DE717711C - Arbeitsverfahren fuer Brennkraftturbinen - Google Patents

Description

• Arbeitsverfahren für Brennkraftturbinen Das Patent 665 6o7 .erstreckt sich darauf, Druckluft und gegebenenfalls verdichtetes, brennbares Gas mittels des Wassers, das in den Oberflächenzwischenkühlern der Verdichter die Verdichtungswärme aufnahm, mit Wasserdämpfen anzureichern, um dann durch Abgaswärme und nachfolgende Verbrennung vor der arbeitsleistenden Entspannung erliit7t zu werden. Erreicht wird hierdurch eine Steigerung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine, im besonderen der 13rennkraftturbi.ne, weil weniger Luft für die gleiche Nutzleistung verdichtet zu werden braucht, da auch der Dampf, den die Druckluft und :das Brenngas aufnahmen, bei der Entspannung Arbeit leistet.
• Die vorliegende Erfindung hat zum Ziele, ohne Aufgabe dieser Vorteile und :dementsprechend ohne Verlust an Wirkungsgrad, in einfacher billiger Weise die Leistung der Anlage erheblich zu steigern. Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Arbeitsverfahren für Brennkraftturbinen, bei denen nach Patent 665 6o7 in den Zwischenkühlern der Luft- und gegebenenfalls der Gasverdichter sowie in Kühlräumen der Maschine und durch restliche Abgäswärme erwärmtes Kreislaufwasser durch teilweise Verdunstung mittels der Druckluft und gegebenenfalls mittels des Brenngases zurückgekühlt wird. Erreicht wird dies nach der Erfindung dadurch, daß die Wärmeübertragung der Verbrennungsgase auf die Druckluft und gegebenenfalls das Brenngas derart geteilt wird, daß zwiz#chen beiden Wärmeübertragungen die Niederdruckentspannung der Verbrennungsgase liegt.
• Eine Maschinenanlage, die dies verwirklicht, zeigt Abb. i. Die mit Zwischenkühlern für die Luft versehenen Luftverdichter NK für .die N iederdruckstufen und HK für die Hochdruckstufen verdichten :die von außen angesaugte Luft auf beispielsweise 16 ata. Diese endverdichtete Luft tritt in den unteren I',aum des Sättig ers S, der als Wasserrückkühler dient. In ihm reichert sich die Druckluft mit Dämpfen an, indem sie nacheinander mehrere Rieselschichten von unten nach oben durchströmt, in denen das zurückzukühlende Wasser abwärts rieselt. Die unterste Riesel-Schicht 6 wird mit Wasser berieselt, das im Wärmeaustauscher; von den Abgasen, ehe diese durch :den Zusatzwassererwärmer 14 hindurch ins Freie treten, erwärmt wird. Dann gelangt die Druckluft zur Rieselschicht ß, in welcher das in' den Zwischenkühlern d., 3 und 2 der Verdichter erwärmte Kühlwasser zurrüc'kgekühlt wird, und schließlich zur Rieselschicht 9, die mit Wasser berieselt wird, das teils im Wärmeaustauscher io von den Abgasen, ehe diese zum Wärmeaustauscher ; gelangen, und teils in Kühlwasserrä umen der Maschine, wesenhaft angedeutet durch den Wärmeaustauseher ioa, er-.- rnit wird.
• w Die in der trockenen Füllkörp-erschicht i i von mitgerissener tropfbarer Flüssigkeit befreite Druckluft gelangt in den Oberflächenärmeaustauscher 12, der von den entspannw * ten -,lbgäseil beheizt wird, ehe diese zum erwähnten Wassererwärmer io gelangen.
• Die dadurch vorgewärmte Druckluft gelangt zu dem mehrteiligen Wärmespeicher 13, der durch die Abgase der Hochdruckturbine HT beheizt wird, ehe diese zur Niederdruckturbine T1' gelangen. Die im Wärmespeicher 13 erhitzte Druckluft trifft in der Brennkammer B mit .dem Brennstoff zusammen, der beispielsweise als flüssiger Brennstoff durch die Pumpe P zugeführt wird, aber auch gas-oder staubförmig sein kann.
