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Gasturbinenanlage Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinenanlagen
mit Gleichdruckverbrennung mit einer Gasturbine oder mehreren Gasturbinen sowie
einem davon angetriebenen Verdichter oder deren mehreren, die die der Turbine oder
den Turbinen zuzuführende Luft verdichten und bei welchen die Luft vor dem Eintritt
in die Turbinenbeschaufelung durch innere Verbrennung, beispielsweise flüssigen
Brennstoffes in einer Verbrennungskammer, erhitzt wird. Zweck der, Erfindung ist,
eine einfache und mit hohem Wirkungsgrade arbeitende Gasturbinenanlage besonders
für mittelgroße Leistungen zu schaffen. Erreicht wird dies dadurch, daß in die verdichtete
Luft hinter der Verdichterendstufe vor deren Eintritt in einen Wärmeaustauscher
Wasser eingespritzt wird.
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Besonders günstig gestaltet sich die Anlage, wenn man die Luft adiabatisch
verdichtet und nach der Wiedererwärmung in den Wärmeaustauscher eine nochmalige
Erhitzung durch innere Verbrennung herbeiführt, ehe das Gemisch der Turbine zugeführt
wird. Eine so gestaltete Anlage kann trotz ihrer einfachen und gedrängten Bauart
mit hohem thermischem Wirkungsgrade arbeiten. In der Zeichnung zeigen die Fig. i
und z Gasentropieschaubilder, die Fig. 3 und q. eine ortsbewegliche Gasturbinenanlage
gemäß der Erfindung, Fig. 5 eine weitere Ausführung einer Anlage gemäß der Erfindung,
und zwar besonders für Schiffsantrieb, während die Fig. 6 bis ß beispielsweise vier
weitere Ausführungen darstellen.
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Das in Fig. i gezeigte Gasentropieschaubild veranschaulicht die Arbeitsweise
einer einfachen Gasturbinenanlage mit nur einem Verdichter. Es wird von A ausgegangen,
welcher Punkt den Zustand der eingesaugten Luft, d. h. den Druck und die Temperatur
derselben vor dem Verdichter zeigt. Durch die Verdichtung erhält die Luft den Druck
und die Temperatur B. Nach dieser adiabatischen Verdichtung wird in die verdichtete
und dadurch erhitzte Luft Wasser eingespritzt, so daß die Temperatur bis auf den
Punkt C hinabfällt. Das eingespritzte Wasser wird dabei auf Grund der hohen Temperatur
der verdichteten Luft sogleich verdampft. Das entstandene Gemisch wird durch einen
mit den Abgasen der Turbine betriebenen Wärmeaustauscher geleitet, wobei die Temperatur
den Wert D erreicht. Die Maßnahme, die verdichtete
Luft durch die
Wassereinspritzung herabzukühlen, bevor sie dem Wärmeaustauscher zugeführt wird,
ist für einen thermodyna-: mischen Wirkungsgrad der Anlage deshl7. von einschneidender
Bedeutung, weil info `dieser Temperaturherabsetzung der Luft i' Wärmeaustauscher
ein großes Wärmegefälr ausnutzbar ist, das es ermöglicht, aus den Turbinenabgasen
große Wärmemengen wieder zu gewinnen und in den Kreislauf einzuführen. Es ist auch
aus diesem Grunde der Ausbildung des Wärmeaustauschers besondere Aufmerksamkeit
in dem Sinne zuzuwenden, daß der Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers so hoch wie
möglich wird. Die Herabkühlung der vom Verdichter kommenden Luft könnte anstatt
durch Einspritzung auch noch durch Kühlung, z. B. mittels. eines Oberflächenkühlers,
erfolgen, jedoch ist dieseLösung viel umständlicher und weniger wirksam. Die so
erwärmte Mischung, die als ein ideelles Gas betrachtet werden kann, wird durch darauf
erfolgende Verbrennung wieder erhitzt und erreicht die Temperatur E. Nach adiabatischer
Entspannung in der Gasturbine ist die Temperatur auf den Wert F gefallen, während
G den Zustand der Abgase mit Bezug auf die erwähnten Größen nach Durchströmen des
Wärmeaustauschers angibt.
