-
Wärmekraftanlage mit Gasturbinen mit Gleichdruckverbrennung Es ist
bekannt, dali einer der Nachteile, der 'Wärmekraftanlagen mit Ga@sturbinen. in der
Schwierigkeit liegt, den Wirkungsgrad auf einem annehmbaren Wert aufrechtzuerhalten,
wenn die Belastung sich ändert.
-
Die vorliegende Erfindung bezweckt, Wärmekraftanlagen mit. Turbinen
mit einem brennbaren Gas zu schaffen, bei welchen besondere Anordnungen getroffen
sind, um einen guten Wirkungsgrad zu erhalten und ihn soweit wie möglich aufte@chtzuerhalten,
wenn das Arbeitsverhältnis sich stark verändert.
-
Eine solche Wärmeokraftanlage, enthält die folgenden bekannten Anordnungen:
a) einen Arbeitsvorgang, welcher eine Verdichtung, die in mehrere Stufen unterteilt
ist, mit oder ohne Zwischemabkühlung, eine Erwärmung 4e-i gleichbleibendem Druck
und eine Entspannung enthält, welche in mehrere Stufen unterteilt ist; b) eine Wiedergewinnung
der Wärme der ausgedehnten Gaise zur Vo-rwärmung der Luft nach ihrer Verdichtung
und vor ihrer Erwärmung durch Verbrennung; c) die! Mitnahme eines Verdichters oder
deren mehrerer durch eine Gasturbine oder mehrere Gasturbinen, welche von den Nutz-
| leistungsturhinen, «-elche die Arbeitsmaschine |
| oder die, Arbeitsmaschinell antreiben, ge- |
| trennt angeordnet sind. |
| Die Erfindung bestellt darin, daß zur Auf- |
| rechterhaltung des Wirkungsgrades trotz |
| groP°r @`eränderungen der Belastuilg zwischen |
| den Teil°Iltspannutlgell der Nutzleistungstur- |
| l,ine oder der Verdichterantriehsturbinen für |
| Vollast Wiedererwärmungen der Gase vor- |
| genommen werden und daß aufeinander- |
| folgend diese Wiedererwärmungen in Fortfall |
| gelangen, indem bei Verringerung der Be- |
| lastung bei der letzten Entspannungsstufe be- |
| gonnen, aufeinanderfalgend bis zur ersten |
| Medererwärmung vorgegangen wird. |
| Diese Wiede rerwärmung ermöglicht es, |
| die @tlelig° der Antriebsenergie zu erhöhen, |
| «-clclie während der Entspannung durch ein |
| und dieselbe Gasmenge a.bgegehen i@"erd°n |
| kann: sie ermöglicht demgemäß, die verhält- |
| nismäßig große Bedeutung der zur Erzeugung |
| einer gegebenen Energie notwendigen Ver- |
| dichtungsarbeit zu Verringern. Aber im Gegen- |
| satz zur allgemein behaupteten Ansieht führt |
| ihre Verwendung nicht immer zu einer Er- |
| hellung des Wirkungsgrades. In der Tat steigt |
| bei schwachen Enispavnl.ungen die Temperatur |
| der in die Atmosphäre gesandten Gase mit |
| der @@'iederer«-ärrniing und der En; rgie@er- |
| Iust, welcher sich daraus ergibt, gleicht in |
| Vielen Fällen den Vorhergegangenen Gewinn |
| aus oder - #elit darüber hinaus. Dieser Fall |
| tritt ein, ZV, nn das Entspannungsverhältnis |
| der auf die Wiedererwärmung folgenden |
| Stufe kleiner als etwa 2,5 oder 3 ist. |
| Wenn die @,w'iedererwärmung mit der |
| Wi,e,derg°ivinntang Vereinigt wird, kann, sie |
| mit Vorteil in den Fäll-Cri benutzt werden. in |
| den cn sie, wenn sie allein benutzt würde. zu |
| einer Verkleinerung des Wirkungsgrades |
| führen würde. In der Tat ermöglicht die |
| WIe.dergewlnnung, d@eil Energieverlust zufolge |
| der durch die entweiclleild°n Gase abgeführten |
| @'t'ärm,e erliehlicli zu verkleinern und als |
| Folge noch eine Verbesserung des Wirkungs- |
| grades durch die Erhöhung der Entspannungs- |
| arbeit in deal Fällen zu finden, in denen die |
| Wi:d,r:r«-ärmuifg allein zu einer Ver- |
| 1;1°inerung des @t"irl;un@s@rades führ:n wiird°. |
| Dies entsteht, wenn das Entspannungsver- |
| hältnis sich zt«-a auf 1,7 bis ? Verkleinert. |
| Wenn .,ich al:jr das Entspannungsverhältnis |
| no--li me,ir v@rI;i; inert. «-as für @di2, letzten |
| Steifen esst geringer Belastung auftreten kann. |
| ergibt sich der Vorteil. daß die tt'i:derer«-är- |
| nntng i#--giällt. |
| Einzr der Zwcl;e der ?ründung hest°_h t_ht |
| demzufolge darin. die Z@'iedererwärinung ent- |
| sprecliend den Belastungsbereichen anzu- |
| passI-n, um d:ll iniig-licllst höchsten Wirktillgs- |
| grad zu @rhalt-°Ie. |
| Erfitidting-sgemäP sind demzufolge zur Auf- |
| rechterhaltung des Wirkuil@sgrad .-#s trotz |
| großer Veränderung d( r Belastung die Ent- |
| spannung der _\`utzleistungsttirl)inen und die |
| Elftspannung der @erdichterturliinen in Teil- |
| @zntspannungetl aufg,-löst. tuid 1:-i X-(Alast |
| t@-@rden zwischen diesc-n T; ilentspannun@en |
| tt-itdererwärmungeit der Gase @orgencnun:n. |
| wobei diese Wiedererwärinun"en bei Ver- |
| rinZerung der Belastung fortfallen. indem, b-i |
| d°r letzt,-n Entspannungsstufe bis zur ersten , ieeg
@t"iederer@i-är- oieleen. auf- |
| I11ilIeg vorgegallgen wird. |
| Die #-erdiclireraiitrie1)stitrl>inen können mit |
| Beil @utzleistungsturbin°n parallel oder in |
| Reihe gekuppelt sein. Die Unterteilung in |
| -Nutzleistungsturbinen urd Verdichteran- |
