DE843770C

DE843770C - Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE843770C
Application number: DEP24744D
Authority: DE
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1945-12-22
Filing date: 1948-12-14
Publication date: 1952-07-14
Also published as: US2543677A; FR937775A; CH248930A; GB619114A; ES174674A1

Description

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 von Arbeitsmittel unter Entspannung in mindestens zwei Turbinen entnommen wird und in welchen als Ersatz für die Entnahme durch mindestens einen Verdichter Arbeitsmittel wieder eingeführt wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine einen Verdichter treibende Turbine durch den im Kreislauf umströmenden Teil des Arbeitsmittels und mindestens eine andere, ebenfalls einen Verdichter antreibende Turbine und die Nutzleistungsturbine durch den aus dem Kreislauf entnommenen Teil des Arbeitsmittels beaufschlagt ist.
Die durch den aus dem Kreislauf entnommenen Teil des Arbeitsmittels beaufschlagten Turbinen werden zweckmäßig hintereinandergeschaltet. Es empfiehlt sich, hierbei die einen Verdichter antreibende Turbine vor die Nutzleistungsturbine zu schalten. Zwischen der Verdichterturbine und der Nutzleistungsturbine kann ein Gaserhitzer angeordnet sein, welcher z. B. als Brennkammer ausgebildet ist, in welcher Brennstoff mit Hilfe des im entnommenen Teil des Arbeitsmittels enthaltenen Sauerstoffs verbrannt wird.
Die Erfindung ist nachstehend an Hand von vier in den Fig. i bis 4 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Anlagen nach Fig. 2 und 3 sind grundsätzlich gleich gebaut wie die Anlage nach Fig. i. Die Anlage nach Fig. 2 ist mit gewissen Verfeinerungen ausgerüstet, welche zu einer Verbesserung hinsichtlich Wirkungsgrad, Regelmöglichkeit und Platzbedarf führen. Die Anlage nach Fig. 3 unterscheidet .sich von derjenigen nach Fig. i durch umgekehrte Reihenschaltung der Turbinen, welche von dem aus dem Kreislauf entnommenen Teil des Arbeitsmittels beaufschlagt sind. Die Besonderheit der Anlage nach Fig. 4 besteht darin, daß die Turbine, welche von dem aus dem Kreislauf entnommenen Teil des Arbeitsmittels beaufschlagt ist, einen Kreislaufverdichter treibt, während der die Ersatzluft fördernde Verdichter durch eine Kreislaufturbine betrieben wird. In allen Figuren sind für entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Die durch die Verdichter i und 2 unter Zwischenkühlung im Kühler 3 verdichtete Luft wird zum Teil durch eine Leitung 4 dem Wärmeaustauscher 5 und zum anderen Teil durch eine Leitung 6 dem Wärmeaustauscher 7 zugeführt. Die beiden parallel im Luftstrom liegenden Wärmeaustauscher 5 und 7 kommen als Vorwärmer zur Wirkung, wobei die Verteilung der Luftmengen durch die in den Leitungen 4 und 6 angeordneten Durchflußorgane den Betriebserfordernissen angepaßt werden kann. Die beiden Teilmengen der Luft vereinigen sich in vorgewärmtem Zustand in der Leitung 8, um erneut an der Stelle 9 in zwei Teile aufgeteilt zu werden. Der eine Teil strömt durch die Leitung io in den die Rohre ii des Gaserhitzers 12 umgebenden Raum. In erhitztem Zustand gelangt dann die verdichtete Luft durch die Leitung 13 in die Turbine 14, wo sie unter Entspannung und Abkühlung einen wesentlichen Teil ihrer Energie an den Läufer abgibt. Die entspannte Luft strömt durch die Leitung 15 in den Wärmeaustauscher 5, in welchem sie beim Durchströmen der Rohre 16 die durch die Leitung 4 zugeführte Teilmenge der verdichteten Luft vorwärmt. Nach Austritt aus dem Wärmeaustauscher 5 wird in einem Kühler 17 der entspannten Luft ein weiterer Teil ihrer Restwärme entzogen. Die nunmehr gekühlte Luft strömt durch die Leitung 18 in den Verdichter i zurück, um hier den Kreislauf von neuem zu beginnen.
Dem beschriebenen Luftkreislauf wird an der Stelle 9 ständig eine Teilmenge entnommen und durch die Leitung 19 in den Brennraum 2o des Gaserhitzers 12 geführt. Hier dient sie zur Verbrennung des durch den Brenner 21 zerstäubten Brennstoffs. Das Verbren; nungsgas strömt alsdann durch die Wärmeaustauschrohre ii, wobei die im Kreislauf umströmende Luft erhitzt wird. Nach der Abgabe eines Teils seinerWärme strömt das Verbrennungsgas durch die Leitung 22 in die Turbine 23 und nach abermaliger Erhitzung im Gaserhitzer 24 in die Turbine 25. Der Gaserhitzer 24 ist als Brennkammer ausgebildet, in welcher der durch den Brenner 26 zugeführte Brennstoff mit Hilfe des im Verbrennungsgas des Gaserhitzers 12 immer noch enthaltenen Sauerstoffs verbrannt wird. Das in der Turbine 25 entspannte Gas strömt schließlich durch die Leitung 27 in den Wärmeaustauscher 7, wo beim Durchströmen durch dessen Rohre 28 ein Teil seiner Restwärme an die durch die Leitung 6 zugeführte Teilmenge der verdichteten Luft des Kreislaufs übertragen wird. Nach Verlassen des Wärmeaustauschers 7 strömt das Verbrennungsgas durch die Leitung 29 in weitere, nicht gezeichnete Verbrauchsstellen, z. B. in Abwärmeverwerter, oder unmittelbar ins Freie.
