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Gasturbinenanlage Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage,
bei der ein sauerstoffenthaltendes Arbeitsmittel in mindestens einem Kreiselverdichter
verdichtet wird, worauf ein Teil des Arbeitsmittels und der durch Wärme-Verbrennungsraum
erhitzt und ein anderer Teil um den Verbrennungsraum herumgeleitet und durch Wärmeaustausch
vom ersten Teil erhitzt wird. Das Neue der Erfindung besteht darin, daß der im Verbrennungsraum
erhitzte Teil des Arbeitsmittels und der durch Wärmeaustausch erhitzte Teil des
Arbeitsmittels in parallelem Fluß, getrennt voneinander, entspannt werden. Durch
die Trennung der beiden Teile ist es möglich, die Bauteile der Anlage von Wärmespannungen
zu entlasten. Eine besonders weitgehende Entlastung von Wärmespannungen wird dann
gesichert, wenn die beiden Teile des Arbeitsmittels durch einen Oberflächenwärmeaustauscher
geführt werden, der die Wärme des durch den Verbrennungsraum geführten Teiles an
den um den Verbrennungsraum herumgeführten Teil so weit überträgt, daß am Austritt
aus dem Wärmeaustauscher die beiden Teile des Arbeitsmittels im wesentlichen die
gleiche Temperatur haben.
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Es wurde vorgeschlagen, bei Gasturbinenanlagen einen Teil des verdichteten,
sauerstoffenthaltenden Arbeitsmittels in einen Verbrennungsraum zu führen und den
anderen zur Kühlung um den Verbrennungsraum herumzuleiten.
Der an
der Verbrennungshammer vorbeigeführte Teil des Arbeitsmittels strömt dann in einem
um die Verbrennungsgasleitung Herumgelegten Mantel zur Kühlung der Verbrennungsgasleitung
zur Turbine. In der Beschaufelung der Turbine mischte sich der zur Kühlung verwendete
Teil des Arbeitsmittels mit dem erhitzten Teil des Arbeitsmittels. Diesem Vorschlag
haftet der K achteil an, daß besonders in den Schaufeln der ersten Kränze infolge
der 1lischung der beiden Arbeitsmittelteile unzulässig hohe Temperaturunterschiede
und dadurch entstehende Temperaturspannungen auftraten. Auch das Gehäuse der Turbine
lief Gefahr, verzogen zu werden. Die Betriebsgefahren «-erden behoben, wenn die
beiden Arbeitsmittelteile in parallelem Fluß getrennt voneinander entspannt werden.
Es besteht die 'Möglichkeit, einen Teil des Arbeitsmittels nach einer ersten Entspannung
einem weiteren Verbrennungsraum zuzuführen und danach in einem weiteren Wärmeaustauscher
an einen anderen, um den Verbrennungsraum herumgeführten Teil des Arbeitsmittels
so weit Wärme zu übertragen, daß am Austritt aus dem Wärmeaustauscher vor einer
weiteren Entspannung die beiden Teile des Arbeitsmittels im wesentlichen die gleiche
Temperatur haben.
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Soll eine Unterteilung der Entspannung in mindestens zwei Stufen stattfinden,
so empfiehlt es sich, das Arbeitsmittel in einer ersten Stufe die zur Verdichtung
notwendige Arbeit leisten zu lassen und nach einer Zwischenerhitzung in einer zweiten
Stufe zur -Nutzleistung nach außen heranzuziehen. Eine Gasturbinenanlage nach der
Erfindung kann zweckmäßig durch eine aus einer Turbine und einem Gebläse bestehende
Aufladegruppe ergänzt «,-erden, deren Turbine durch Arbeitsmittel, welche schon
zur Leistung von Nutzarbeit herangezogen wurde, beaufschlagt wird. Es empfiehlt
sich, den durch den Verbrennungsraum geführten Teil des Arbeitsmittels einem Staubabscheider
zuzuführen.
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Die beiden Teile des Arbeitsmittels werden vorteilhaft im Gegenstrom
durch den Wärmeaustauscher geleitet.
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Durch die Erfindung wird außerdem ermöglicht, den durch den Verbrennungsraum
geführten Teil des Arbeitsmittels in einem Staubabscheider von Verunreinigungen
zu befreien. weil die Verbrennungsgase den Wärmeaustauscher mit einer Temperatur
verlassen, die für den Staubabscheider nicht mehr schädlich ist. Ferner wird es
möglich, einen größeren Teil des Arbeitsmittels als reine Luft durch die Anlage
zu führen, so daß die wichtigen Teile der Anlage, insbesondere Turbinen und Wärmeaustauscher.
vor Verunreinigung geschützt sind. Die Trennung des Arbeitsmittels in einen Teil.
der durch den Verbrennungsraum geleitet wird. und in einen anderen Teil, der an
der Verbrennung nicht teilnimmt, ermöglicht es auch, die Verbrennungsgase von der
noch reinen Luft getrennt durch die Anlage zu führen, so daß für die Verbrennungsgase
geeignete Maschinen und Wärmeaustauscher verwendet werden können. Außerdem läßt
sich das an der Verbrennung nicht beteiligte Arbeitsmittel nach Rückkühlung in der
Anlage wieder verwenden, so daß die in ihm noch enthaltene Verdichtungsenergie verwertet
werden kann.