• Die hocherhitzten, gespannten Verbrennungsgase, welche die Brennkammer B verlassen, beaufschlagen .die Hochdruckturbine HT, welche :den Hochdruckverdichter antreibt, während die bereits erwähnte Niederdrtickturbine #VT zweckmäßig mit einer von der Hochdruckturbine unabhängigen Umlaufzahl den Niederdruc<verdichter antreibt. Dies hat den Vorteil, da ß bei abnehmendem Leistungsbedarf und dementsprechend verringerter Brennstoffzufuhr die Umlaufzahl der Niederdruckturbine und damit des N iederdruck-E-erdichters sinkt, wodurch die geförderte Luftmenge und die vom Niederdruckverdichter erzeugte Spannung sinken. Das Entspannungsverhältnis der Hochdruckturbine und damit die zulässige Brennkammertemperatur können auf diese Weise im wesentlichen unverändert bleiben, da die Temperatur der Gase, welche die Verschaufelun.g des Hochdruckturbinenlaufrades beaufschlagen,dabei unveränderlich bleibt. Die Folge ist, @daß auch bei Teillast etwa der bleiche Wirkungsgrad erreicht wird wie bei Vollast. Die thermischen Verhältnisse sind dein Entropieschaubil.d Ab:b.2 zu entnehmen, in welchem die Entropie als Abszisse, die Tempe -raturen als Ordinate aufgetragen sind. Die `llurvena, b und c gelten für wasserdampf-@;"csättigte Luft bei i ata, 2,5 ata und 16 ata, während die Kurven d, e und f Isobaren für das Luftwasserdampfgemisch mit unveränderlichem Wasserdampfgehalt sind.
• Die vom N iederdruckluftverdichter angesaugte Luft von 15° und 7001" relativer Feuchtigkeit entspricht dem Punkt 2o des Diagramines. Von hier bis 21 wird die Luft ohne Wärmeabfuhr verdichtet. Es folgt Wärmeabfuhr im Zwischenkühler ? (Abb. i j, wodurch die Temperatur der Luft bis zum Punkte 22 sinkt. Die weitere Verdichtung bis 23, Abkühlung im Zwischenkühler 3 (Abb. i) bis 24, nochmals Verdichtung bis 25 und Abkühlung im Zwischenkühler d. bis -26 folgen aufeinander. Weiter wird die Luft im Luftkühler .I" der mit Frischwasser beschickt wirfl, abekühlt, wodurch die Luft den Zu-:tand im Punkte 27 annimmt. Die letzte Stufe der Verdichtung bringt die Luft zum Punkte 28 und die dann folgende Abkühlung im Kühler 5, der ebenfalls mit Frischwasser arbeitet, zum Punkt 29.
• Von hier nehmen Temperatur und Feuchtigkeitgehalt der Luft nach der bereits erw iihiiteli Sättigungskurve c für z. B. 16 ata zti. indem die Luft nacheinander durch dieRieselschicht 6 strömt, wodurch sie Punkt 3« erreicht: durch Rieselschicht 8, wodurch sie Punkt 31, und durch Rieselschicht 9, wodurch sie Punkt 32 erreicht.
• Dadurch hat die Luft nennenswerte Mengen Wasserdampf aufgenommen und eine Temperatur von z. B. 125° erreicht. Im Oberflächenwär-meaustauscher 12 folgt eine weitere Erwärmung auf 2800 durch dieVerbrennungS-abgase (Punkt 33) und dann im Wärinespeieher 13 durch Abgaswärme auf .I9o@ (Punkt 3d)4 Schließlich wird die Temperatur voll z. B. iooo° (Punkt 35) durch Brennstoffwärme erreicht.
• Durch die Entspannung in der Hochdruckturbine HT auf 2,5 at.a fällt die Temperatur auf 66o° C (Punkt 36) und darauf durch Wä rineabgabe im Wärmespeicher auf 4I50'-(Punkt 37). Die Entspannung in der Niederdruckturbine A"T senkt die Spannung auf i ata und die Temperatur auf 33o° C (Punkt Durch 1ä rineabgabe im Oberflächenwärineaustauscher 12 sinkt dieTemperatttr auf 175' (Punkt 39) und durch die Wärrneabga:be in .den Wärmeaustauschern io und 7 SClllle@ilich bis unter ioo°.
