DE815424C

DE815424C - Verfahren zur Krafterzeugung und Gasturbinenanlage zur Ausuebung des Verfahrens

Info

Publication number: DE815424C
Application number: DEW1803A
Authority: DE
Inventors: Winston Randolph New
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1941-04-18
Filing date: 1950-04-27
Publication date: 1951-10-01

Description

Verfahren zur Krafterzeugung und Gasturbinenanlage zur Ausübung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur, Kraft-

erzeugung durch kontinuierliches Umwälzen von

Arl>eitsnieditini in einem einen Verdichter, eine

Turbine und einen zwischen Verdichter und Tur-

bine angeordneten Wä rmeaustauscher enthaltenden

Kreislauf. Die Erfindung betrifft auch eine Gas-

Die zur .@tisüliting dieses Ver-

fahrens.

(@asturbinenanlagen mit offenem und mit ge-

schlrnscnem Kreislauf sind bekannt. Beim offenen

Kreislauf oder atmosphärischen Betrieb saugt ein

Verdichter Luft aus der Atmosphäre an, verdichtet

diese und liefert sie dann an eine Brennkammer, aus

welcher die Verbrennungsprodukte an eine Turbine abgegeben werden. Letztere treibt den Verdichter und gibt daneben noch Nutzleistung ah.