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Das in Fig.2 gezeigte Schaubild veranschaulicht ein Arbeitsverfahren
mit Verwendung zweier Verdichter und zwoier Gasturbinen. Die Anlage ist also etwas
verwickelter, aber dafür läßt sich ein höherer thermischer `Virkungsgrad als gemäß
dem in Fig. i gezeigten Schaubild erreichen. Der Punkt A zeigt wieder die Temperatur
der Luft vor dem Verdichter und Bi dieselben Größen nach der adiabatischen Verdichtung
in dem ersten Verdichter. Nach Abkühlung durch Wassereinspritzung ist der Zustand
C, und nach nochmaliger adiabatischer Verdichtung des so entstandenen Gemisches
ist der Punkt B erreicht. Der Vorgang ist dann derselbe, wie zu Fig. i beschrieben,
und zwar bis zum Punkt E. Von dort aus erfolgt eine erste Entspannung nach F1, darauf
eine Wiedererwärmung durch innere Verbrennung nach Ei, alsdann die zweite Entspannung
nach F und @ schließlich die letzte Entspannung und Wärmeabgabe in dem Wärmeaustauscher,
also nach G, Die Abgaswärme der Gasturbine kann man zur Erhitzung der von dem Verdichter
abgehenden Luft unmittelbar verwenden und also. die Wassereinspritzung vermeiden.
Dadurch müßte man aber den Wärmeaustauscher zum Teil für noch _größere Gasmengen
bauen, aber der wichtigste Nachteil eines solchen Verfahrens liegt natürlich darin,
daß man die Abgaswärme nur in geringem Grade würde ausnützen können. Die Temperatur
der die Turbine verlassenden Abgase soll nämlich er-,.findungsgemäß verhältnismäßig
niedrig sein 'itnd wird daher nur wenig, beispielsweise nur bis ioo° C, höher sein
als die Temperatur d r verdichteten Luft. Wenn man aber in die ;;erdichtete Luft
Wasser einspritzt und dadurch die Temperatur der Luft kräftig herabsetzt, so werden
erstens die Gasmengen kleiner und zweitens wird der Unterschied zwischen der Temperatur
der Abgase und derjenigen . der Luft wesentlich größer, so daß sich von der Abgaswärme
bei weitem mehr zurückgewinnen läßt. Das in die Luft eingespritzte Wasser wird auch,
wie bereits eingangs erwähnt, verdampft und leistet auch in der Turbine Arbeit.
Würde man die Temperatur der verdichteten Luft nicht durch Wassereinspritzung, sondern
beispielsweise nur durch Kühlung herabsetzen, so kann man natürlich auch in dieser
Weise die Luftmenge herabsetzen und ein gutes Ausnutzen der Abgaswärme erreichen;
dafür müßte man aber, um Wärmeverluste zu vermeiden, die Wärme des abgeleiteten
Kühlmittels auf Umwegen zurückzugewinnen suchen. Außerdem würde die Anlage naturgemäß
verwickelt werden.
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Erwähnt sei noch, daß man anstatt Wasser in die verdichtete Luft Dampf
einführen kann und daß zur Erzeugung dieses Dampfes die Abgaswärme verwertet werden
kann. Auch in dieser Weise läßt sich eine gute Wirtschaftlichkeit erreichen.
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Bei der in Fig.3 und 4 gezeigten Maschinengruppe bezeichnet i eine
Doppelumlaufturbine, deren eine Welle den Niederdruckverdichter 2 und deren andere
Welle den Hochdruckverdichter 3 antreibt. Mit 4 ist eine zweite Doppelumlaufturbine
bezeichnet, die die beiden Stromerzeuger 5 und 6 treibt. Die Luft wird bei 7 eingesaugt
und verläßt den Hochdruckverdichter bei 8, um in einen Kühler g_ einzutreten. Bei
dem Eintritt in den Kühler ird durch eine Düse bei 1o in die Luft Wasser eingespritzt,
das durch die Leitung i i von der auf der Welle des Niederdruckverdichters 2 angebrachten
Pumpe 12 gefördert wird. Die Pumpe kann das Wasser von einem nicht gezeigten Behälter
nehmen.
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Durch den Luftkühler g, der mit einem Hahn 13 zum Abzapfen des etwa
vorhandenen überschußwassers versehen ist, gelangt die Luft in der Richtung der
Pfeile 14 zu dem mit den Abgasen der Turbinen beheizten Wärmeaustauscher 15, durchströmt
denselben und tritt, wie von dem Pfeil 16 angegeben, in die Verbrennungskammer 17.
In diese Kammer 17 wird Brennöl eingespritzt, und zwar mit Hilfe einer Pumpe 18,
die von der Welle des Niederdruckverdichters a angetrieben
wird,
ihren Brennstoff von einem nicht gezeigten Behälter ansaugt und-denselben durch
die Leitungen 1,9 und 2o durch eine Anzahl Düsen in die Verbrennungskammer einspritzt.