| triebsturbinen °rmögliclit es, durch eiife Ver- |
| änderung der Kupplung, --nt,v°_der der Nutz- |
| leistungsturbin°ii untereiilander, der Ver- |
| dichterantriebsturhinen untereinander oder |
| einer \utzleistungsturbine oder deren |
| mehrerer mit eitler Verdichterantrielrsturbin. |
| oder deren mehreren, oder der Verdichter |
| untereinander oder zweier oder mehrerer |
| dieser Teile gleichzeitig, |
| Arbeits- |
| b@et-eicl:e zu erhalten; diese Veränderung der |
| Kupplung kann darin b#-stelien. einen Teil |
| oder eine Gesaintlieit (1er Turbinen- oder Ver- |
| dichteranordnung, welche vorher auf eine |
| andere Weis; unt;reinaiider gekuplxlt «-aren, |
| in Reihe oder parallel oder parallel und 111 |
| Reilfe anzuordnen oder aus deni Kreise her- |
| auszul.elimen; diese Mal' ;ilalinfe kann zti- |
| sanimin mit j#edwedcr anderen Reg:hingsart |
| benutzt @S-erdefl. |
| Bei jeder liupplun gsart ist es «-eiterlein |
| möglich, die Gescliwindig-keit der Verdichter- |
| antrithsgruppen Veränderlich zu machen, der- |
| art. daß der Druck der den \utzleistungs- |
| turin,-n gelieferten Gase der von ihnen ver- |
| langten Leistung dauernd angepaßt bleibt. |
| Man kann durch @eränd erungen der Ktipp- |
| Iung auf einfache Weise einen wirtschaftlichen |
| Arl;eitslietrieb dureliführ:li. welcher Von dein |
| HFclis-l)etrieb völlig Verschieden ist, bei- |
| spi,elsweise Arlaeitsl}etriele leeinf Kreuzen |
| ehre; Schiffes. Man kann in der Tat in diesem |
| Fall zwei oder mehrere AI-beitshetrielre vor- |
| s:lien, deren einer dien Kretiz:if .eiftsliriclit, |
| 1;;:i wcIchein den @utzleistungsturbinen 111 |
| R-.ihe zusätzliche Räder zugec#nlnet sind. |
| «-Iclie als Kreuzungsräder l:ezeichnet «-erden. |
| Die Turbinen l;ölinen bei diesem Betrieb> ledig- |
| lich durch Einen T:il der Z@erc1icIiter, ]>ei- |
| ein,- Hoclidrticksttife oder mehrere |
| Hochdruckstufen, gespeist «-erden. Lti einem |
| andern Betri.°b, welcher einer stärkeren Be- |
| lastung entspricht, z@errlen die Kreuzungs- |
| räder atif:er Tätigkeit gesetzt. tiiff1 sehließlicli |
| karir nötigenfalls ein =s rl:eitslletrieti starker |
Belastung vorgesehen sein, bei welchem eine größere Anzahl von
Verdichtern zur Arbeit herangezogen wird.
-
Es ist bekannt, daß es bei einem Antrieb d--r angegebenen Art schwierig
ist, eine yInaue Verteilung der Leistung zwischen den Nutzleistungsturbinen und
den Verdich.terantriebsturbinen zu erhalten, wenn die Be:. lastung sich ändert.
-
In der Tat muß sich die Verteilung der Leistung mit der Belastung
ändern, denn für die kleinen Arbeitsbetriebe ist der Wirkungsgrad der Maschinen
weniger gut, und die Verbrennungstemperatur der Gase muß heral>-L.senkt werden,
um der geringeren Entspannung in den Verteilern Rechnung zu tragen; daraus ergibt
sich, daß die zur Verdichtung der Luft notwendige Leistung im V-rhältnis zur an
den Nutzleistungsturbinen zur Verfügung- stehenden Leistung größer wird.
-
Es sind bereits verschiedene Mittel vorgeschlagen worden,. um eine
richtige Verteilung zu erhalten.
-
Wenn die Turbinen parallel gekuppelt sind, kann man Schieber, oder
Scheidewände verwenden, welchic eine verschiedene, Verteilung der Gase zwischen
Nutzlcistungsturbinen und Verdichterantriebstu.rbinen hervorrufen, aber daraus ergibt
sich ein Verlust durch schleichenden Kanalabschluß. Falls die Turbinen in Reihe
angeordnet sind, bann man einen Teil der Gase durch Umleitung ableiten, indem man
die Zuleitung und die Ableitung hcstimmter Turbinen verbindet, aber es ist klar,
daß sich daraus ebenfalls ein verhältnismäßig hoher Verlust ergibt.
-
Das gleiche ist der Fall, wenn: man die richtige Verteilung dadurch
erhalten will, daß man die für die Nutzleistungsturbinen bestimmten Gase und die
für dies Verdichterantriebsturbdnen bestimmten Gase auf eine verschieden hohe Temperatur
erwärmt, denn in allen diesen Fällen ist es wichtig, um den Wirkungsgrad zu verbessern,
die Höchstt@e,mp:eratur zu verwenden, welche mit der Erhaltung der Turbinen vereinbar
ist.
-
Es ist weiterhin vorgeschlagen worden, auf der Welle der Nutzleistungsturbinen.
elektrische Stromerzeuger anzuordnen, welche es ermöglichen, einen veränderbaren
Teil der Leistung Elektromotoren zuzuleiten:,. welche auf den Wellen der Verdichterantriebsturbinen
angeordnet sind. Daraus ergibt sich jedoch eine, große Verwicklung.
-
Diese richtige Verteilung kann gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung
erhalten w;-rd-n, wenn die Nutzleistungsturbin@em parallel mit den Verdichterantriebsturbinen
mit Hilfe zusätzlicher Nutzleeiistungsturbinen. gekuppelt sind,° welche im nachstehenden-
als Marschturbinen oder Vorturbinen bezeichnet sind und welche zur Erzielung von
Arbeitsbetrieben bei geringer Belastung in Reihe mit den normalen Nutzleistungsturbinen
gekuppelt sind.
