DE829967C - Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

• Gasturbinenanlage Gasturbinen normaler Bauart können unter Berücksichtigung einer gewissen Wirtschaftlichkeit bei den bisher zur Anwendung gekommenen Verfahren nach heutigen Kenntnissen nicht mit Leistungen unter 17o bis 200 PS ausgeführt werden. Beste Teilwirkungsgrade von Verdichter und Turbine konnten bisher nur mit Verdichtern axialer Bauart erreicht werden, da in axial durchströmten Verdichtern die Umlenkungsverluste des mehrstufigen Radialverdichters vermieden werden. Mehrstufige axial durchströmte Verdichter, wie sie in Gasturbinenanlagen zur Anwendung kommen, erhalten aber bei kleinen Fördermengen sehr hohe Drehzahlen. Zum Beispiel entspricht unter Zugrundelegung üblicher Verhältnisse von Schaufellänge zutn Raddurchmesser und Spalt einem Ansaugvolumen von i \Tm3/Sek. eine Drehzahl .von 30000 bis 35000 U/min. Die Ausführungsmöglichkeit von Gasturbinen kleiner Leistung wurde dadurch stark eingeschränkt. Da die Drehzahl geometrisch ähnlicher Maschinen dem Kehrwert des Fördervolumens direkt proportional ist, steigt sie mit fallender Leistung und erreicht bei kleinen Leistungen nicht mehr verwirktichbare Werte, da einer Umlaufmenge von i kg Gas/Sek. bereits eine Leistung von 8o bis i5o PS entspricht.
• Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daB eine Möglichkeit zur wirtschaftlichen Verwirklichung von Gasturbinen kleiner Leistung, und zwar sowohl von aerodynamischen wie von Brennkraftturbinen, neben der Verwendung spezifisch leichter Gase als Kreislaufmittel auch darin besteht, den Druckpegel im geschlossenen Kreislauf zu senken. Senkt man bei einem geschlossenen Kreislauf den Druckpegel so weit, daB bei dem gewählten Druckverhältnis der höchste Verdichtungsdruck gleich dem Druck der Umgebung wird, so kann an dieser Stelle der Kreislauf geöffnet werden. In diesem Falle wird die Wärmezufuhr, da sie bei dem gleichen Druck wie dem der -Umgebung erfolgt, auch durch Wärmetauscher und Heizsysteme möglich, deren Anwendung sich bei unter Druck stehender Wärmezufuhr verbietet, wie z. B. durch Ljungströmwärmetauscher o.,dgl. Das Wesen der Erfindung besteht demnach darin, daß bei beiden Turbinenarten der Druck vor dem Eintritt in die Turbine, d. h. am Ende der Brennkammer oder am Ende des an Stelle der Bremikammer verwendeten Erhitzers gleich dem Außendruck wird. Im Fall der aerodynamischen Turbine kann der Kreislauf ganz geschlossen sein bis auf die durch die Konstruktion bedingten Spaltundichtigkeiten im Erhitzer. Im Fall der Brennkraftturbine muß der Kreislauf vor der Brennkammer geöffnet sein, um den notwendigen Sauerstoff zuzuführen, und am Ende der Brennkammer, um den Druck auszugleichen.
• Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, in einer Gasturbinenanlage das Kreislaufmittel bei der Wärmezufuhr durch innere Verbrennung @in einer Brennkammer oder durch äußere Verbrennung in einem Erhitzer durch Öffnen des Kreislaufs vor der Turbine unter den Druck der Umgebung zu stellen. In aller Regel ist als Kreislaufmittel Luft zu verwenden, die erfindungsgemäß in der Brennkammer unter Atmosphärendruck stehen soll. Der tiefste Arbeitsdruck im Kreislauf !wird dabei auf etwa ein Drittel des Außendrucks gesenkt. Dadurch läßt sich die untere Grenzleistung der Anlage ohne Beeinträchtigung des Wirkungsgrades bis auf 6o bis 7o PS herabsetzen. Druckverluste vor dem Eintritt in die Gasturbine, die gegebenenfalls durch die der Brennkammer oder dem Erhitzer vorgeschalteten Leitungen oder durch andere Wärmetauscher oder Gaskühler entstehen, sind dabei durch geeignet angeordnete Verdichter auszugleichen.