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Das durch die Verbrennung erhitzte Treibmittel gelangt durch die Leitungen
21 und 22 zu den beiden Turbinen, wo es, wie von den Pfeilen 23 und 24 angedeutet,
eingeführt wird. Nach der Entspannung in den Turbinen gelangen die Abgase durch
die Rohrleitungen 25 und 26 zum Wärmeaustauscher 15 und treten nach Durchströmen
desselben in Richtung der Pfeile 27 (Fig. 4) durch den Ablaß 28 hinaus. Mit 29 ist
ein Behälter für Druckluft bezeichnet, die zum Anlassen der Anlage dient.
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Um einen Begriff über die Größe der gezeigten fahrbaren Kraftanlage
zu erhalten, sei erwähnt, daß die gezeigte Anlage bei einem Abstand zwischen den
Turbinenmitten von 11,5 Meter für 1o ooo kW berechnet wurde.
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Fig.5 zeigt eine Gasturbinenanlage nach der Erfindung, und zwar für
Schiffsantrieb mit elektrischer Kraftübertragung. Hier sind wieder zwei Doppelumlaufturbinen
3o und 31 gezeigt, wobei die beiden Wellen 32 und 33 der ersteren d.ie Stromerzeuger
34 und 35 antreiben. Die Welle 33 treibt außerdem den Niederdruckverdichter 36.
Die Wellen 37 und 38 der Turbine 31 treiben den Hochdruckverdichter 39 und den Mitteldruckverdichter
40. Bei normalem Betriebe saugt der Niederdruckverdichter 36 die Luft durch die
Leitung 41 an, wobei die Regelungsklappen 42 und 43 sich in der gezeigten offenen
Lage befinden. Die verdichtete Luft tritt durch die Leitung 44 aus und gelangt in
einen Kühler 45, in den durch die Düse 46 Wasser eingespritzt wird. Die so gekühlte
Luft mit darin befindlichem, fein verteiltem Wasser oder Dampf gelangt in den Mitteldruckverdichter
4o, um nach Verdichtung darin durch die Leitung 47 zum Hochdruckverdichter 39 hinüberzuströmen.
Die hochverdichtete Luft gelangt durch die Leitung 48 in den Kühler 49, in den durch
die Düse 5o Wasser eingespritzt wird. Die Luft- und Dampfmischung gelangt nun in
den mit den Abgasen der Turbinen beheizten Wärmeaustauscher 51, um nach der hierin
erfolgenden Wärmeaufnahme durch die Leitung 52 abzuziehen. Diese Leitung 52 führt
die erwärmte Mischung zu der Verbrennungskammer 53, in welche durch die Düse 54
Brennstoff eingespritzt wird. Die nunmehr durch die innere Verbrennung stark erhitzte
Mischung gelangt durch die Leitung 5,5 in die Turbine 31, verrichtet Arbeit in dieser
und tritt durch den Auslaß 56 in die zweite Verbrennungskaminer 57. In diese wird
durch die Düse 58 von neuem Brennstoff eingespritzt und mit Hilfe der noch vorhandenen
Luft verbrannt. Die in dieser Weise von neuem erhitzte Mischung tritt nunmehr durch
die Leitung 59 in die Turbine 30 und verläßt nach der Entspannung dieselbe
durch den Auslaß 6o, der über die Leitung 61 mit dem Wärmeaustauscher 51 in Verbindung
steht. Nach der Wärmeabgabe in dem Wärmeaustauscher ziehen die Gase bei 62 ab.
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Die Energie der beiden Stromerzeuger 34 und 35 wird den Schleifringen
63 entnommen und dem elektrischen Motor 64 zugeführt. Dieser treibt den auf der
Welle 65 angebrachten Propeller 66.
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So wie die Anlage bisher beschrieben wurde, dient sie zur Erzeugung
der Leistung für die normale Marschgeschwindigkeit des Schiffes. Wenn die Leistung
z. B. bei schneller Fahrt zu steigern ist, so wird mittels des Hebels 67 die Kupplung
68, 69 eingerückt und damit auch der Verdichter 7o eingeschaltet. Die Welle 71 des
Verdichters dreht sich nämlich immer mit der Turbinenwelle 32 und trägt den Kupplungsteil
68, der auf dieser Welle gleitbar, aber nicht drehbar angeordnet ist, während
der Kupplungsteil 69 auf der den Verdichter 70 tragenden Hohlwelle 72 befestigt
ist. Beim Einrücken der Kupplung wird die in dem Lufteinlaß 41 befindliche Klappe
43 durch das von dem Hebel 67 eingestellte Gestänge 73 geschlossen. Die Klappe 42
kann ebenfalls geschlossen werden. Der Lufteinlaß 41 wird also geschlossen, und
die Luft wird nunmehr durch den Einlaß 74 eingesaugt, in dem Verdichter 7o vorverdichtet
und gelangt dann durch die Leitung 75 zum Verdichter 36, der nunmehr als Mitteldruckverdichter
dient. Die vergrößerte Luftmenge läßt die Verbrennung einer größeren Brennstoffmenge
zu, so daß die Anlage eine erhöhte Leistung abgeben kann.
