuseentlüftungsleitung 37 und
der erste Zweig 31a in der fünften geschlossenen Wärmetauscheinheit 206,
wobei die Luft in dem Zweig 31a erwärmt wird und die Luft in der
Leitung 37 gekühlt wird.
Die dritte Gehäuseentlüftungsleitung 37 führt zurück zu der
modularen Verdichtereinheit 22, wie oben angegeben. Der
erste Zweig 31a ist mit dem Arbeitsgasstrom innerhalb der
modularen Zwischeneinheit 50 stromaufwärts von der Reheat-Brennkammer 53 verbunden.
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Die
zweite und die dritte Entlüftungsleitung 32, 33 sind
nach der vierten bzw. fünften
geschlossenen Wärmetauscheinheit 204 bzw. 206 mit
einer sechsten bzw. siebenten offenen Wärmetauscheinheit 220, 222 verbunden.
Die sechste offene Wärmetauscheinheit 220,
welche einen Lüfter 220a enthalten
kann, ist an der zweiten Entlüftungsleitung 32 zwischen
der dritten geschlossenen Wärmetauscheinheit 202 und
der modularen ersten Turbinenanordnung 26 angeordnet. Die
siebente offene Wärmetauscheinheit 222,
welche einen Lüfter 222a enthalten
kann, ist an der dritten Entlüftungsleitung 33 zwischen
der dritten geschlossenen Wärmetauscheinheit 202 und
der modularen ersten Turbinenanordnung 26 angeordnet. In
einem stabilen Zustand können
die sechste und siebente offene Wärmetauscheinheit 220, 222 umgangen
werden. Die Luft in der zweiten und dritten Entlüftungsleitung 32, 33 vereinigt
sich mit dem Durchflussweg des Arbeitsgases in der modularen ersten
Turbineneinheit 26 nach dem Kühlen der Laufschaufeln und
Leitschaufeln der ersten Turbineneinheit 26.
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Der
zweite Zweig 31b ist in Fluidkommunikation mit einer sechsten
geschlossenen Wärmetauscheinheit 208.
Die sechste geschlossene Wärmetauscheinheit 208 ist
außerdem, über eine
vierte Gehäuseentlüftungsleitung 210,
in Fluidkommunikation mit dem modularen äußeren Gehäuse 19. In der siebenten
geschlossenen Wärmetauscheinheit
interagiert die Luft in dem zweiten Zweig 31b mit der Luft
in der vierten Gehäuseentlüftungsleitung 210,
wodurch die Luft in dem zweiten Zweig 31b erwärmt wird
und die Luft in der vierten Gehäuseentlüftungsleitung 210 gekühlt wird.
Der zweite Zweig 31b ist ferner in Fluidkommunikation mit
einer achten offenen Wärmetauscheinheit 212,
welche einen Lüfter 212a enthalten kann.
Nach der achten offenen Wärmetauscheinheit 212 ist
der zweite Zweig 31b über
Kanäle
in dem Gehäuse 61 der
modularen zweiten Turbineneinheit in Fluidkommunikation mit den
Leitschaufeln in der modularen zweiten Turbineneinheit 60.
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Die
vierte Gehäuseentlüftungsleitung 210 ist, nachdem
sie durch die sechste geschlossene Wärmetauscheinheit 208 hindurch
verläuft,
mit einer neunten offenen Wärmetauscheinheit 224 verbunden.
Die neunte offene Wärmetauscheinheit 224 ist offen
mit der primären
Brennstoff-Wärmetauscheinheit 91 gekoppelt.
Das Brennstoffzufuhrsystem 92 enthält außerdem die Brennstoffquelle 90 und
einen Verdichter 94, welcher den Brennstoffdruck erhöht. Nachdem
der Brennstoff durch den Verdichter 94 verdichtet worden
ist, strömt
der Brennstoff durch die primäre
Brennstoff-Wärmetauscheinheit 91.
In der neunten offenen Wärmetauscheinheit 224 wird
die Luft in der vierten Gehäuseentlüftungsleitung 210 gekühlt, und
heiße
Luft wird der primären
Brennstoff-Wärmetauscheinheit 91 zugeführt, wodurch
sie den Brennstoff erwärmt.
Der Brennstoff strömt
dann in die modulare Brennkammereinheit 24. Die vierte Gehäuseentlüftungsleitung 210 ist
ferner in Fluidkommunikation mit einem sekundären Verdichter 230.