-
Es sei eine Gesamtanordnung betrachtet, bei welcher verschiedene Nutzleistungsturbinen
parallel mit einer bestimmten Anzahl Verdichterantriebsturbinen gekuppelt sind,
und sie seien so eingerichtet, daß für einten eindeutig bestimmten Arbeitsbetrieb
Leistungsgleichgewicht vorhanden ist, beispielsweise Arbeit bei Vollast. Wenn man
in Reihe mit den Nutzleistungsturbinen eine Vo:rturbine kleineren Querschnitts oder
deren mehrere schaltet, verkleinert sich das Verhältnis des in die Turbinen hineingehenden
Gases mit Bezug auf das in die Verdichterantriebsturbinenhineingehende; daraus ergibt
sich aber kein Verlust an Wirkungsgrad, denn die Querschnittsverkleinerung, welche
den Gasen dargeboten wird, wird nicht durch einen Schieber erhalten, der einen schleichenden
Kan.alabschluß hervorruft, sondern durch eine Turbine, welche den von ihr verbrauchten
Druckabfall ausnutzt. Die Gesamtanordnung befindet sich demzufolge für eine neue
Antriebsenergie im Gleichgewicht, welche entsprech:end kleiner sein wird als, die
vorhergehende.
-
Wenn man auf diese Weise aufeinanderfolgend mehrere Vorturbinen hinzufügt,
kann man also mehrere verkleinerte Arbeitsbetriebe durchführen.
-
Fürgroße Leistungen kann man im Gegensatz dazu einen zusätzlichen
N iederdruckverdichter oder deren mehrere zuordnen, welchü durch. eine zusätzliche
Niederdruckturbine oder deren mehrere angetrieben werden., die entweder mit den
Verdichter antrieb:sturbinen allein oder mit den Verdichterantricbsturbinen und
den Nutzleistungsturbinen gleichzeitig in Reihe angeordnet sind.
-
Die Erfindung sieht eine andere Anordnung vor, durch welche. eis ebenfalls
möglich ist, eine genaue Verteilung der- Leistungen, zu erhalten, wenn die Belastung
sich ändert. Sie besteht darin, die Verd:ichterantriebsturbinen und die Nutzleistungsturbinen
in Reihe zu kuppeln, indem eine Anzahl vön Nutzleistungsturbinen und Verdichterantriebsturbinen
ver"vendet werden, welche der Leistung proportional sind, die diese Turbinen jeweils
liefern müssen, derart, d@aß die Leistung jeder Einheit genau gleich ist. Überdies
sind, die Nutzleistungsturbine oder -turbinem hinter den -#'erd:iclite;ran.triebgturb,inen
angeordnet. Dadurch nutzt man die bekanntEigenschaft au:s, d.aß, wenn mehrere Turbinen
in Reihe angeordnet sind. und der
Speisedruck vor ihnen sich verändert,
sich die Gesamtleistung in dem gleichen Sinne verändert, aber die Leistung der letzten
Turbine (dahinter), «-elche unter dein verkleinerten Druck arbeitet, verändert sich
schneller als die Gesamtleistung oder als die Leistung der anderen.
-
Daraus ergibt sich, daß, wctm sich die Belastung beispielsweise verringert,
sich die Leistung der Nutzleistungsturbine schneller verringert als die der Verdichterantriebsturhinen.
-
Die Erfindung nutzt weiterhin die Unterteilung der Turbinen in \utzleistungsturbinen
und Verdichterantriebsturbinen atis. um das stufenweise Anlassen der Anlage durchzuführen.
Zu diesem Zweck sieht die Erfindung eine Anordnung von Schieb°rn oder ähnlichen
:Mitteln vor, welche es ermöglichen, nach Wunsch selbsttätig die erste Gruppe unabhän,
gig von dem übrigen Teil der die Atila@@ bi Idenden Gruppen anlaufen zu lassen.
Wenn diese Grupp durch eines der hekamit@n -Mittel. z. B. verdichtete Luft, Elektromotor
tisw., anlaufen gelassen wird, ermöglicht es der Druck der Luft, den sie liefert,
di° zweitc Turbine anlaufen zu lassen.
-
In dem Fall. in dem die Maschinen häufig oder bei -Vollast anfahren
müssen, beispielsweise Schiffe, Lokomotiven, verschiedene Wagen, ermöglichen Schieber
es, die Nutzleistungsturhinen von den Verdichterantriebsturbinen zu trennen, derart,
daß diese im Betrieb bleiben, während die Nutzleistungsturbinen stillgesetzt werden.
-Man erhält also auf diese -"eise sclitielle Anlaßvorgänge. selbst mit eitler Kupplung,
welche geg"nülrer der gewöhnlichen Kupplung deii gleichen odI-ieinen höheren Widerstand
hat.
-
-Man weiß, daß es zur Regelung d°rLeistung einer Gesamtheit von Gasturbinen.
von denn einig: Verdichter und die andern Arbeitsmaschinen antreiben, notwendig
ist. die -Menge des den Brennern zugeführten Brennstoffs zu regeln. Aber es ist
ebenfalls notwendig, die Verteilung der Leistung zwischen Nutzleistungsturbinen
und Verdichterantriel>sturbinen veränderlich zu macli°n, um das Gleichgewicht im
nen=n @rbeitsiretri:b zu erhalten, wie olten auseinandergesetzt wurde. Demgeinäli
ist es, tvit oben erläutert, wenn man bei allen Belastungen einen guten Wirkungsgrad
aufrechterhalten will, unentbehrlich, dieTemperatur auf dein Höclistivert zu halten,
welcher von den Turbinen ausgehalten werd°n kann. In diesem Fall wie in dem Fall,
wo man einen gem°insamen Brenner für die Nutzleistungsturhinen und die Verdichterantriehsturb:inen
verwendet, kann man sich nicht damit li°gnü geti, auf den Brennstoff einzu-,virken.
und inan muß, um die Verteilung der Leistung zwisehezi den Nutzleistungsturhinen
und den Verdichterantrielrsturbinen veränderlich zu machen, die `'erteiIung der
Gasströme zwischen diesen Turbinenarten verändern. Zu diesem Zwt-ek sind Anordnungen
vorgeschlagen worden, bei denen die Regelung mittels eines als Leitungsregler bezeichneten
Reglers erfolgt, welcher den Brennstoff hevinflußt, und die Regelung mittels eines
anderen Reglers -erfolgt, welcher ein Wärmeregler sein kann, d:r die Verteilung
der Gasinengeii zwischen den @titzlel@ttIIlg@ttlrli111eI1 und den Verdichterantriebsturhinen
beeinflußt.
