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Verfahren zum Betrieb von Gasturbinenanlagen und Vorrichtung zur Ausführung
des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb von Gasturbinenanlagen,
,bei welchen die zum Antrieb des Verdichters dienende Turbine durch Arbeitsmittel
beaufschlagt ist, welches in einem Kreislauf umströmt und die zur Erzeugung der
Nutzleistung dienende Turbine durch Arbeitsmittel, welches aus dem Kreislauf abgeführt
wird und auf eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage so betreiben
zu können, daß sie einerseits bei normaler Belastung mit höchstem Wirkungsgrad arbeitet,
anderseits bei noch annehmbaren Wirkungsgraden ein Mehrfaches dieser Normalleistung
erzeugen kann. Diese Aufgabe ergibt sich insbesondere beim Betrieb von Kriegsschiffen.
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Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung wird die aufgezeichnete Aufgabe
dadurch gelöst, daß die aus der Anlage abzuführende Arbeitsmittelmenge bei normaler
Belastung durch einen Wärmeaustauscher, bei erhöhter Belastung aber durch eine der
Nutzleistungsturbine nachgeschaltete Abgasturbine aus der Anlage abgeführt wird.
Zur Ausführung dieses Verfahrens wird die Gasturbinenanlage mit einem Wärmeaustauscher,
einer der Nutzleistungsturbine nachgeschalteten Abgasturbine und einer in der Leitung
von der Nutzleistungsturbine zur Abgasturbine angeordneten Umschaltvorrichtung ausgerüstet,
mit Hilfe welcher bei normaler Leistung die Abgase der Nutzleistungsturbine dem
Wärmeaustauscher und bei erhöhter Leistung der Abgasturbine zugeführt werden können.
Es empfiehlt sich, durch den Wärmeaustauscher die für den Gaserhitzer der Anlage
bestimmte Verbrennungsluft vorzuwärmen `und durch die Abgasturbine einen Verdichter
anzutreiben, welcher bei
der erhöhten Nutzleistung das als Ersatz
für das entnommene Arbeitsmittel dem Kreislauf zuzuführende frische Arbeitsmittel
mit erhöhtem Druck dem Arbeitsmittelkreislauf der Anlage zuführt.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist nachstehend an Hand des in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zur Ausführung des
Verfahrens beispielsweise erläutert.
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Der Verdichter i verdichtet das aus der Leitung 2 zuströmende Arbeitsmittel,
wobei im Kühler 3 eine Zwischenkühlung erfolgt und fördert es in verdichtetem Zustand
teilweise durch eine Leitung .4 in einen Wärmeaustauscher 5 und teilweise durch
eine Leitung 6 in den Wärmeaustauscher 7. Das im Wärmeaustauscher 5 vorgewiirinte
Arbeitsmittel strömt durch die Leitung 8 in den (las Rohrsystem 9 des Gaserhitzers
io umgebenden Raum. Das erhitzte Arbeitsmittel strömt dann durch die Leitung i i
in die Turbine 12 weiter und gelangt nach Entspannung durch die Leitung 13 in (las
Rohrsystem 14 des Wärmeaustauschers 5. 1f ier wird ein Teil der im entspannten Arbeitsmittel
noch enthaltenen Wärme an das durch die Leitung 4 aus dem Verdichter i ankommende
Arbeitsmittel übertragen. In einem Kühler 15 wird ein weiterer Teil der Restwärme
dem Arbeitsmittel entzogen. Nach dieser Rückkühlung gelangt das Arbeitsmittel durch
die Leitung 2 wieder in den Verdichter i, wo es den beschriebenen Kreislauf an neuem
beginnt.
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Der durch die Leitung 6 dem Kreislauf entzogene Teil des Arbeitsmittels
gelangt durch den Wärmeaustauscher 7,und die Leitung 16 als Verbrennungsluft zum
Brenner 17 des Gaserhitzers io. Die Verbrennungsgase strömen durch dasRohrsystemg
und geben dabei einen Teil ihrer Wärme an das aus der 1_eitung 5 ankommende Arbeitsmittel
al). Mit verminderter Temperatur strömt das Verbrennungsgas durch dieLeitung 18
in die Nutzleistungsturbine i9. Die Abgasleitung 2o der Nutzleistungsturbine besitzt
eine aus zwei Durchflußorganen 21 und 22 bestehende Umschaltvorrichtung, mit deren
Hilfe (las Abgas der Nutzleistungsturbine i9 nach Bedarf das eine Mal dem Wärmeaustauscher
7 und das andere Mal der Abgasturbine 23 zugeführt werden kann. Das Abgas der Nutzleistungsturbitie
i9 strömt dann entweder durch den das Rohrsystem 24 umgebenden Raum oder durch die
Abgasturbine 23 in die Ableitung 25.