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Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstands sind in der Zeichnung
vereinfacht dargestellt.
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Fig. i zeigt ein Beispiel, bei dem der im Verbrennungsraum erhitzte
Teil des Arbeitsmittels und der durch Wärmeaustausch erhitzte Teil getrennt in besonderen
Turbinen entspannt werden; Fig. 2 stellt ein weiteres Beispiel dar, bei dem noch
eine besondere Aufladegruppe vorgesehen ist.
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Der Kreiselverdichter i (Fig. i) saugt Luft durch den Stutzen :2 an
und verdichtet sie unter Zwischenkühlung im Kühler 3. Die verdichtete Luft strömt
durch die Leitung .1 in den Wärmeaustauscher 5 und gelangt durch die Leitung 6 teilweise
in den Verbrennungsraum g der Erhitzungscorrichtung ; , in den durch .die Leitung
io Brennstoff eingeführt wird. Das entstehende hocherhitzte Verbrennungsgas strömt
durch den Wärmeverteiler i i ab. Der übrige Teil der verdichteten Luft tritt in
den Raum 8 ein, der den Verbrennungsraum g umgibt, und strömt dann «-eiter durch
den Wärmeverteiler i i, in dem sie auf höhere Temperatur gebracht wird. Es sind
besondere Turbinen 12 und 2o zur Verarbeitung der erhitzten Luft und eine besondere
Turbine 14. zur Verarbeitung des Verbrennungsgases vorgesehen. Die erhitzte Luft
entspannt sich in der Hochdruckturbine 12. wä hrend das Verbrennungsgas nach Reinigung
im Abscheider 13 in die Turbine 14 gelangt. Von der Hochdruckturbine 1 2 gelangt
die Arbeitsluft in die Leitung 15, dann in die Zwischenerhitzungscorrichtung
7a, die in genau gleicher Weise arbeitet wie die Erhitzungscorrichtung;.
Es wird also wiederum ein Teil der Luft in den Verbrennungsraum 1; geleitet, um
durch Brennstoffzufuhr durch die Leitung. ioa hocherhitzt zu werden und dann durch
den Wärmeverteiler ig zu strömen, während der übrige Teil der Luft in den Raum 18
gelangt und durch den Wärmeverteiler ig auf höhere Temperatur gebracht wird. Das
durch den Wärmeverteiler ig geströmte Verbrennungsgas gelangt nun über den Abscheider
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und durch die Leitung 22 in die Turbine 14, während die Luft
in der Niederdruckturbine 2o weiter entspannt wird.
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Die Hochdruckturbine 12 und die Gasturbine 14, die über Zahnräder
34, 35, 36 zusammengekuppelt sind, treiben den Kreiselverdichter i, während die
Niederdruckturbine 2o den Stromerzeuger 26 antreibt. Nach Austritt aus der Turbine
2o wird die Luft durch die Leitung 24 dem Wärmeaustauscher 5 zugeführt, während
das Abgas der Turbine 14 durch die Leitung 23 ebenfalls in der Wärmeaustauscher
5 gelangt. Dieses Gas durchströmt aber besondere Teile des Wärmeaustauschers 5 (z.
B. Rohre oder Taschen), wird also nicht mit der Luft gemischt. Eine solche Mischung
findet erst im Austrittsstutzen 25 statt, durch den das gesamte Arbeitsmittel die
Anlage verläßt.
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In Fig. 2 ist eine besondere Turbinengruppe, bestehend aus einer Abgasturbine
41 und einem Aufladegebläse 44, vorgesehen, das die ganze übrige Anlage 1, 12, 14,
2o auf höheren Druck auflädt. Das Gebläse 44 saugt das Arbeitsmittel, z. B. Luft,
durch den Stutzen 43 an, verdichtet es unter Zwischenr kühlung im Zwischenkühler
45 und führt es unter nochmaliger Kühlung im Kühler 46 dem Hauptverdichter i schon
in stark verdichtetem Zustand (z. B. mit 4 at) zu. Dem Hauptverdichter i wird nun
durch eine Leitung 39 vom Wärmeaustauscher 5 her die Abluft der Niederdruckturbine
2o ebenfalls zugeführt, die eine wesentlich größere Luftmenge darstellt.