Beim geschlossenen Kreislauf wird Luft oder ein anderes Gas unter höheren Drücken als Atmospärendruck in einem Kreislauf fortlaufend umgewälzt. Meistens wird Wärme von einer äußeren Wärmequelle durch metallische Übertragungswände zugeführt. Die erhitzte Luft oder Gas expandiert in wenigstens einer Turbine und wird in wenigstens einem Verdichter wiederverdichtet, wobei es vorgängig der Verdichtung gekühlt wird. Ein Wärmeaustauscher kann vorgesehen sein, um Wärme von den expandierten Gasen auf die verdichteten Gase zu übertragen. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese beiden Systeme miteinander gekoppelt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Krafterzeugung, bei dem Arbeitsmedium kontinuierlich in einem einen Verdichter, eine Turbine und einen zwischen Verdichter und Turbine angeordneten Wärmeaustauscher enthaltenden Kreislauf umgewälzt wird, erfolgt die Erhitzung des Arbeitsmediums auf seine Endtemperatur vor Eintritt in die Turbine durch Zumischung von Verbrennungsgasen zu dem Arbeitsmedium, welche Verbrennungsgase durch Verbrennen von Brennstoff in durch einen Hilfsverdichter verdichteter Luft erzeugt werden.
Falls erwünscht, kann auch eine Zwischenerhitzung des Arbeitsmediums durch Zumischung von Verbrennungsgasen zu dem Arbeitsmedium erfolgen.
Die erfindungsgemäße Gasturbinenkraftanlage ist dadurch ausgezeichnet, daß heiße Verbrennungsgase an einer zwischen dem Verdichterauslaß und dem Turbineneinlaß gelegenen Stelle in den Kreislauf des Arbeitsmediums eingeleitet werden, welche Verbrennungsgase durch die Verbrennung von Brennstoff in einem durch einen Hilfsverdichter verdichteten Luftstrom gebildet werden. Vorzugsweise werden die heißen Verbrennungsgase an einer zwischen dem Regenerator und Turbineneinlaß gelegenen Stelle in. den Kreislauf eingeleitet. Ferner wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Hilfsverdichter durch eine Hilfsturbine angetrieben, die ihrerseits mittels vom Kreislauf an einer zwischen dem Hauptturbineneinlaß und der Einleitungsstelle der heißen Verbrennungsgase in den Kreislauf gelegenen Stelle abgezapften Arbeitsmediums betrieben wird.
Die Erfindung wirkt sich dahin aus, daß die Vorteile des geschlossenen Kreislaufes hohe Leistung bei kleiner Größe mit denen des offenen Kreislaufes, direkte Wärmezufuhr durch Verbrennung von Brennstoff im Arbeitsmedium, kombiniert werden, indem die durch Verbrennung von Brennstoff in einem vom Arbeitsmediumstrom unabhängigen Luftstrom erzeugten Verbrennungsgase zwecksAufheizung des Arbeitsmediums mit diesem gemischt werden.
An Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels einer Gasturbinenanlage zur Durchführung des Verfahrens wird auch das Verfahren nach der Erfindung beispielsweise erläutert. In dieser Zeichnung zeigt Fig. i ein Schema der Kraftanlage in ihrer Gesamtheit und Fig. 2 bis 4 Temperaturentropiediagramme.
Die mehrstufige Turbine io treibt den mehrstufigen Verdichter i i, wobei Turbine und Verdichter Teile eines Kreislaufsystems bilden, das ferner die Leitungen 12, 13, 14 und 15 und den Wärmeaustauscher 16 miteinschließt. Die Leitung 12, der Raum 17 des Wärmeaustauschers und die Leitung 13 führen Arbeitsmedium vom Turbinenauslaß zum Verdichtereinlaß, und die Leitung 14, der Raum 18 des Wärmeaustauschers und die Leitung 15 führen Arbeitsmedium vom Verdichterauslaß zurück zum Turbineneinlaß.
Die Räume 17 bzw. 18 des Wärmeaustauschers sind durch wärmeleitende Metallwände i9 voneinander getrennt, die Wärme aus dem von der Turbine aus- und in den Verdichter einströmenden Arbeitsmedium an das von letzterem zur Turbine strömende, verdichtete Arbeitsmedium übertragen.
Nach Aufnahme von Abgaswärme durch das vom Verdichter zur Turbine strömende verdichtete Arbeitsmedium wird das verdichtete Arbeitsmedium weiter aufgeheizt und an die Turbine zwecks Expansion abgegeben, um einen Teil ihrer thermischen Energie in nutzbringende mechanische Energie umzuwandeln. Demgemäß weist die Leitung 15 einen Abschnitt 2o von größerem Durchmesser auf, der eine Mischkammer bildet, innerhalb welcher ein Brenner 21 angeordnet ist. Letzterer arbeitet unabhängig vom im Kreislauf zirkulierenden Arbeitsmedium.
Der Brenner 21 besteht aus einem Flammrohr 22, das durch die Düse 23 mit zweckdienlich zerstäubtem Brennstoff und durch die Leitung 24 mit Luft beliefert wird. Die heißen Verbrennungsgase strömen aus Rohr 22 in die Rohrkammer 2o, um sich dort mit dem Kreislaufarbeitsmedium zu vermischen und dadurch die Temperatur des letzteren zu erhöhen. Wie gezeigt, strömen die Verbrennungsgase axial in die Rohrkammer 2o aus; die durch die Leitung 24 gelieferte Luft unterhält allein die Verbrennung des zusammen, mit ihr ausströmenden, zerstäubten Brennstoffes. Die ausströmenden Verbrennungsgase sind somit vom Strom verdichteten Kreislaufmediums eingeschlossen und es findet somit eine sehr wirkungsvolle Beimischung heißer Verbrennungsgase mit dem umgewälzten Kreislaufmedium statt, wodurch die Temperatur des letzteren erhöht wird.
Um Brennstoff und Luft unter geeignetem Druck zu fördern, so daß die Verbrennungsgase den unter dem oberen Kreislaufdruck stehenden Kreislaufmedium zugeführt werden können, ist eine einen Mehrstufenverdichter, bestehend aus den beiden Einheiten 27 und 28, treibende Hilfsturbine 26 und eine Brennstoffpumpe 29 vorgesehen, wobei letztere flüssigen Brennstoff über eine Leitung 30 in die Düse 23 drückt. Wenn möglich, können Verdichtereinheit 28 und Brennstoffpumpe direkt mit der Hilfsturbine 26 anstatt über das Vorgelege 31 Irerbunden averden.
Die Hilfsturbine 26 wird mittels Arbeitsmedium betrieben, das dem Kreislauf über die Abzweigung 32 aus Leitung 15 zwischen 'Mischkammer 20 und Einlaß der Hauptturbine io entnommen wird.

Die Funktion der vorstehend beschriebenen Bestandteile der Anlage kann am besten mit Hilfe des idealisierten Temperaturentropiediagramms der Fig. 2 erklärt werden, in welchem die Linie 1-2 eine isentropische, d. h. reibungslose adiabatische Expansion in der Turbine von der maximal zulässigen Temperatur TH = Ti auf die Temperatur T2 darstellt. Die mit Entropieänderungen behafteten