-
Aber diese Anordnungen haken den Nachteil, daß die Regelung durch
den Brennstoff verllä ltnismiißig langsam erfolgt, insbesondere wenn die -"erl>reilntttigskaniniern
und die Röhren ein großes Wärmeaufnahmevermögen besitzen, wie dieses allgemein der
Fall ist; und wenn die Änderung der Verteilung der Metige zwischen den \titzleistungsturbinen
und deal Verdichterantriel>sturbinen nur an letzter Stelle erfolgt, besteht die
Gefahr. daß an den Nutzleistungsturbinen unzulässige Geschwindigkeitsschwankungen
z iltstelieil.
-
Daher erfolgt bei der Vorrichtung, welche einen der Zwecke der Erfindung
bildet. die Regelung in zwei Zeiten; eine augenblickliche Regelung. «-elche durch
den Leistungsregler hervorgerufen wird, der beispielsweise ein Geschwindigkeitsregler
sein kann, welcher den Gaseintrittsschieber der Nutzleistungsturbine Irzzinflußt
und ihre Leistung auf den gewollten Wert bringt, dann eine langsamere Regelung,
welche den Zweck hat. das Leistungsgleichgewicht der gesamten :Anlage wiederherzustellen
und welche entweder unmittelbar oder mittelbar durch Schieber in den Luftleitungen
und durch einen Wärmeregler oder deren mehrere die Menge des Brennstoffs beetnflußt.
-
Während der gesamten Dauer dieser zweiten Regelung wird die Leistung
der Nutzleistungsturbine durch den Leistungsregler weiterhin genau geregelt, und
es können also keine Abweichungen oder Geschwindigkeitsschwankungan entstehen.
-
Diese Vorrichtung ist insbesondere in dein Fall von Bedeutung, in
dein es notwendig ist, eine große Ausgeglichenheit im Arbeiten oder eine genaue
Regelring der Geschwindigkeit durchzuführen.
-
Die Zwischenerwärmung könnte durch innere Verbrennung mitt.cls Brenner
mit flüssigem Brennstoff bewirkt werden. Die Erwärmung der Gase könnte auch durch
eine IIcizvorrichtung bewirkt werden, die außerhalb, ihres Kreises angeordnet ist
und beispielsweise mit festem Brennstoff brennen
kann. Im gegebenen
Fall wird die entweichend.- Luft oder das Gas unter den Rost der Heizvorrichtung
oder des Ofens geschickt, um zur Speisung von Warmluft zu dienen; dadurch wird ein
großer Teil der in dieser Luft enthaltenen Kalorien wiedergewonnen werden können.
-
Diese Verbesserung ist insbesondere zum Wiedererwärmen -zwischen den
Entspannungen anwendbar, wenn die Maschine gemäß dem oben beschriebenen Arbeitsvorgang
arbeitet. Diese äußere Erwärmung könnte mit Hilfe: eines oder mehrerer Hauptbrennxer
mittels einer Oberfläche bewirkt werd,--n, indem man die Gase dicht an den Brennern
vorbeigehen läßt. Diese Wiedererwärmung von außen durch eine Oberfläche ermöglicht
es weiterhin, Brennstoffe zu verwenden, die den Maschinen schädliche Beimengungen
haben, beispielsweise Gase von Hochöfen.
-
Die Erfindung sieht weiterhin die Erwärmung (und wenn sie stattfindet,
die Wiedererwärmung dein Gase in dem Fall vor, wo der neue genannte Kreisvorgang
angewendet wird) mit Hilfe innerer Heizvorrichtungen mit fe6tern Brennstoff vor,
welche durch die Gesamtheit oder nur einen Teil det Gase vor denn Speisen der Turbinen
und nach vorherigen Verdichtung durchquert werden.
-
In der Beschreibung sind mit Bezug auf die Zeichnung mehrere Ausfiihruhgsformem
leispielsweise wiedergegeben.
-
Fig. i ist ein Schaubild, welches den neuen Arbeitsvorgang von Wärmelcraf:tanlagen
mit Gasturbinen mit Wiedererwärmung während der Entspannung wiedergibt; Fig: 2 zeigt
eine Ansicht einer Anlage beispielsweise, welche gemäß diesem Arbeitsvorgang arbeitet;
Fig. 3 zeigt beispielsweise eine Wärmekraftanlage, in welcher die Ver:di.rhterantriebsturbinen
und die Nutzleis.tungsturbinen parallel miteinander gekuppelt sind; Fig. q. zeigt
eine Schieberanordnung, die zum allmählichen Anfahren der Turbinen benutzt(werden
kann; Fig. 5 und .6 zeigen beispielsweise zwei Ausführungsformen einler Regelvorrichtung
durch Wärmeregler; Fig.6a und 61 zeigen abgeänderte Ausführungts:formen dieser Vorrichtungen;
Fig. 7 zeigt beispielsweise das Erwärmen der Gase durch eine äußere Heizvorrichtung,
welche mit festem Brennstoff brennt; Fig.8 und 9 zeigen die Erwärmung der Gase,
in dem Fall, in dem .der Arbeitsvorgang gemäß Fig. i benutzt wird, durch eine Oberfläche
mit Hilfe des Hauptbrenners; Fig. io und i1 zeigen zwei Ausführungsformen von inneren
Brennern mit festem Brennstoff, welche zum Erwärmen oder zuin Wiede rerwärmen der
Gase benutzt werden können; Fig. 12 zeigt einen Brenne- mit Kreisumlauf zum Abkühlen
der Wandungen und der Gase; Fig. 13 zeigt eine Verbrennungskammer, welch-C
es ermöglicht, das Wiederentflammen nicht verbrannten Brennstoffs zu vermeiden.
