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Wärmekraftanlage, in welcher ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise
Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt Die Erfindung
betrifft eine Wärmekraftanlage, in welcher ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise
Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt, wobei das
durch äußere Wärmezufuhr erhitzte Arbeitsmittel unter Leistungsabgabe in mindestens
zwei Turbinen, deren Hochdruckteil mit höherer Drehzahl umläuft als jeder der nachgeschalteten
Teile, entspannt und hierauf in mindestens einem Kreiselverdichter wieder auf höheren
Druck gebracht wird. Zweck der Erfindung ist es, für die Turbinen und Turboverdichter
Betriebsverhältnisse zu schaffen, bei denen jede dieser Maschinengattungen unter
den Betriebsverhältnissen arbeiten kann, die erforderlich sind, um hohe Wirkungsgrade
erreichen zu können. Demgemäß werden die höheren Drücke und höheren Temperaturen
in einem Turbinenteil verarbeitet, dessen schnell laufender Läufer unmittelbar den
als mehrstufiges Axialgebläse ausgebildeten, und die gesamte in der Anlage benötigte
Verdichterleistung aufbringenden
Turboverdichter antreibt, wobei
das abströmende Arbeitsmittel dieses Turbinenteiles in einem zweiten Turbinenteil
verarbeitet wird, dessen Läufer langsamer läuft als der des erstgenannten Turbinenteiles
und seine Leistung nach außen abgibt.
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Im Dampfturbinenbau ist es bereits bekannt, Dampfturbinen zweigehäusig
auszubilden, um zwei Turbinenläufer mit verschiedenen Drehzahlen laufen lassen zu
können. Außer anderen Vorteilen bedingt die Wahl einer höheren Drehzahl für den
Läufer des Hochdruckteiles einer Turbine den Vorteil, daß der Läuferdurchmesser
kleiner, die Turbinenschaufeln dafür aber länger bemessen werden können, so daß
sich in diesem Fall bessere Wirkungsgrade erzielen lassen, als wenn mit langsam
laufenden Turbinen gearbeitet werden muß.
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Dieser Vorteil wirkt sich bei Wärmekraftanlagen, die nach dem Prinzip
des geschlossenen Kreislaufes arbeiten, besonders günstig aus, da es bei solchen
Anlagen sehr darauf ankommt, in den Kreislaufmaschinen einen möglichst hohen Wirkungsgrad
zu erreichen. Nur dann sind nämlich solche Anlagen gegenüber anderen Wärmekraftanlagen
wettbewerbsfähig. Dies zu erreichen, ist umso erstrebenswerter, als Anlagen mit
geschlossenem Kreislauf gegenüber solchen mit offenem Kreislauf wesentliche Vorteile
bieten, so u. a. die Beherrschung der oberen und unteren Druckgrenze und die Möglichkeit
der Regelung von Leistungsschwankungen durch Änderung des Druckpegels im Kreislauf,
so daß die Kreiselmaschinen, falls deren Drehzahlen unverändert bleiben, bei allen
Belastungen stets auf demselben günstigsten Betriebspunkte, also mit bestem Wirkungsgrad
arbeiten. Bei hohen Drehzahlen der Antriebsmaschine ermöglicht nun der letztere
Umstand auch in Wärmekraftanlagen, die nach dem Prinzip des geschlossenen Kreislaufes
arbeiten und in denen dem Verdichter die Aufgabe zufällt, eine hohe Verdichtungsleistung
mit bestem Wirkungsgrad zu erzielen, spezifisch schnell laufende Axialverdichter
zu verwenden. Hinsichtlich der Verarbeitung der anfallenden Volumina würde es bei
solchen Anlagen naheliegen, zunächst an einen Radialverdichter zu denken, da es
sich um verhältnismäßig kleine Volumina bei verhältnismäßig großen Druckunterschieden
handelt. Da es aber darauf ankommt, für die innere Arbeitsleistung einen aus Turbine
und Verdichter bestehenden Maschinensatz zu schaffen, der eine hohe Verdichtungsleistung
mit bestem Wirkungsgrad ergibt, da sonst im Entropiediagramm die Nutzarbeitsfläche
untragbar klein würde, so zeigte es sich, daß es vorteilhaft ist, einen Axialverdichter
zu wählen, der unmittelbar von dem schnell laufenden Turbinenteil angetrieben wird.