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Danach vollzieht sich der Arbeitsvorgang der Anlage ähnlich wie im
Fall der Fig. i, nur daß sich der ganze Arbeitsvorgang in einem höheren Druckbereich
abspielt. Nachdem der Hauptverdichter i Luft durch den Wärmeaustauscher 5. in die
Leitung 6 getrieben hat, wird ein Teil der Luft durch den Wärmeverteiler i i im
Raum 8 erwärmt und in die Turbine 12 eingeführt. Ein anderer Teil der Luft strömt
durch den Verbrennungsraum 9 und erhält durch die Düse zo Brennstoff. Das Verbrennungsgas
wird ebenfalls durch den Wärmeverteiler i i geführt, so. daß beide Teile des Arbeitsmittels
auf angenähert dieselbe Temperatur gebracht werden.
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Die Verbrennungsgase, die durch einen Staubabscheider 13 gereinigt
werden, können der Turbine 14 zugeleitet werden. Das Verbrennungsgas wird, nachdem
es in der Turbine 14 ungefähr auf den gleichen Druck entspannt ist, der in der Leitung
15 herrscht, durch eine Leitung 16 dem Verbrennungsraum 17 zugeführt. Alsdann gelangt
das Gas, das hier durch weitere Verbrennung nochmals erhitzt worden ist, genau wie
in Fig. i durch den Wärmeaustauscher i9, den Staubabscheider 21 und die Leitung
22 wieder zurück in die Turbine 14.
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Auch bei dieser Ausführung durchströmt das Verbrennungsgas den Wärmeaustauscher
5 in Teilen, die von den übrigen, von reiner Luft durchströmten Teilen getrennt
sind. Hierauf gelangt das Verbrennungsgas durch die Leitung 40 in die Turbine 41,
die es durch die Leitung 42 verläßt. Die Turbine 41 treibt das Gebläse 44. Ein etwaiger
Leistungsunterschied wird durch den Elektromotor 47 ausgeglichen. Die reine Luft
hingegen, die in den Turbinen 12 und 20 verarbeitet worden ist, gelangt durch die
Leitung 37 in den Kühler 38 und wird dann durch die Leitung 39 wieder dem Gebläse
i zugeführt.
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Damit der Druck im Verbrennungsraum 17 und im Raum i8 mindestens angenähert
gleich ist, wurde ein Ventil 27 vorgesehen, das Luft aus dem Raum 18 in den Raum
17 überströmen läßt, sobald der Druck im Raum 18 wesentlich größer wird. Wird anderseits
der Druck im Verbrennungsraum 17 vorübergehend größer als im Raum 18, so hebt sich
unter dem Einfluß der Membran 28 der Schieber 29. Die Membran 28 wird durch die
Leitung 17a und i8a unter den Einfluß der Drücke in den Räumen 17 und 18 gebracht.
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Wird durch die Leitungen 29a und 29b normalerweise fortwährend Drucköl
über einen Kolben 3o geleitet, so wird dieser Kolben 30 entlastet, sobald
sich der Schieber 29 hebt. Der Kolben 30 ist mit einem Ventil 31 verbunden,
welches, sobald der Kolben entlastet ist, durch die Leitungen 32 und 33 Gase aus
der Leitung 22 unmittelbar in die Leitung 23 überströmen läßt, so daß also der Druck
in der Leitung 22 und somit schließlich auch im Raum 17 vermindert wird. Diese ganze
Vorrichtung tritt nur in Tätigkeit, wenn die angenäherte Gleichheit der Drücke in
den 'Räumen 17 und i8, ,die durch die Bemessung der einzelnen Teile der Anlage gegeben
ist, vorübergehend gestört sein sollte.
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Die Wärmeabgabe erfolgt derart, daß auf beiden Seiten des Wärmeaustauschers
i9 der gleiche Druck herrscht. Dies hat den Vorteil, daß die Röhren oder sonstigen
Wärmeaustauschteile keine mechanischen Beanspruchungen erleiden.
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Durch die Erfindung wird erreicht, daß die zu beiden Seiten der Wärmeaustauschteile
herrschenden hohen Drücke im wesentlichen gleich groß sind, wodurch sich einerseits
ein vorzüglicher Wärmeübergang ergibt und andererseits die mechanische Beanspruchung
der Wärmeaustauschflächen auf ein Mindestmaß beschränkt bleibt, was kleine und leichte
Wärmeaustauschflächen zur Folge hat. Ferner sind in Anlagen, die nach der Erfindung
ausgeführt sind, Flugasche bildende Brennstoffe,
wie Kohlenstaub,
wirtschaftlich verarbeitbar. Es lassen sich dann in der beschriebenen Weise Staubabscheider
verwenden, ohne daß sich der durch diese Vorrichtungen bedingte Druckabfall auf
die Gesamtmenge des Arbeitsmittels erstreckt.