Wärineabfuhrvorgänge = !.-d bzw. Wärmezufuhr-

vorgünge 5-7-1 sind uni den Betrag der thermischen

Regeneration (Wärmeaustausch) in einem Gegen-

stroinwiirmeatistauscher zwischen den die Zustands-

ändermigett 2-6 1>z«-. 5-7 cliirchlaufenden Arbeits-

reduziert. Der Vorgang 6-4 ent-

spricht rler l#Iiihlung des Kreislaufmediums vor

seinem Hintritt in den Verdichter und der Vorgang

7-1 der b1'ärtneztiftilir infolge Zutnischung von

heißen Verbrennungsgasen. Der oben beschriebene

Kreislauf besitzt einen relativ schlechten thermi-

schen Wirkungsgrad wegen des beschränkten Um-

fanges, in dem Wiedergewinnung der Abwärme

m<iglich ist. Uin den gewünschten Wirkungsgrad

zu erreichen, können Zwischenkühlung und Zwi-

schenerhitzung angewendet werden.

Durch Verwendung einer sehr großen Anzahl

von Zwischenkühlungen und Zwischenerhitzungen,

sofern eilte solche Komplikation wirtschaftlich be-

reclitirt wäre, kannte der wirkliche Prozeß dem

Ericsson-Prozeß weitgehend angenähert werden.

Letzterer weist, wie in Fig. 3 gezeigt, zwei Linien

konstanten Druckes !'i, I' z und zwei Isotliernien

Tfii, T,- auf. Solch ein vollständig regenerativer

Prozeß besitzt den Carnot-Wirkungsgrad für den

zur Verfügung stelieiicleii Temperaturbereich.

E = i - Tc TH stellt den maximal erhältlichen Wir-

kungsgrad in einem solchen Prozeß dar.

Obwohl der maxifinale thermische Wirkungsgrad

nur mit einer unendlich großen Zahl von Zwischen-

erhitztitigen und Zwisclierikühlungen erreichbar ist,

die zu einem Temperaturentropiediagramm nach

Fig.3 führen wiirde, so kann der Wirkungsgrad

dennoch finit eitler einzigen Zwischenerhitzung und

einer einzigen Zwischenkühlung beträchtlich ver-

bessert werden. Dies ist in Fig.4 veranschaulicht,

aus welcher die erweiterte 1lögliclil<eit thermischer

Regeneration und damit einer Reduktion der

Wärmeziiftilir tind -abgabe in Vergleich zu Fig.2

sofort ersichtlich ist.

h1 Fig. i stellt 34 eitle Verbindungsleitung an der

Gasturbine io dar. in welcher der Zwischenerhitzer

angeordnet ist, und welche eine Stufe der Turbine

mit der nachfolgenden Stufe verbindet. Ebenso

weist der \` erdichtet# i i eilte Verbindungsleitung 35

auf, die eilte Stufe finit einer nachfolgenden Stufe

verbindet.

Die Verlünclungsleitung 34 weist einen Abschnitt

20° voll gröi.ierein Durcliniesser auf, der oinenMisch-

rauin bilrlet, in dem der Brenner 21° angeordnet ist.

Letzterer wird über die Leitungen 30° bzw. 24° mit

Brennstoff bzw. I.tift beliefert.

Der in die Leitultg 35 eingebaute Zwischenkühler

36 weist eine Kühlschlange 37 auf.

In die voni Wärnieaustauscher 16 zum Eintritt

des Verdichters ii führende Leitung 13 ist der Vor-

küliler 39 mit der Kühlschlange 4o eingebaut, um

das Arbeitsmedium auf die Ausgangstemperatur zu

kühlen.

Die Turbine io treibt irgendeine Nutzleistungs-

mascliine all, z. I1. den Wechsel- oder Drehstrom-

generator I2, der mit der Turbine direkt gekuppelt

ist. Die '-%Iotore 43, 44 werden zum Inbetriebsetzen der Anlage verwendet.