• Dieseln Schaubild kann entnommen werden. daß für den Oberflächenwärmeaustauscher 1 2 und den Wärmespeicher 13 erhebliche Teinperatur unterschiede für die Übertragung der Wärme zur Verfügung stehen, wodurch diese Wärmeaustauscher klein und billig ausfallen. Außerdem wind dadurch, d:aß die Auspuffgase der Hochdruckturbine zunächst Wärme abgeben, ehe- sie zur NiederdruclAurbine gelangen (vom Punkt 36 bis 37), ihre Temperatur so ermäßigt, daß für die Niederdruckturbine im Gegensatz zum Hochdruckrad ein Laufraid genügt, für das ein hochtemperaturbeständi:ger Werkstoff erforderlich ist und das entsprechend billig ist. Diese Vorteile sind dadurch erreicht, daß von den Abgasen der Hochdruckturhine zunächst Wärme auf die frisch,- verdichtete Luft übertragen wird, ehe sie in der Niederdruckturbine weiter entspannt werden, was theoretisch in thermischer Beziehung zunächst ungünstig erscheint.
• Eine genaue Nachprüfung zeigt aber das überraschende Ergebnis, daß die Leistung bei einer Steigerung der in der Hoch- und Niederdruckturbine verarbeiteten Druckstufe beispielsweise auf :das Doppelte auf über das Doppelte@gesteigert wird, ohne daß der Wirkungsgrad, mit dem :der aufgewandte Brennstoff in Nutzleistung verwandelt wird, sinkt. Dabei wird die bedeutende Leistungssteigerung durch das Hinzufügen der erwähnten Nilligen Wärmeaust:au:scher erreicht, was zur Folgre hat, daß der Herstellungspreis der Maschinenanlage je PS Nutzleistung erheblich sinkt.
• Daß .die Brennstoffausnutzung sich bei dieser Leistungssteigerung nicht verschlechtert, ist nicht nur deswegen überraschend, weil das Druckgefälle der Gase teilweise bei verhältnismäßig niedriger Temperatur entspannt wird, sondern auch wegen der Lage der Sättigungskurve c bei dem höheren Druck in einem Gebiet höherer Temperatur, wie Abb. 2 dies erkennen läßt, was zur Folge hat, daß die Verdichtung der Luft bei verhältnismäßig hohen Temperaturen stattfinden muß, weil das Kühlwasser ,der Zwischenkühler wegen der Lage der Sättigungskurve nicht so weit zurückgekühlt werden kann wie bei einer Sättigungskurve niedrigerer Spannung. Ihre Erklärung findet die Tatsache, daß der Wirkungsgrad bei der auf dfiese Weise erzielten Leistungssteigerung trotzdem nicht sinkt, in der sehr viel günstigeren Ausnutzung des von den Gasen aufgenommenen Wasserdampfes infolge des größeren Entspannungsverhältnisses.
• Dieser Einfluß ist von solcher Bedeutung, claß ohne zu große Einbuße an Wirkungsgrad bei einer solchen Maschinenanlage lediglich zur zeitweiligen weiteren Steigerung der Leistung der Maschinenanlage von dem bekannten, bei Anlagen mit kleinerem Entspannungsverhältnis höchst nachteiligen Mittel, dem Brennraume dort verdampfendes Wasser zuzuführen, mit Vorteil Gebrauch gemacht werden kann.
• Auch kann von diesem Mittel bei der Regelung insofern Gebrauch gemacht werden, als bei plötzlich auftretendenBelastungssteigerungcn während kurzer Zeit Wasser in den Brennraum .gespritzt wird, um durch die hierdurch erreichte schnelle Leistungssteigerung r:en übrigen Teilen der Maschinenanlage Zeit zu geben, sieh den neuen Belastungsverhältnissen anzupassen. Diese vom Regler herbeigeführte Wassereinspritzung kann durch einen Katarakt nach kurzer Zeit stetig verringert und schließlich abgestellt werden.