-
In der Fig. i stellen die Kurven a-g und la-m die Verdichtung und
die adiabatische Entspannung dar, so wie sie in den bekannten Maschinen benutzt
werden. a-e' und 1-l' sind die iso:thermische Verdichtung und die isothprmische
Entspannung, welche die Grenze darstellen, die durch eine ideale Maschine erreicht
werden kann.
-
Zwei Wiedererwärmungen, welche zwischen den Entspannungsstufen durchgeführt
werden, sind durch die Stufen i-i' und k-k' dargestellt; man sieht, daß man auf
diese Weise- durch die schraffierte Fläche a, dargestellte Arbeit gewinnt. Wiederabkühlungen
zwischen den Verdichtungsstufen, welche in Verbindung mit den Wie,de,rerwärmungen
benutzt werden können, sind (bei dem gewählten. Beispiel drei an der Zahl) durch
die Stufen b-b', c-c', d-d' ebenfalls dargestellt; man gewinnt die schraffierte
Fläche ß.
-
Schließlich nähert man sich der isotheT-mi,schen Entspannung und der
isothermischen Verdichtung mehr und mehr, und theoretisch wird das Ergebnis um so
vollständiger sein, je mehr man die Zahl der Stufen erhöhen wird.
-
Immerhin entspricht die Erhöhung der Nutzarbeit, weilche durch eine
beistimmte Gasmenge geliefert ist, nicht genau einer Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades,
wenn sie durch Wiedererwärmung während der Entspannung erhalten worden ist. In Wirklichkeit
muß in dieseim Fall die Menge der dem Gas zugeführten Wärme, um es unter dem Druck
p auf die Temperatur t zu bringen, um diejenige erhöht werden, welche zur
Wiedererwärmung notwendig ist, und es würde, nür dann eine Verbesserung des Wirkungsgrades
vorhanden. sein, wenn das Verhältnis des überschusses der erzeugten Arbeit gegenüber
dem Übersch,uß der gelieferten Wärme größer als der Wirkungsgrad ohne Wiedererwärmung
ist.
-
Betrachtet man beispielsweise die, zweite Wiedererwärmung, welche
in der graphischen Darstellung bei K K' dargestellt ist, so, kann die Menge der
gelieferten Wärme als zu K K' und zu dem entsprechenden. absoluten Druck p1 proportional
angesehen werden.
-
Die Nutzarbeit ist durch die Fläche K K' i K" dargestellt, welche
genau gleich K
K'
(pl-p2) ist, wobei p2 der absolute Druck in
K"
ist.
Die Bedingung, für welche der Wirkungs-
| grad v°rla°ss2rt wird. ist |
| demzufolge gleich wobei C |
| eine bestimmte Größe ist, oder daraus |
| Damit dieser Ungleichmäßig?;eit -erlügt |
| wird, . ist ersichtlich. daß p2 genügend klein |
| sein muß, d. h. daß das Ausdehnungsverhält- |
| nis genügend groß ist. |
| Daher ist die Verwendung der Wieder- |
| er«-ärrnung allein zwischen den Stufen der |
| unt°rt°ilten Entspannung nur dann vorteil- |
| haft, wenn das Ausdehnungsverhältnis ge- |
| riüg-nd groß ist: und bei einem genügend |
| Izleineii Ausdellntrngsverliältnis wird man den |
| Vorteil haben. die Miedererwärmung nicht |
| auszunutzen. |
| In d°m Fall, in dem die Wiedererwärmung |
| in Verbindung mit einem Wärmespeicher |
| hzn-iitzt wird, w°Icher es ermöglicht. die cer- |
| dicht°te Luft Vorzuerwärnlen. ind--m ein Teil |
| der noch in den "ntweichenden Gasen cor- |
| hälld,`-.i@erl halorieii ausnutzt wird, wird eiii |
| Teil d-r zur @%'i-d°r,-rwärnititig rctweiidigen |
| Wärme aufgespeichert und von derjenigen in |
| Abzug gebracht. «-elche zur Erwärmung |
| durch dis er's:;: Brnn:inrichtung |
| ist. Dah; r g; startet sich die Wiedererwär- |
| mung zu einem vortzilhaften Arbeitsvorgang |
| für ein Entspannungsverhältnis, das etwas |
| kleiner als in dein vorhergehenden Fall ist. |
| Einer der Zwecke der Erfindung bestellt |
| darin. eine Verlyesserung des @@-irl:urigs,rades |
| für eine Gasturbine zu erhalten, wenn sich |
| der Arbeitsbetrieb in engen Grenzen ändert, |
| welche eine oder vorzugsweise mehrere |
| Wiedererwärmungen enthält, dadurch, daß |
| diese Wiedererwärmungen auf eine zweckent- |
| sprechende Weise in oder außer Dienst ge- |
| stellt «-erden. |
| Bei starken Belastungen, bei denen das |
| Entspannungsverhältnis für alle Turbinen |
| groß ist, bef nden sich alle Wiederer«-ärinungs- |
| vorgänge in Arbeit. Wenn sich die Belastung |
| verlilctllert. verändert sich das Ausdehnungs- |
| verhältnis d: r davorliegenden Turbine schnel- |
| Ler als die anderen und erreicht den Wert, |
| für «-elche die @t"iedererirärmung kehle Ver- |
| Lessertmg des Wirkungsgrades liervc>rrtift. |
| In dies,-in =@tigeniiliclz fällt die Wiedererwär- |
| mung weg, indem entweder der Brenner aus- |
| geMscht wird. oder indem vorztigs«-eiseine |
| H°izflaninie brennen laiht, w:-nn man an- |
| nimmt. da13 die Belastunlr «-leder ansteigen |
| kann. |
| W:nn sich die Belastung noch mehr ver- |
| kleinert, gelangt das Entspannungsverhältnis |