Die beschriebene Kraftanlage arbeitet wie folgt: Der Hauptteil des Arbeitsmediums strömt in einem Kreislauf um. Das vom Verdichter zum Turbineneinlaß strömende Arbeitsmedium wird durch das entspannte von der Turbine zum Verdichter strömende Arbeitsmedium regenerativ erhitzt. Nach diesem regenerativen Erhitzen wird das verdichtete Arbeitsmedium durch Mischen mit heißen Verbrennungsgasen erhitzt, wobei diese heißen Verbrennungsgase in einem durch die Brennstoffpumpe und den Hilfsverdichter mit Brennstoff bzw. Luft beschickten Brenner erzeugt werden.
Da die Hilfsturbine zum Antrieb des Hilfsverdichters und der Brennstoffpumpe zwecks Lieferung von Luft bzw. Brennstoff an die Brenner mittels des Kreislaufs von dem Hauptturbineneinlaß entnommenen Arbeitsmediums betrieben wird, ist es offensichtlich, daß der Betrieb der Hilfsturbine infolge der gezeigten Anordnung abhängig ist von dem der 1lauptelernente der Anlage. Das durch die Hilfsturbine dein Kreislauf entnommene Arbeitsmedium wird dadurch kompensiert, daß heiße Verbrennungsgase in derselben Menge mittels der Brenner in den Kreislauf eingeführt werden.
Durch Zwischenerhitzen des in der Turbine strömenden Mediums und durch Zwischenkühlung des durch den Verdichter strömenden Mediums wird der effektive Regenerierbereich vergrößert, verglichen mit einer Einrichtung ohne Zwischenerhitzung und Zwischenkühlung, und der Wirkungsgrad verbessert.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Krafterzeugung durch kontinuierliches Umwälzen von Verbrennungsgasen in geschlossenem Kreislauf, in dem ein Verdichter, eine Turbine und zwischen den beiden ein Wärmeaustauscher liegt, der die Turbinenabgaswärme in die zum Betrieb der Turbine bestimmten Gase abzugeben bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Ausgleich des Energieverlustes eine Temperaturerhöhung des zirkulierenden Gases durch Einführen von frischem Verbrennungsgas in den Kreislauf vor Eintritt der Gase in die Hauptturbine (io) vornimmt, die frischen Verbrennungsgase durch Verbrennung von 01 in komprimierter Frischluft gewinnt, die Luft durch einen Hilfsfkompressor (27, 28) komprimiert, den Hilfskompressor (27, 28) durch eine ihre Abgase an, die Atmosphäre abgebende Hilfsturbine antreibt und das Antriebsmittel für die Hilfsturbine aus dem Kreislauf entnimmt, an einer Stelle, die zwischen der Turbine und der Zuführung der Frischverbrennungsgase in den Kreislauf liegt, derart, daß der Hilfskompressor (27, 28) und die Hilfsturbine (26) in einem offenen Kreislauf liegen, der mit dem geschlossenen Kreislauf der Hauptturbine (io) gekuppelt ist.
2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch ge- k;-in-^ichnet, daß ein Teil der erzeugten Frisch- erbrennungsgase unmittelbar der Hauptturbine zugeführt wird.

3. Gasturbinenkraftanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, bestehend aus einem Kompressor (ii), einem Wärmeaustauscher (16) und einer Hauptturbine (io), dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindungsleitung (14, 15) vom Auslaß des Hauptkompressors (i i) zum Einlaß der Hauptturbine (io) eine Leitung (22, 23, 24) für die Zufuhr von Frischluft und eine Leitung (30) zur Zufuhr von Brennstoff einmündet, ein Hilfskompressor (27, 28) vorgesehen ist, dazu bestimmt, zur Verbrennung bestimmte Frischluft in den Kreislauf zu drücken und der Hilfskompressor (27, 28) durch eine in die Atmosphäre abgasende Hilfsturbine (26) angetrieben ist, deren Triebmittel der Kreislaufleitung (15) zwischen dem Einlaß der Hauptturbine (io) und der Zuführung (21) der Frischverbrennungsgase entnommen sind. Kraftanlage nach -@nshruch 3, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Stelle (21) der Zuführung der Frischverbrennungsgase zwischen dem Wärmeaustauscher (16) und der Hauptturbine (10) liegt. 5. Kraftanlage nach Ansprüchen 3 und 4, da- durch gekennzeichnet, daß zwischen aufeinander- folgenden Stufen der Hauptturbine (io) in diese eine zur Zuführung von Frischverbrennungs- gasen bestimmte Leitung (34) mündet. 6. Kraftanlage nach Ansprüchen 3 bis 5, da- durch gekennzeichnet, daß in die Kreislauf- . leitung (i5) eine über eine Leitung (24) mit dem Hilfskompressor (28) verhundeneLuftdüsemün- det, die für die Zuführung von unter Druck be- findlichem Brennstoff ausgerüstet ist. 7. Kraftanlage nach Ansprüchen 3 bis 6, da- durch gekennzeichnet, daß eine Brennstofförder- pumpe (29) vorgesehen ist und deren Förder- elemente mit dem Hilfskompressor (27, 28) ge- kuppelt sind.