Der sekundäre
Verdichter 230 erhöht
den Luftdruck in der vierten Gehäuseentlüftungsleitung 210. Luft
aus der vierten Gehäuseentlüftungsleitung 210 wird
dann durch ein Leitschaufel-Kühlsystem 240 mit teilweise
geschlossenem Kreislauf geleitet. Das Leitschaufel-Kühlsystem 240 mit
teilweise geschlossenem Kreislauf verläuft durch die Leitschaufeln
sowohl in der modularen ersten Turbineneinheit 26 als auch in
der modularen zweiten Turbineneinheit 60 hindurch. Das
Kühlsystem 240 mit
teilweise geschlossenem Kreislauf kann außerdem einen offenen Kreis enthalten, über welchen
ein Teil der Luft in dem Kühlsystem 240 mit
teilweise geschlossenem Kreislauf in den Durchflussweg geleitet
wird. Ein solcher einen offenen Kreis enthaltender Teil des Kühlsystems 240 mit
teilweise geschlossenem Kreislauf wird verwendet, um die Austrittskanten
der Leitschaufeln innerhalb sowohl der modularen ersten Turbineneinheit 26 als
auch der modularen zweiten Turbineneinheit 60 zu kühlen. Innerhalb
des Kühlsystems 240 mit
teilweise geschlossenem Kreislauf absorbiert die Luft Wärme sowohl
von der modularen ersten Turbineneinheit 26 als auch von
der modularen zweiten Turbineneinheit 60. Die erwärmte Luft
strömt
durch eine Heißluft-Auslassleitung 242,
welche in Fluidkommunikation mit der modularen Brennkammereinheit 24 ist.
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Bei
dieser Konfiguration bleibt die Wärme, die von der Luft in dem
Kühlsystem 240 mit
teilweise geschlossenem Kreislauf absorbiert wird, in der Verbrennungsturbine 1 erhalten,
wodurch der Wirkungsgrad der Verbrennungsturbine 1 erhöht wird.
Um den Wirkungsgrad der Verbrennungsturbine 1 zu erhöhen, muss
der Benutzer eine Verbrennungsturbine 1 bereitstellen,
die eine modulare Verdichtereinheit 22, ein Brennstoffsystem 92,
eine modulare Brennkammereinheit 24 und mindestens eine
modulare Turbineneinheit 26 aufweist. Die modulare Verdichtereinheit 22 weist
Entlüftungsleitungen 31, 32, 33 auf,
und die modulare Turbineneinheit 26 ist so gestaltet, dass sie
mit den Entlüftungsleitungen 31, 32, 33 verbunden
ist, und weist Rotoren 11a auf, die so gestaltet sind,
dass sie von den besagten Entlüftungsleitungen 31, 32, 33 gekühlt werden.
Die Rotoren weisen eine Auslassleitung 242 auf, die mit
der besagten Brennkammer 24 verbunden ist. Der Benutzer
muss außerdem
ein modulares Wärmetauschsystem 100 bereitstellen,
das eine Vielzahl von Wärmetauscheinheiten aufweist,
und die Wärmetauscheinheiten
an die Entlüftungsleitungen 31, 32, 33 anschließen, so
dass die Temperatur der Rotoren 11a selektiv gesteuert
werden kann. Der Benutzer leitet dann Luft durch die Entlüftungsleitungen 31, 32, 33,
um die Temperaturen der Rotoren 11a selektiv zu steuern.
Die von den Rotoren 11a erwärmte Luft wird anschließend der modularen
Brennkammereinheit 24 zugeführt.
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Wie
in 5 dargestellt, kann Luft aus der ersten Entlüftungsleitung 31 verwendet
werden, um eine externe Brennkammeranordnung 250 zu versorgen.
Die externe Brennkammeranordnung 250 kann einen Brennstoff
wie etwa Staubkohle verbrennen. Die externe Brennkammeranordnung
kann mit einem Filter 252 gekoppelt sein. In der externen
Brennkammeranordnung 250 wird Luft aus der ersten Entlüftungsleitung 31 und
insbesondere dem ersten Zweig 31a mit einem Brennstoff
gemischt und gezündet, wodurch
die Temperatur der Luft erhöht
wird. Die externe Brennkammeranordnung 250 ist über einen
externen Brennkammerkanal 254 in Fluidkommunikation mit
dem Filter 252. Das Filter 252 ist in Fluidkommunikation
mit der Reheat-Brennkammer 53 über einen
Filterkanal 256 und den heißen Fluidstrom, der die erste
modulare Turbineneinheit 26 verlässt. Die Reheat-Brennkammer 53 kombiniert
einen Brennstoff mit der erwärmten
Luft aus dem Filterkanal 256. Das Brennstoff-Luft-Gemisch
wird gezündet,
und das resultierende Gas vereinigt sich mit dem Arbeitsgas-Durchflussweg,
welcher sich durch die modulare zweite Turbineneinheit 60 hindurch
erstreckt.