• Durch die Erfindung wird es möglich, die Beheizung einer zur Aufheizung der Arbeitsgase dienenden Brennkammer wesentlich zu vereinfachen. Insbesondere kann erfindungsgemäß als Mittel zur Beheizung der Brennkammer oder auch des Erhitzers ein Zyklonbrenner für Kohle u. dgl. mit einem Schlackenabzug .in einfachster Form verwendet werden. Möglich ist es z. B., die Druckausgleichsöffnung am Brennkammerende zugleich zum Schlackenabzug zu verwenden. Vorteilhafterweise ist bei Aufheizung .des Kreislaufmittels in einer Brennkammer mit innerer Verbrennung die Zyklonbrennkammer zur Kühlung und Wärmeübertragung außen mit Rippen oder ähnlichen Bauteilen ausgerüstet und liegt in einem Luftzuführungsgehäuse, :in dem sich die aufzuheizende Luft teilt. Ein Teil strömt durch seitlich im Brennraum vorgesehene Öffnungen in diesen ein, der andere Teil strömt durch die Kühlrippen o. dgl. um den Zyklonbrenner herum, und die beiden Luftströme vereinigen sich nach dem Verlassen des Brennraums und Kühlmantels wieder. Dadurch wird gleichzeitig eine Kühlung der Brennkammer und eine gute Durchwirbelung und ?Mischung der Luft erreicht. Um die Mischung weiter zu verbessern, empfiehlt es sich, die Kühlrippenenden zu einzelnen Taschen zu verbreitern.
• In der Zeichnung ist die Erfindung an Beispielen erläutert, und zwar zeigt Abb. i ein Schema der Gasturbinenanlage, Abb. 2 einen Längsschnitt durch die Anlage, Abb. 3 bis 6 verschiedene Querschnitte durch den Zyklonbrenner.
• In Abb. i sst der Wärmeaustauscher mit i, die Brennkammer bzw. der Erhitzer mit 2, die Turbine mit 3, der Verdichter mit 4 und der Nachkühler mit 5 bezeichnet. Die als Kreislaufmittel benutzte Luft strömt in Pfeilrichtung durch den Wärmeaustauscher i, die Brennkammer 2 und die Turbine 3, von wo sie entspannt, aber noch aufgeheizt als Heizmittel zum Wärmeaustauscher i und von diesem zum Nachkühler 5 geleitet wird. Die gekühlte Luft wird darauf im Verdichter 4 komprimiert und in die freie Atmosphäre ausgestoßen. Die bei geschlossenem Kreislauf vorhandene Rückleitung bei a ist fortgelassen, uni einen Druckausgleich mit der umgebenden Luft zu erreichen und um die bei direkter Beheizung durch eine Brennkammer zur Aufrechterhaltung der Verbrennung notwendige Frischluftzufuhr zu gewährleisten.
• In Abb.2 sind die gleichen Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Brennkammer 2 wird durch einen Zyklonbrenner 6 beheizt, der seitlich mit Brennöffnungen 7 und außen mit Kühlrippen 8 versehen ist und dessen Schlacke durch den Schlackenabfluß 9 abgezogen wird. Die bei E einströmende Luftmenge teilt sich und strömt teilweise durch die Kühlrippen 8, wo sie die Brennkammer 2 kühlt und sich dabei erwärmt, und teilweise durch ,die Brennöffnungen 7 wirbelnd in und durch den Zyklonbrenner 6. Die Luftströme vereinigen sich am Auslaß des Zyklonbrenners und Einlaß der Turbine 3 wieder. Abb. 3 zeigt einen Schnitt in Richtung B-B durch die Brennöffnungen und den Einlaß des Zyklonbrenners 6. Abb. 5 ist ein Schnitt in Richtung C-C durch den Zyklonbrenner 6 und die ihn umgebenden Kühlrippen B. Abb. 6 zeigt im Schnitt in Richtung D-D von Abb.2 den Auslaß des Zyklonbrenners mit den Leitrippen, zwischen denen sich die Luftströme wieder vereinigen.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Gasturbinenanlage, in der dem Kreislaufmittel Wärme durch innere Verbrennung in einer Brennkammer oder durch äußere Verbrennung in einem Erhitzer zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf vor der Turbine geöffnet ist, so daß das Kreislaufmittel bei der Wärmezufuhr unter dem Druck der Umgebung steht.
2. 2. Gasturbinenanlage gemäß Anspruch i, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Zyklonbrenners (6) für Kohle o. dgl. als Mittel zur Beheizung der Brennkammer oder des Erhitzers.
3. 3. Gasturbinenanlage gemäß Anspruch i und 2 mit Aufheizu@ng des Kreislaufmittels in einer Brennkammer mit innerer Verbrennung, dadurch gekennzeichnet, daß der Zyklonbrenner (6) zur Kühlung und Wärmeübertragung außen mit Rippen (8) oder ähnlichen Bauteilen ausgerüstet ist und in einem Luftführungsgehäuse liegt, in dem die aufzuheizende Luft teilweise durch seitlich im Brennraum vorgesehene Öffnungen (7) in Liesen einströmt und zum anderen Teil durch die Kühlrippen (8) u. dgl. um den Zyklonbrenner (6) herumfließt, um sich nach dem Verlassen des Brennraums und Kühlmantels wieder zu vereinigen.
4. 4. Gasturbinenanlage gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrippenenden zu Taschen verbreitert sind.