| co.r der letztirr Turbine seinerseits unterhalb |
| dz#: Wertes, l;ei wIchzin di;- @ViedererwÜr- |
| mung nicht in°lir bratichl>ar ist; sie wird |
| cleniztifolge in diesem=@u;'enbliclc aufgehoben, |
| l"is nur noch der erst. Brenner- in Arbeit |
| 1l e ü>1. |
| Di:s@s ist das Prinzip der Veränderung des |
| Arbeitsvorgangs durch Wegfall der Wieder- |
| erwärmunghei bestimmten @rl!eitsbetrielren. |
| welcli:s eins der Zwecke der Erfindung |
| bildet. |
| Fig. 2 zeigt heia;i; lsweise eiii°_ Anlage die |
| gemäß dein Vorgang c?@r Fig. i arbeitet. NIan |
| sieht bei e1, c`-'. c=@. (-I vier @tu:@nc-er@licliter, |
| die in Reihe durch die Gase (die in der |
| Atmosphäre angesaugte Luft) durchdurt |
| «-erden. In d:n Zwischenräumen zwischen |
| zw°i aufeinanderfolgeriden Verdichtern sind |
| hflilvorriclitutig°n r1, 3==. 3=3. l@ispiels«-eise |
| Isühl@-orrichtungen mit @@"ass°rulnlauf. ange- |
| ordii@t. Das @-erdiclitete Gas durchquert dann |
| den Austausch_r c, dessen anderer Stromkreis |
| von den entw:ichenden Gasen durchlaufen |
| -wird. Das Gas wird dann durch: itt: Wärme- |
| duelle f -rwärint, w@lclle bei deal corliegetiden |
| B@ispil durch °inen oder melirer°. Brenner |
| gtltildet wird, die die Verbrenimm, eine |
| fjtISSIl-.n Oder -astorInIgetl P relltl@to tt@. I'ret- |
| sl>i@sweis.e --%Iastit. iin Innern des Gases Le- |
| stinini-n. Es entspannt sich ein .erstes Mal |
| beim Durchqueren zweier in Reihe angeord- |
| net,er Turbinen t' und t'; nach dieser ersten |
| Entsl;annung wird das Gas Lei -1 beispiels- |
| weise durch einen neuen Br:nner für den |
| Arbeitsbetrieb bei Vollase «-iederert@-ärmt. |
| Es erleidet in der Turbine t# eine neue Ent- |
| spannung und wird in g' von netrein er#:%-ärrnt: |
| es clelint sich schließlich in d,.r Turbine t' |
| aus, um durch den Wärineaustauscher e hin- |
| durch zu entweichen. Für mittlere Belastun- |
| gen wird die Wiedererwärinun- ]),ei g' auf- |
| -und bei kleinen Belastungen ist |
| dieses für die Wiedererwärmung S1 ebenfalls |
| der Fall. |
| Fig.3 zeigt eine Anlage, in welcher die |
| Verdichter verschiedener Stufen cl, c'. C'. c' |
| durch Gasturbinen tal. tü'. ta:;. tal angetrieben |
| werden. welche von den Hauptntttzkistungs- |
| ttlrbillen t1311, till', t331°, 1337' getrennt angeord- |
| net sind. -Nachdem der Gasstrom die Ver- |
| dichterstufen durchquert hat und in dein |
| Atistatischer c -#-orer«-ärmt worden ist, wird |
| er in zwei Ströme unterteilt. welche durch |
| Br::mier f' und f' erhitzt «-erden und «-elche |
| parallel zueinander einerseits die @'erdicliter- |
| antri-@bstur@inen und andererseits die -Nutz- |
| leistungsturbinen speisen. Die Verdichter- |
| anti-i--bsttirl>inen selbst sind in Reihe ge- |
| kn h1::11: gleiches gilt für die -Nutzkistungs- |
| turl>iiien. |
| Für deri Arl)eitsl;etriel> bei Vollast «-erden |
| die Irrenner f1. J' einerseits und f'. @2 anderer- |
seits gespeist; für kleinere Lasten dagegenwerden die Brenner g1
und g2 außer Dienst g e setzt.
-
Das Anfahren einer Anlage mit Gasturbinen gemäß der Erfindung, -welche
mehrere in Reih;' angeordnete Turbinen aufweist, kann allmählich erfolgen, wie es
mit Bezug auf Fig.4 n ch.be'schrieben wird;, welche beispie'lsweise eine der* zu
diesem Zweck brauchbaren Ausführungsformen zeigt.
-
Vor jedem Verdichter ist ein selbsttätiges Ventil, beispielsweise
s1, s2, und hintler jeder Türbinse ein Schieber oder eine Klappe v1, v2 vo,rgeseh"eii.
Das Ventil s1 ermöglicht dem entsprechenden Verdichter, unmittelbar aus der Atmosphäre
anzusaugen, ohne daß die. Luft durch den davarliegenden Verdichter hindurchgeht.
Die Schieber v1, welche. im gewünschten Augenblick von Hand oder selbsttätig gesteuert
werden, ermöglichen es jeder Turbine, unmittelbar in die Atmosphäre abzublasen,
ohne durch die dahinterliegen:de Turbine hindurchzugehen. Wenn man selbsttätig ausgewuchtet,-
Klappen benutzt, sind. sie derart ausgebildet, daß sie sich öffnen; wenn der Druck
in der Leitung unter einen .bestimmten Wert kommt.
-
Man wird einleitend beim Anfahren eiiner der Gruppen; beispielsweise
tal, cl, vorzugsweise die Gruppe, welche dem höchsten Druck entspricht, so@ vorgehen,
daß man zuerst den Schiebe; r v1 öffnet, dann mit Hilfe des Hahnes 15 oder irgendeines
anderen Mittels die aus einem Varratsln,ehält.er 16 kämmende verdichtete Luft (selbstverständlich
kann man statt verdiclrteter Luft jedes andere Anfahrmittel, b@spielalve;üseeinen
Elektromotor, verwenden) nach der' Turbine tal leitet. Die Wännequelle fermöglicht
es, dieser Gruppe einen vollständig unabhängigen Lauf zu glebe:n, nachdem sie einmal'
angefahren ist.