• Statt die Druckluft mit der höchsten Spannung nach dem Austritt aus dem Wärmespeicher 13 in die Brennkammer B zu schicken (Abb. i), kann auch die in der Hochdruckturbine entspannte Luft, die beispielsweise nur noch 2,5 ata besitzt, der Brennkamaner zugeführt werden, um dann mit den hocherhitzten Verbrennungsgasen der Brennkammer den Wärmespeicher aufzuheizen. In ihm wird .die Hochdruckluft dann bis auf beispielsweise iooo° C aufgeheizt und damit die Hochdruckturbine HT beaufschlagt. Im TS-Diagra#min (Abb. 2) ergibt sich dann noch die strichpunktierte Linie mit dem oberen Endpunkte 36'. ' Dies Arbeitsverfahren hat .den Vorteil, daß durch die Hochdruckturbine nur reine Luft als Trei;binittel hindurchgeht, nicht aber etwaige Verunreinigungen (Asche) des Brennstoffes, was besonderes für die Verwendung -von Kohlenstaub wichtig ist. Auch braucht bei der Verwendung brennbaren Gases als Brennstoff dieses nicht bis auf den Höchstdruck von beispielsweise 16 ata, sondern nur auf die niedrige Spannung von z. B. -2,5 ata, die im Auslaß der Hochdruckturbine herrscht, verdichtet zu werden.
• Eine solche Anlage zeigt Abb. 3. Das brennbare Gas wird durch das Gebläse G auf beispielsGVeiSe 2,5 ata verdichtet, wird im Oberflächenwärmeaustauscher 12" durch die Abgase der N iederdruckturbine f'T vorgewärmt und trifft in der Brennkammer B mit der in der Hochdruckturbine entspannten Abluft zusammen, wodurch Verbrennungsgase von beispielsweise etwas über iooö° C entstehen, die den Wärmespeicher 13 aufheizen, 'wobei sie selbst sich auf beispielsweise 45o° C abkühlen, um dann in der Niederdruckturbine XT weiter entspannt zu werden.
• Die auf' beispielsweise 16 ata in der an Hand der Abb. i beschriebenen Weise verdichtete und behandelte Druckluft, welche den durch Abgase beheizten Erwärmer verläßt, wird im Speicher 13 auf beispielsweise iooo° aufgeheizt und dann der Hochdruckturbine HT als Treibmittel zugeführt.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Arbeitsverfahren für Brennli#.raftturb inen, bei dein nach Patent 665 607 in den Zwischenkühlern der Luft und gegebenenfalls der Gasverdichter sowie in Kühlräumen der Maschine und durch restliche Abgaswärme erwärmtes Kreislaufwasser durch teilweise Verdunstung mittels der Druckluft und gegebenenfalls mittels des Brenngases zurückgekühlt wird. dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragung der Verbrennungsgase auf die Druckluft und gegebenenfalls das Brenngas .derart geteilt wird, .däß zwischen beiden Wärineübertragungen die NiederrIruckentspannung der Verbrennungsgase liegt.
2. 2. Arbeitsverfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich zur zeitweiligen Steigerung der Leistung dem Brennraum in an sich bekannter Weisc dort verdampfendes Wasser zugefiihrt wird.
3. 3. Maschinenanlage zur Durchfülii-un-1, des Arbeitsverfahrens nach Anspruch i. dadurch gekennzeichnet, d.aß die für die Nie-derdruckentspannung vorgeseheneTurbine in einem unabhängig laufenden Maschinensatz lediglich Gebläse für die iederdruckverdichtung der Luft und gegebenenfalls des Brenngases antreibt.
4. 4. Regelung einer Maschinenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Geschwindigkeitsregler der die -Nutzlcistung abgebenden und den Hoch:druckluftverdichter antreibenden Hoclidruclsturbnc bei Leistungssteigerung außer auf die Erhöhung .der Brennstoffzufuhr auf eine vorübergehende Steigerung derWasserzufulir zur Brennkammer einwirkt.