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Fig.6 zeigt beispielsweise eine weitere Ausführung gemäß der Anmeldung.
Die Turbine T treibt den Verdichter K und den Stromerzeuger H. Die verdichtete Luft
tritt von dem Verdichter .in den Kühler O, in den durch die Leitung 76 Wasser eingespritzt
wird. Dieses Wasser wird aus einem Behäl-ter L mit Hilfe einer durch einen
Motor M
angetriebenen Pumpe P angesaugt und durchströmt auf dein Wege zum
Kühler 0 den Wärmeaustauscher R2. Es gelangt also in vorgewärmtem Zustande in den
Kühler O. Die in dem letzteren entstandene Luft- und Wassermischung oder Luft- und
Dampfinischung gelangt dann in den ersten mit den Abgasen der Turbine T geheizten
Wärmeaustauscher R1 und wird darin vorgewärmt. Nachher tritt die Mischung in die
Verbrennungskammer
S und strömt schließlich durch die Leitung 77
zur Turbiüe@ - Die Abgase der letzteren durchziehen also die Wärmeaustauscher R1
und R2 nacheinander .und treten durch den Auslaß bei U ab.
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Bei der Anlage nach Fig. 7 ist der Verdichter K gekühlt, und zwar
durch .in den Weg der Luft eingesetzte Oberflächenkühler x. Das Kühlwasser hierfür
wird ähnlich wie bei Fig. 6 aus dem Behälter L angesaugt. Das Kühlwasser wird durch
die Leitung 76 herausgenommen, durchströmt den Wärmeaustauscher R2 :und wird in
den Kühler 0 eingespritzt. In den letzteren gelangt auch durch die Leitung 78 die
Luft von dem Verdichter K. Der Vorgang ist im übrigen wie zu Fig. 6 beschrieben.
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Fig. 8 zeigt eine Anlage mit zwei Verdichtern K1 und K2. Zu dem Kühler
Xe des Verdichters K1 kommt das Kühlwasser aus dem Behälter L1 und zieht bei 79
ab, während die in K1 verdichtete Luft durch die Leitung 8o in den Kühler
0, einströmt. In diesen wird aus dem Behälter L2 durch die Zweigleitung 81
kommendes Wasser eingespritzt, worauf die Mischung durch die Leitung 82 dein Verdichter
K2 zugeführt wird. Der Kühler X2 des letzteren erhält ebenfalls das Kühlwasser aus
dem Behälter L2, und zwar durch die Leitung 83. Die den Verdichter K2 verlassende
Luft- und Dampfmischung gelangt durch die Leitung 84 in den Kühler 02, in welchen
auch das im Mantel X2 und im Wärmeaustauscher R2 vorgewärmte Kühlwasser des Verdichters
K2 durch die Leitung 85 eingeführt wird. Unter Umständen kann auch dieses Kühlwasser
in dem Wärmeaustauscher R2 in Dampf überführt werden. Die den Kühler 02 verlassende
Mischung durchströmt zunächst den Wärmeaustauscher R1, tritt dann in die Verbrennungskammer
S und strömt schließlich zur Turbine.
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Die Erfindung ist an die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht gebunden.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, kann die Entspannung des Treibmittels auch in in Reihe
geschalteten Turbinen mit dazwischenliegender Wiedererwärmung durch innere Verbrennung
erfolgen. Des weiteren können den hinsichtlich des Treibmittels parallel liegenden
Turhinen noch weitere Turbinen oder Turbinensätze in Reihe nachgeschaltet sein..
Die in den Fig. 3 und 4 angedeuteten Turbinen sind zweckmäßig mehrstufige Überdruckturbinen
der Bauart Ljungström, aber es läßt sich auch denken, daß die Entspannung in den
Turbinen einstufig erfolgt.
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Die Kühlung der verdichteten Luft kann auch durch Wassereinspritzung
unmittelbar in die Verdichter oder zwischen den Stufen derselben erfolgen, obwohl'auf
der Zeichnung die Wassereinspritzung nur zwischen den verschiedenen Verdichtern
gezeigt ist. Auch können Oberflächenkühler vorgesehen werden, um die Luft teilweise
abzukühlen, bevor Wasser eingespritzt wird.