Ein solcher Axialverdichter gestattet, bei den vorliegenden Verhältnissen einen
günstigeren Wirkungsgrad zu erzielen als ein Radialverdichter.
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Die Bedenken gegen die Verwendung eines Axialverdichters, der häufig
eine spitze «-irkungsgradkurve besitzt, die ihn bei Schwankungen der Umlaufzahl
ungeeignet macht, kommen bei geschlossenem Kreislauf in Fortfall, weil infolge der
durch den änderbaren Druckpegel ermöglichten Regelfähigkeit die Umdrehungszahl stets
auf derselben Wihc und infolgedessen auch der Wirkungsgrad des Axialverdichters
unverändert beibehalten werden kann, so daß, wie schon erwähnt, stets und bei allen
Belastungen auf demselben Punkt der Wirkungsgradkurve, also im Scheitelpunkt, gearbeitet
werden kann.
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Unter einem spezifisch schnell laufenden mehrstufigen axial beaufschlagten
Kreiselverdichter ist ein Verdichter von hoher reduzierter Drehzahl zu verstehen,
ein Begriff, wie er auf Grund der Ähnlichkeitsmechanik im Turbinen- und Verdichterbau
allgemein bekannt und üblich ist. Durch die Verwendung eines spezifisch schnell
laufenden mehrstufigen axial beaufschlagten Kreiselverdichters mit Antrieb durch
den schnell laufenden Hochdruckturbinenteil wird ein besonderer technischer Fortschritt
erzielt.
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An sich sind Axialverdichter mit wenig gewölbten Schaufeln nach Art
von Tragflächenprofilen bereits bekannt. Solche Verdichter bewältigen aber für gewöhnlich
wenig Druckgefälle im Vergleich zu Radialverdichtern; andererseits ist ihre Schluckfähigkeit
groß. Sobald jedoch für deren Antrieb hohe Drehzahlen zur Verfügung stehen, lassen
sich auch bei kleinen Stufendurchmessern noch genügend große, d. h. günstige Durchtrittsgeschwindigkeiten
des Fördermittels erzeugen. Gleichzeitig ergeben sich erhebliche Umfangsgeschwindigkeiten,
die ja bekanntlich iür die in den Verdichterstufen erreichbare Druckerhöhung maßgebend
sind. Es läßt sich daher bei guten Strömungsverhältnissen mit wenig Stufen auskommen
und folglich im Verdichter ein guter Wirkungsgrad erzielen. Bei Verwendung der Erfindung
wird somit sowohl die Turbine als auch der Verdichter mit hohem Wirkungsgrad arbeiten,
was gerade bei Wärmekraftanlagen der vorliegenden Gattung von ausschlaggebender
Bedeutung ist, da die technische Brauchbarkeit solcher Anlagen fast ausschließlich
vom X@'irkungsgrad der Kreiselmaschinen abhängt. Eine Verminderung des Wirkungsgrades
dieser --1,laschineii um nur wenige Prozent kann die Anlage bereits praktisch unbrauchbar
machen, da dann die in der Anlage selbst verbrauchte Leistung zu der nach außen
abgegebenen in keinem wirtschaftlichen
Verhältnis mehr steht. Somit
ist es wichtig, in einen Kreislauf der hier in Frage kommenden Art einen Kreiselverdichter
einschalten zu können, der mit gutem Wirkungsgrad arbeitet. Die Erfindung erfüllt
diese Forderung.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
in zum Teil vereinfachter Darstellungsweise veranschaulicht, wobei in allen Fällen
angenommen ist, daß als Arbeitsmittel Luft verwendet wird.