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Als Ersatz für das dem Kreislauf entnommene Arbeitsmittel wird durch
die Leitung 26 Luft der Anlage zugeführt. Diese Luft kann je nach der Einstellung
der aus den Durchflußorganen 27 und 28 bestehenden Umschaltvorrichtungen entweder
durch die Leitung 29 unmittelbar aus der Atmosphäre bezogen werden oder durch die
Leitung 30 in vorverdichtetem Zustand durch den Verdichter 31 zugeführt werden.
Der Verdichter 31 erhält die Luft seinerseits durch die Leitung 32 aus der Atmosphäre.
Während der Verdichtung dieser Luft findet in einem Kühler 33 eine Zwischenkühlung
statt.
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Die durch reine Luft beaufschlagte Turbine 12 treibt den Kreislaufverdichter
i. Mit dem aus der Turbine 12 und dem Verdichter i bestehenden Aggregat ist außerdem
eine elektrische Maschine 34. gekuppelt, mit deren Hilfe die Anlage in Betrieb gesetzt,
während des Betriebes ein Energiemangel ersetzt oder überschüssige Energie abgeführt
werden kann. Die Leistung der Nutzleistungsturbine i9 wird über das Getriebe 35
und die Welle 36 auf den Schiffspropeller 37 übertragen. Durch die Abgasturbine
23 wird der Verdichter 31 angetrieben.
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Die dargestellte Anlage eignet sich besonders zum Antrieb von Kriegsschiffen.
Die einzelnen Maschinen und Wärmeaustauscber sind so ausgelegt, daß bei einer für
die Marschfafrt bestimmten Leistung ein höchster Wirkungsgrad erzielt wird. Die
aus den Durchflußorganen 21, 22, 27 und 28 bestehenden Umschaltvorrichtungen sind
dann so wie in derZeichnung gezeigt eingestellt. DieAbgase der Nutzleistungsturbine
i9 strömen durch den das Rohrsystem 24 umgebenden Raum des Wärmeaustauschers 7 in
die Abgasleitung 25. Dadurch wird die für den Gaserhitzer io hestimmte Verbrennungsluft
vorgewärmt und damit die Restwärme des aus der Anlage abströmenden Arbeitsmittels
weitgehend wieder zurückgewonnen. Die zum Ersatz für dieses abgeführte Arbeitsmittel
in den Kreislauf frisch einzuführende Luft wird unmittelbar aus der Atmosphäre durch
die Leitungen 29 und 26 in die Anlage eingeführt. Die Anlage arbeitet so mit niedrigem
Druckniveau des Kreislaufes, für welches die Schaufelform und die Durchgangsquerschnitte
der Strömungsmaschinen ausgelegt sind; wodurch ein höchster Wirkungsgrad sichergestellt
ist.
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Zur Er@h<,hung der Leistung werden die Durchflußorgane 22 und 28
geöffnet und dann die Durchflußorgane 2i und 27 geschlossen. Die Abgase der Nutzleistungsturbine
i9 strömen somit durch die Abgasturbine 23 in die Abgasleitung 25. Die Abgasturbine
treibt den Verdichter 31, welcher- durch die Leitung 32 Luft aus der Atmosphäre
ansaugt und diese in mehr oder weniger stark verdichtetem Zustand durch die Leitung
30 über das geöffnete Durchflußorgan 28 in den Kreislauf einführt. Auf diese
Weise lä.Bt sich die Nutzleistung der Anlage auf ein Mehrfaches, z. B. auf den fünf-
bis zehnfachen Wert, steigern, wobei noch annehmbare Wirkungsgrade erzielt werden
können. Mit der gezeigten Anlage läßt sich bei Normallast ein Wirkungsgrad bis etwa
28%, bei Vollast, mit der achtfachen Normalleistung, noch von ungefähr 26% erreichen.