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Gasturbinenanlage Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage,
bei der ein Teil des Arbeitsmittels unter Verdichtung in mindestens einem Verdichter
und Entspannung in mindestens einer Turbine in einem Kreislauf umströmt, aus welchem
ständig eine Teilmenge entnommen und in mindestens einer Turbine entspannt wird
und in welchen als Ersatz für die Entnahme durch mindestens einen Verdichter Luft
wieder eingeführt wird, insbesondere zum Antrieb von Schiffen. Die Erfindung ist
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kreislaufverdichter durch eine Turbine
allein getrieben wird, welche durch den aus dem Kreislauf entnommenen Teil des Arbeitsmittels
beaufschlagt ist.
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Die den Kreislaufverdichter treibende, durch den entnommenen Teil
des Arbeitsmittels beaufschlagte Turbine kann einer Turbine vorgeschaltet sein,
welche die Nutzleistung- erzeugt. Der Kreislaufverdichter kann auch unmittelbar
durch eine Turbine getrieben werden, welche die Nutzleistung ganz oder teilweise
erzeugt. Im ersten Fall kann in der Leitung zwischen den beiden hintereinandergeschalteten
Turbinen ein Gaserhitzer angeordnet sein. Im letzteren Fall kann die zugleich den
Kreislaufverdichter treibende Nutzleistungsturbine in zwei Entspannungsabschnitte
aufgeteilt sein, zwischen denen das Arbeitsmittel in einem Gaserhitzer erhitzt wird.
Hierbei können die beiden Entspannungsabschnitte der Nutzleistungsturbine in separaten
Gehäusen untergebracht sein, in deren Verbindungsleitung ein Gasverdichter angeordnet
ist.
Zwei Ausführungsbeispiele des Erhndungsgegen-:taiidesind in
der Zeichnung in Fig. i und 2 dar-"estellt.
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Die durch die Verdichter i und 2 (Fig. i und 2) unter Zwischenkühlung
im Kühler 3 verdichtete Luft wird durch die Leitung ,4 zum einen Teil dein \\'ä
rmeaustauscher 5 und zum andern Teil dem \\':irnieatistausclier 6 zugeführt. Die
beiden parallel in Luftstrom liegenden Wärmeaustauscher kominen als Vorwärmer zur
Wirkung. Die Verteilung der Luft auf die beiden Wärmeaustauscher wird durch nicht
gezeichnete Durchflußorgane den Betriebserfordernissen angepaE3t. Die beiden Teilinengen
vereinigen sich in vorgewärmtem Zustand in der Leitung;, um erneut an der Stelle
8 in zwei Teile aufgeteilt zu werden. Der eine Teil strömt durch die Leitung 9 in
den die Rohre io des Lufterliitzers i i umgebenden Raum. In erhitztem Zustand gelangt
dann die verdichtete Luft durch die Leitung 12 in die Turbine 13, wo sie unter Entsliaiinting
und Abkühlung einen wesentlichen Teil ihrer Energie an den Läufer abgibt. Die entspannte
Luft str<imt durch die Leitung 14 in den Wärmeaustauscher 5, in welchem sie beim
Durchströmen vier Rohre 15 den durch den Wärmeaustauscher 5 strömenden Teil der
verdichteten Luft vorwärmt.
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ach Austritt aus dem Wärmeaustauscher 5 gelangt die Luft durch eine
Leitung 16 in den Kühler 17, in welchem ein weiterer Teil ihrer Restwärme entzogen
wird. Anschließend strömt die Luft durch il ie Leitung 18 in den Verdichter i zurück,
um hier den beschriebenen Kreislauf von neuem zu beginnen.
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Dem Luftkreislauf wird an der Stelle 8 ständig eine Teilmenge entnommen
und durch die Leitung 19 in den Brennraum 2o des Lufterhitzers i i geführt. hier
dient sie zur Verbrennung des durch den Brenner 21 zerstäubten Brennstoffs. Das
Geinisch aus Luft und Verbrennungsgas strömt alsdann durch die Wä rmeaustauschrohre
io, wobei die un Kreislauf umströmende Luft erhitzt wird. Nach dein Austausch eines
Teiles seiner Wärme strömt (las Gasgemisch durch die Leitung 22 zur Erzeu--ung mechanischer
Leistung in mindestens eine Turbine. Hernach gelangt das Gemisch in entspanntem
Zustand durch die Leitung 23 in den \\'iirnieatistausclier 6, wo beim Durchströmen
durch dessen Rohre 24 ein Teil seiner Restwärme an den dein \\'ärnieaüstausclier
6 zugeführten Teil der verdichteten Luft des Kreislaufs übertragen wird. Durch die
Leitung 25 strömt das Gasgemisch scliliel.ilicli an weitere nicht gezeichnete Verbrauchsstellen,
z. B. in Abwärmeverwerter oder unmittelbar ins Freie.