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Die Fig. i zeigt eine Anlage, bei welcher zwei hintereinaxidergeschaltete
Türbinengehäuse vorgesehen sind, wobei der mit hohem Druck und hoher Temperatur
arbeitende Turbinenläufer mit höherer Drehzahl läuft als der zweite Turbinenläufer
und den Verdichter antreibt, während der zweite Läufer einen Stromerzeuger antreibt
und mit dem ersten Läufer über ein Getriebe gekuppelt ist; die Fig.2 zeigt eine
Anordnung, bei welcher der das Hochdruckgefälle verarbeitende Teil der Turbine mehrgehäusig
ausgebildet ist, wobei diese Gehäuse nebeneinandergeschaltet sind; die Fig. 3 zeigt
eine Anlage, bei welcher der das Niederdruckgefälle verarbeitende Teil der Turbine
mehrgehäusig ausgebildet ist, -wobei diese Gehäuse nebeneinandergeschaltet sind;
die Fig. q. zeigt eine Anlage, bei welcher sowohl der das Hochdruckgefälle als auch
der das Niederdruckgefälle verarbeitende Teil der Turbine mehrgehäusig ausgebildet
ist, wobei die Gehäuse des Hochdruckteiles nebeneinander und die des Niederdruckteiles
in Reihe geschaltet sind.
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Bei der in der Fig. i gezeigten Anlage beschreibt das Arbeitsmittel,
als welches Luft verwendet wird, einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck.
Dieser Luft wird in einer Schlange 2, die in einem Erhitzer i gelegen ist, von außen
her Wärme zugeführt. Die Erhitzungwird vorteilhaft auf mindestens 5oo° C getrieben.
Die so erhitzte Luft gelangt in eine zweigehäusige Turbine axialer Bauart, wo sie
unter Leistungsabgabe expandiert. Die zwei Gehäuse 3a, 3b dieser Turbine sind hintereinandergeschaltet.
Der mit höherem Druck und höherer Temperatur arbeitende Läufer der Turbine 3a weist
höhere Drehzahlen auf als der Läufer der den Niederdruckteil bildenden Turbine 3b,
die einen ihr zugeordneten Stromerzeuger .4 unmittelbar antreibt. Der Läufer der
Turbine 3a treibt unmittelbar einen als Axialverdichter 5 ausgebildeten Turboverdichter
an. Die Läufer der zwei Turbinen 3a, 3b sind über ein Getriebe 52 miteinander gekuppelt.
Dieses Getriebe dient nicht zur eigentlichen Leistungsübertragung, sondern es fällt
ihm vor allem die Aufgabe zu, ständig einen solchen Ausgleich zwischen den von den
Läufern der Turbine 3a, 3b abgegebenen Leistungen zu bewirken, daß jeder dieser
Läufer praktisch immer gerade die Leistung an seine von ihm unmittelbar angetriebene
Maschine abgibt, für die er berechnet worden ist. Die vom Getriebe 52 zu übertragende
Ausgleichsleistung beträgt höchstens einen Bruchteil der verschiedenen Maschinenleistungen,
so daß die Verluste in diesem Getriebe im Vergleich zur Gesamtleistung derAnlage
höchstens einen äußerst geringen Prozentsatz ausmachen. Die im Erhitzer i erwärmte
Luft expandiert in der Turbine 3a, 3b auf mindestens die Hälfte des Druckes, den
sie am Eintritt in dieselbe hat. Die aus dem Turbinenteil 3b austretende Luft gelangt
durch eine Leitung 6 in einen mit Gegenstrom arbeitenden Wärmeaustauscher7, wo sie
Wärme an Luft höheren Druckes abgibt, die vom Axialgebläse 5 durch eine Leitung
9 in den Wärmeaustauscher 7 gefördert wird und die durch eine Leitung 8 dem Oberflächenwärmeaustauscher
2 zuströmt.
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Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß i9 eine Leitung bezeichnet,
durch die von einem Gebläse 2o in einen Wärmeaustauscher 18 geförderte Luft in den
Erhitzer i gelangt..Dem Wärmeaustauscher 18 strömen durch eine Leitung
17 Heizgase aus dein Erhitzer i zu. 25 bezeichnet einen Kühler, in welchem
die aus dem Wärmeaustauscher 7 in den Verdichter 5 überströmende Luft vorgekühlt
wird. Schließlich bezeichnet .a.5 einen Hilfsmotor, welcher zum Anlassen der Anlage
dient. .