-
Wenn sie läuft, wird man den Schieber v1 schließen, und die Druckluft,
die, dien Gruppe liefern wird, ermöglicht das Anfahren der folgenden Gruppe
tat, c2 usf. ' Wenn v1 eine selbsttätige Klappe ist; -wird sie sich von selbst
schließen, werin der Druck einten genügend großen Wert .:weicht haben -wird, daß
matt die folgende Gruppe anlassen kann. Wenn alle Verdichteräntriebsgruppen arbeiten,
kann man die Nu.tzleistungsturb:inen anfahren lassen.
-
Eine der Hauptschwierigkeiten in. der Verwecildung von Gasturbinen
bildet die Temperaturre,je;lung,; es ist Vorkehrung dafür getroffen, bei der Reg
;.läng der Anlage Wärmeregler verwenden zu können, welche an einer Stelle oder an
mehreren S'te'llen des Stromkreises der Gase angeGrdnet sind und welche in Verbindung
finit einer anderen Regelungsart (Regelung der Leistung der Nutzleiistungsturhine,
oder -turbinen) zusammenarbeiten. Aber gemäß der Erfindung erfolgt die Regelung
in zwei Zeiten; eine fast augenblickliche Regelung,- welche die Verteilung der Gase
verän,diert und durch den Leistungsregler gesteuert wird, un-d eine weniger schnelle
Regelung, welche unmittelbar oder mittelbar auf die Menge des Brennstoffs einwirkt.
-
In Fig. 5 steuert der Regle:r, 17 der Nutz-1.eistungsturbine tnn,
welcher in diesem Fall ein Geschwindigkeitsregler ist, unmittelbar den Schieber
18, welcher den Druck der an dem Brenner f2 und der genannten Turbine ankommenden
Luft regelt. Wenn die Geschwindigkeit sich zu erhöhen neigt, ist der Regler b'estre'bt,
diesen Schieber zu schließen; man erhält also auf diese Weise die augenbl-ickliche
Regoelung der Geschwindigkeit. Aber der durch die Verdichter gelieferte Druck isst
dann; zu hoch. Er kann durch die langsame Regelung, -welche auf den Eintritt des
Brennstoffs einwirkt und beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5 von den Wärmereglern
u1, u2
abhängt, auf den gewünschten Wert gebracht werden. Nach Maßgabe dessen,
wie sich der Gasverteilungsschieber 18 beispielsweise schließt, ist der zwischen
seinen beiden Flächen vorhandene Druckunterschied bestrebt, sich zu erhöhen. Dieser
Druckunterschied steuert durch die manometrische Vorrichtung i9" den Schieber 2o,
welcher sich schließend bestrebt ist, den Druck vor dem Schieber 18 zu verkleinern
und auf diese Weise die Gleichheit der Drücke auf den beiden Flächen dieses Schiebers
wiederherzustellen. Gleichzeitig haben die Wärmereglerzsl und u2 die Menge
des den Brennern f1 und f2 zugeführten Brennstoffs verkleinert, weil die Luftmenge
verkleinert wird und ihre Temperatur bestr'e'bt ist, sich zu erhöhen.
-
Es findet sich auf diese Weise ein netter Gleichgewichtszustand wieder,
welcher dem neuen Arbeitsbetrieb entspricht. Die Manometervorrichtung kann auch
derart erregt -werden, daß sie den Druckunterschied auf den beidien Flächen des
Schiebers 18 gleichbleiln;end hält oder sich im Gegensatz. dazu in Abhängigkeit
vom absoluten Druck an dieser Stelle nach. einem bestimmten Gesetz ändert.
-
Die manometrische Vorrichtung i9 kann auch unmittelbar auf den Eintritt
des Brennstoffs nach. deal Brennern eines irk-em.
-
Gemäß Fig. 6 b@eeinflußt der Geschwindigkeitsregler 17 der Nu.tzlei!stungsturbine
tna den Eintritt des Brenlistoffs nach, dem Brenner f2 dieser Turbine; gleichzeitig
wirkt der Wärrne@regler 112 auf den Schieber 18, um die Menge der dem Brenner f'-'
zugeführten Luft auf ihren riclitiggen Wert zu bringen, während die Manome:tervorrichtung
ig, welche
dem Unterschied der Drücke zwischen den beiden Oberflächen
des Schielters 18 unter-,vorfen wird, den Schieber 2o steuert, der die nach dein
Verdichter zugelassenen Luft beeinflußt.
-
Bei der abgeänderten Ausführungsform der Fig. 6 könnte die Manometervorrichtung
den Eintritt d°s Brennstoffs zu dem Br:nner fi beeinflussen, wodurch es möglich
ist, indem man die Geschwindigkeit der Verdichterantriehsgruppe beeinflußt, die
Menge der den Turbinen zugeführten Luft zu regeln.
-
In einer zweiten Anordnung wirken die Wärmeregler auf die gleichen
Teile wie die normalen Regler oder auf die Steuerung dieser Glieder derart
ein, daß ihre Verschiebung begrenzt oder vermindert wird, um die Temperatur auf
einem zulässigen Wert zu halten.
-
Eine Ausführungsform dieser Art ist in Fig. 6a dargestellt. Der Regler
17 und der Wärmeregler 1e= wirken jeder auf die Einführungshlappe35 für den Brennstoff
ein: ihre Wirkungen auf diese Klappe sind durch -e@irien Arm 36 aneinander gebunden.
-
In der abgeänderten Ausführungsform der Fig. 6b wirkt der -Normalregler
17 auf die Eintrittsklappe für den Brennstoff durch einen Hebel 37 ein, dessen Verschiebung
durch Anschläge 38 begrenzt ist, deren Stellung durch den Wärmeregler n= beherrscht
wird.