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Zum Ersatz für den dem Kreislauf an der Stelle 8 entnornimenen Teil
der Luft wird durch den Ver-@lichter 26 aus der Atmosphäre Luft entnommen, verdichtet
und durch die Leitung 27 in die Leitung 16 des Kreislaufs eingeführt. Beim Betrieb
finit normaler Last wird durch den Verdichter 26 die Luft etwa auf 3 atü verdichtet,
mit welchem Druck sie dem Niederdruckverdichter i zuströmt. Am .Austritt aus dem
Hochdruckverdichter 2 ist die Luft des Kreislaufs auf einen Enddruck von ungefähr
12 atü verdichtet. Mit diesem Druck strömt die Luft in die Turbine 13, um unter
Arbeitsleistung wieder auf den ursprünglichen Druck von ungefähr 3 atü entspannt
zu werden. Zur Veränderung der Leistung wird beispielsweise durch Verändern der
Drehzahl des Verdichters 26 oder durch Einstellen seines Leitapparates oder einer
Drosseleinrichtung der Verdichtungsenddruck in der Leitung 27 verändert. Bei Leerlauf
wird der Verdichter 26 die Luft ungefiihr auf 0,2 atü verdichten, bei höchster Überlast
ungefähr auf 3,5 atü. Die Höchstdrücke im Kreislauf stellest sich am Austritt des
Verdichters 2 auf 3 IM- 16 atü. Das Verdichtungverhältnis im Kreislauf wird somit
bei Veränderung der Leistung ebenfalls verändert, und zwar ist es bei niedriger
Leistung wesentlich kleiner als bei großer Leistung. Durch die Veränderung des Verdichtungsverhältnisses
im Kreislauf läßt sich der Regelbereich ohne Inkaufnahme wirtschaftlicher Nachteile
bedeutend erweitern. Kann auf besonders hohe VN'irkungsgrade verzichtet werden,
so kann die Leistung der Anlage noch weiter erhöht werden, indem der Druck der 1?rsatzluft
schon bei Normallast z. B. auf 4 bis 5 atü erhöht wird. Der höchste Druck im Kreislauf
bei Normallast wird dann ebenso über 12 atii, z. 1i. auf 2o atü oder noch höher
ansteigen.
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Die durch die Luft des Kreislaufs beaufschlagte Turbine 13 treibt
den Kreislaufverdichter i und den die Ersatzluft in den Kreislauf einführenden Verdichter
26. -Mit der aus den Maschinen 1, 13 und 26 bestehenden Gruppe kann noch eine elektrische
Hilfsmaschine 28 gekuppelt sein, welche nach Bedarf als Motor oder als Generator
zur Wirkung kommen und so zum Anlassen der Anlage und zum Ausgleich eines Leistungsmangels
oder eines Leistungsüberschusses an der Turbine 13 herangezogen werden kann.
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Der Kreislaufverdichter 2 (Fig. i und 2) wird durch eine Turbine getrieben,
welche durch den aus dem Kreislauf entnommenen Teil des Arbeitsmittels beaufschlagt
ist. Bei der in Fig. i gezeigten Gasturbinenanlage strömt das Gasgemisch des Lufterhitzers
i i durch die Leitung 22 in eine Hochdruckturbine 29, welche mit dein Verdichter
2 mechanisch gekuppelt ist. Nach teilweiser Entspannung des Gasgemisches in dieser
Turbine erfolgt in einem Gaserhitzer 30 eine Zwischenerhitzung. Das Gasgemisch
enthält noch genügend Sauerstoff, um den durch den Brenner 31 zerstäubten Brennstoff
vollständig zu verbrennen und dadurch die Temperatur des Gasgemisches unmittelbar
zu erhöhen. Das so erhitzte Gasgemisch gelangt dann in die Turbine 32 weiter, in
welcher es auf den Enddruck entspannt wird. Die Turbine 32 erzeugt die Nutzleistung,
sie treibt über das Getriebe 33 und die Welle 34 eine als Verstellpropeller ausgebildete
Schiffsschraube 35.
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Bei der Gasturbinenanlage nach Fig.2 strömt das Gasgemisch aus dem
Gaserhitzer i i in eine Turbine 36, die einerseits mit dem Kreislaufverdichter 2
und andererseits finit der als Wendepropeller
aasgebildeten @cliittsscliratll>e
33 über das Getriebe 33 tilld die Welle 34 mechanisch gekuppelt ist. Nach Entspannung
in der Turbine 36 gelangt (las Gasgemisch in die Leitung 23.
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Die Turb lle 36 kÖrllte gegebenenfalls in zwei 1?iitspannunr;s2tl)sclniitte
aufgeteilt sein, zwischen (leiten (las Gasgemisch in einem Gaserhitzer hochmal:
erhitzt wird. hierbei kiinnten die beiden Ftitspannungsahschnitte in separaten Gehäusen
unter-,fel>racht sein, wobei die Rotoren mechanisch miteinander gekuppelt sind.
In der Verbindungsleitung der beiden Gehäuse tv:ire dann ein Gaserhitzer eingebaut.
Die Turbilie 36 erzeugt zweckin;il.fig die volle Nutzleistung. In Ausnahmefällen
k(,)niite aber auch eine weitere Nutzleistungsturbine z. 1). in den Kreislauf eingeschaltet
sein.