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Die Fig. 2 zeigt eine Anlage, bei welcher der das Hochdruckgefälle
verarbeitende Teil der Turbine zweigehäusig ausgebildet ist. Dazu weist die Turbine
noch ein Niederdruckgehäuse 3b auf, welches unmittelbar den Stromerzeuger 4 antreibt.
Die zwei Gehäuse 3a, 3aa des Hochdruckteiles sind nebeneinandergeschaltet, und es
treibt jeder der Läufer dieses Hochdruckteiles einen Verdichter 511 bzw. 5b an.
Die zwei Verdichter 5a, 5b sind hintereinandergeschaltet. Die Läufer des Hochdruckteiles
arbeiten mit höherer Drehzahl als der den Stromerzeuger .4 antreibende Läufer des
Niederdruckteiles.
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Die Fig. 3 zeigt eine Anordnung, bei welcher der das Niederdruckgefälle
verarbeitende Teil der Turbine mehrgehäusig ausgebildet ist, wobei die Gehäuse 3b,
3bb nebeneinandergeschaltet sind. Der Niederdruckteil3b, 3bb ist mit dem Hochdruckteil
3a in Reihe geschaltet. Die Läufer der Teile 3b, 3bb treiben einen gemeinsamen Stromerzeuger
.4 an und arbeiten mit kleinerer Drehzahl als der Läufer des Hochdruckteiles.
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Die Fig. 4. zeigt eine Anlage, bei welcher sowohl der Hochdruckteil
als auch der Niederdruck teil der Turbine zweigehäusig ausgebildet
ist.
Die Gehäuse 3a, 3aa des Hochdruckteiles sind nebeneinander und die Gehäuse 3b, 3bb
des Niederdruckteiles in Reihe geschaltet. Die gesamte Luftmenge gelangt somit aus
dem Hochdruckteil vorerst in das Gehäuse 3b des Niederdruckteiles. Der Läufer der
Turbine 3" treibt einen Verdichter 5a und der Läufer der Turbine 3"a einen
Verdichter 5b an. Die Verdichter 5a, 5b sind nebeneinandergeschaltet. Der Läufer
der Turbine 3b treibt unmittelbar einen Stromerzeuger .4a und der Läufer der Turbine
3bb unmittelbar einen Stromerzeuger 4b an. Die Läufer der Turbinen 3a, 3a" arbeiten
mit höheren Drehzahlen als die Läufer der Turbinen 3b, 3bb.
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Der Turbinenteil, welcher Leistung nach außen abzugeben hat, kann
diese, anstatt über einen Stromerzeuger, auch unmittelbar abgeben, indem er eine
Transmission, eine Arbeitsmaschine od. dgl. antreibt. Ferner kann man auch bei den
Ausführungen nach den Fig. a, 3 und 4. in nicht gezeigter Weise Läufer verschiedener
Drehzahl über Mittel, z. B. Zahnrädergetriebe oder Motorgeneratoren, miteinander
kuppeln, damit durch solche Mittel ständig ein solcher Ausgleich zwischen den von
den betreffenden Läufern abgegebenen Leistungen bewirkt wird, daß jeder dieser Läufer
gerade die Leistung abgibt, für die er vorgesehen worden ist.
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Zufolge des kleinen spezifischen Volumens der verdichteten Luft ist
es bei allen Ausführungen möglich, vor allem die Abmessungen der Turbine, aber auch
die des Verdichters selbst für große Leistungen sehr klein zu machen. Dies ist besonders
erwünscht, «teil man zwecks hoher Wärmeausnutzung in Zukunft mit möglichst hohen
Eintrittstemperaturen an der Turbine arbeiten wird.
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Bei mehrgehäusigerAusbildung der Turbine kann der thermische Wirkungsgrad
noch dadurch verbessert werden, daß die in einer Stufe durch Arbeitsabgabe abgekühlte
Luft nach der Expansion jeweils wieder bis in die Gegend der Anfangstemperatur zwischenüberhitzt
wird.