-
Die Regelung der Anlage kann auch dadurch erhalten werden, indem man
die Chara!kteristiken eines @'.erdicliters oder mehrerer Verdichter. einer Turbine
oder mehrerer Turbinen oder gleichzeitig der Verdichter und Turbinen durch die Verschiebung
oder durch Verformung der Verteiler oder von festen oder beweglichen Schaufeln oder
irgendeines anderen Gliedes oder Glieder dieser Maschinen verändert. Diese Maßnahme
kann gleichzeitig oder auch nicht mit jeder anderen Regelungsart benutzt werden,
insbesondere mit einer der bereits beschriebenen.
-
Gemäß Fig.7 wird die Erwärmung der Gase vor der Entspannung mittels
einer äußeren Heizvorrichtung 21 erhalten, in welcher sich ein Austauscher22 befindet.
der von den aus dem Verdichter c kommenden und zu der oder den Turbinen geschickten
Gasen durchquert wird.
-
Die aus den Turbinen entweichende Luft kann unter den Rost 23 der
Heizvorrichtung geschickt werden, uni zum Speisen der Heizvorrichtung mit Warmluft
zu dienen. Dies ermöglicht es, einen Teil der in der Luft enthaltenen Kalorien wiederzugewinnen,
wobei man die -Menge des entsprechenden Brennstoffs spart. Diese Vorrichtung ergibt
die gleichen Vorteile wie die Verwendung eines Wärmespeichers mit einem Wirkungsgrad,
welcher gleich dein der Heizvorrichtung ist, und mit einem kleinen Raumbedarf. Sie
z-rmöglicht es außerdem, im vorliegenden Fall jede Abzugsart wegfallen zu lassen.
-
Die Verwendung einer Heizvorrichtung mit äußerer Erwärmung ermöglicht
die @"erwendung eines Brennstoffs, dessen @eri>rennungsrückstände den Turbinen schädlich
sind.
-
DieErwärmung durcheine Heizvorrichtung mit Aulknheheizung kann auch
zwischen den Entspannunsstufen benutzt werdn. In diesem Fall' wird man vorzugsweise
für die Erwärmung oder die Wiedererwärmung oder die Wiedererwärmungen eint einzige
Heizvorrichtung benutzen.
-
Für die Wiedererwärmung kann man auch bei innerer Verbrennung die
durch die Wärmeduelle erzeugte Wärme ausnutzen, welche zur ersten Erwärmung der
verdichteten Gase dient, bevor sie in die Turbine eingelassen werden, wie beispielsweise
in den Fig. 8 und g dargestellt ist. Diese Anordnung ist lresond:rs bei kleinen
Anlagen von Bedeutung, bei denen die Steuerung der Maschine durch die Verwendung
eines einzigen Brenners einfacher gemacht ist.
-
Die Erwärmung oder die Wiedererwärmung der Gase kann auch, wie in
den Fig. io und i i angedeutet ist, mittels einer Heizvorrichtung 21 mit festem
Brennstoff erfolgen, «-elche in den Weg der Gase eingeschaltet ist und infolgedessen
unter Druck arbeitet.
-
Der Brennstoff wird in die Heizvorrichtung eingeführt und die Asche
beispielsweise mit Hilfe eine: Einsatzes 22 mit zwei Öffnungen oder einer anderen
abdichtenden X'orriclitung. welche Gasverluste in die Atmosphäre vermeidet, weggebracht.
Die Zuführung kann auch selbsttätig erfolgen; die Heizvorrichtung kann beispielsweise
eine solche mit drehender Feuerplatte sein oder eine mit einer Zuführung durch einen
Stoßkolben 23 (Fig. i i) sein.
-
Eine Nebenleitung 24 und Klappen 25 und 26 ermöglichen es. die Temperatur
der Gase zu regeln. Eine entsprechende Vorrichtung könnte überdies angewendet werden,
falls die Erwärmung der Gase oder die Wiedererwärmung mit Hilfe von Brennern bewirkt
wird, welche flüssigen oder gasförmigen Brennstoff verwenden.
-
Bei der Ausführungsform der Fig. 12 ist die Kammer 28, in welcher
die Verbrennung vor sich geht und welche nur einen Teil der Luft durch eine gleichachsig
zum Brenner 27 angeordnete Öffnung erhält, von einer Hülle 29 umgellen, welche mit
der Außenwand der Kammer 28 einen ringförmigen Zwischenraum bildet. In diesem Zwischenraum
geht der Überschuß der Luft. welche dann mit den
Verbrennungsgasen
vermischt wird. Diese Luft durchquert die Löcher 29 a der Umhüllung 29. Diese Anordnung
zeigt den Vorteil, auf den Außen- und Innenwandungen der Umhüllung 29, welche die
Verbrenmun:gskammer begrenzen, ein-en verhältnismäßig kühlen Luftumlauf hervorzurufen.
Auf diese Weisse «erden die Wandungen der Verbrennungskammer abgekühlt, und man
kann die feuerfeste Auskleidung und den Wärmeverlust verkleinern und sogar fortlassen.
-
Fig. 13 zeigt eine Verbrennungskammer rdes Brenners 27 mit
flüssigem Brennstoff, in welcher an dem unteren Teil und vorzugsweise hinter der
Verbrennungskammer 28 ein Raum 31 vorgesehen ist, der mit einer Reinigungsvorrichtung
versehen sein kann, weiche dazu bestimmt ist, den flüssigen., nicht verbrannten
Brennstoff zu sammeln. Man kann auf diese Weise das Entflammen dieses gesamten Brennstoffs
und damit die sich daraus ergebenden ExplosionsKefahren vermeiden. Siebe 32, welche
im vorliegenden Fall durch besondere Maßnahmen oder andere ein Entzünden verhindernde
Vorrichtungen vervollständigt werden können, können vorgesehen sein, um den nicht
verbrannten Brennstoff gegen die von dem Brenner oder den Brennern freigegebene
Wärme zu schützen.
-
Es ist selbstverständlich., daß zwei oder mehrere der vorgenannten
Vorrichtungen miteinander vereinigt werden können; im übrigen sind die oben beschriebenen
Ausführungsarten nur als Ausführungsbeispiele wiedergegeben worden; sie können abgeändert
werden, ohne daß dadurch die Erfindung umgangen wird.