Als Ersatz für den dem Kreislauf an der Stelle 9 entnommenen Teil des Arbeitsmittels wird durch den Verdichter 3o Luft aus der Atmosphäre entnommen, verdichtet und durch die Leitung 31 in die den Wärmeaustauscher 5 mit dem Kühler 17 verbindende Leitung 32 des Kreislaufs eingeführt. Beim Betrieb mit normaler Last wird durch den Verdichter 3o die Luft etwa auf 3 atü verdichtet, mit welchem Druck sie dem Niederdruckverdichter i zuströmt. Am Austritt aus dem Hochdruckverdichter ist die Luft des Kreislaufs auf, einen Enddruck von ungefähr 12 atü verdichtet. Mit diesem Druck strömt die Luft nach Erhitzung im Wärmeaustauscher 12 in die Turbine 14, 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 der Turbine 23 das Verdichtungsverhältnis des Verdichters 30 verändert. Bei Leerlauf wird er die Luft ungefähr auf 0,2 atü verdichten, bei höchster Überlast ungefähr auf 3,5 atü. Die Höchstdrücke im Kreislauf stellen sich dann am Austritt des Verdichters 2 auf 3 bzw. 16 atü. Das Verdichtungsverhältnis im Kreislauf wird somit bei Veränderung der Leistung ebenso 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 Wirkungsgrade verzichtet werden, so kann die Leistung der Anlage noch weiter erhöht werden, indem der Druck der Ersatzluft schon bei Normallast z. B. auf 4 bis 5 atü erhöht wird.
Der höchste Druck im Kreislauf bei Normallast wird dann ebenso über 12 atü, z. B. auf 2o atü oder noch höher, ansteigen.
Die durch die Luft des Kreislaufs beaufschlagte Turbine 14 treibt die Kreislaufverdichter i und 2. Mit der aus den Verdichtern i, 2 und der Turbine 14 bestehenden Maschinengruppe ist noch eine elektrische Hilfsmaschine 33 gekuppelt, 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 14 herangezogen werden kann, Die durch das Verbrennungsgas zuerst beaufschlagte Turbine 23 treibt den die Ersatzluft in den Kreislauf einführenden Verdichter 30. Schließlich treibt die Nutzleistungsturbine 25 über das Getriebe 34 die als Verstellpropeller ausgebildete Schiffsschraube 35.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zur Zuführung von Ersatzluft in den Kreislauf zwei Verdichter 36 und 37 verwendet. Zwischen den Verdichtern wird der zum Teil verdichteten Luft in einem Kühler 38 mindestens ein Teil der Verdichtungswärme entzogen. Auf diese `''eise kann das Druckniveau des Kreislaufs wesentlich erhöht werden. Der Druck, der durch die Leitung 31 in den Kreislauf eingeführten Luft kann z. B. 5 atü und noch mehrbetragen, während der höchste Druck am Austritt aus dem Kreislaufverdichter 2 etwa 20 atü und mehr beträgt. Die Leistung der Anlage läßt sich so in einem größeren Bereich verändern. Es ist z. B. möglich, bei guten Wirkungsgraden eine t`berlast zu erreichen, die bis achtmal größer als die Normallast ist.
Eine weitere Verbesserung wird dadurch erreicht, daß die im Wä rmeaustauscher 7 vorgewärmte Luft durch die Leitung 39 einer Stelle des Wärmeaustauschers 5 zugeführt wird., an welcher die gleiche Temperatur herrscht wie am Austritt aus dem Wärmeaustauscher 7. Auf diese Art ist es möglich, sowohl den durch die Leitung 4 als auch den durch die Leitung 6 strömenden Teil der Kreislaufluft auf gleich hohe Temperatur vorzuwärmen und damit ein Höchstmaß von Abwärme wieder zurückzugewinnen. Anlagen nach Fig. 2 eignen sich besonders für Fälle, wo große Leistungen in eng begrenzten Räumen untergebracht und gute Wirkungsgrade erreicht werden müssen, z. B. zum Antrieb von Schiffen, insbesondere von Kriegsschiffen.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird zuerst die Nutzleistungsturbine 25 durch das Verbrennungsgas des Gaserhitzers 12 und erst anschließend daran die Verdichterturbine 23 beaufschlagt. Es kann auf diese Weise in bestimmten Fällen eine Vereinfachung der Regelung erzielt «erden. Ebenso kann auch auf eine Zwischenerhitzung des Verbrennungsgases zwischen den beiden Turbinen verzichtet werden.
Es können auch wie bei der in Fig. 4 dargestellten Anlage der im Kreislauf befindliche Niederdruckverdichter i, der die Ersatzluft fördernde Verdichter 30, die Kreislaufturbine 14 und die elektrische Hilfsmaschine 33 zu einer Gruppe vereinigt sein. Der Hochdruckverdichter 2 des Kreislaufs wird dann von der Turbine 23 getrieben, welche durch das Verbrennungsgas des Gaserhitzers 2o beaufschlagt ist. Durch diese Schaltung kann in bestimmten Fällen eine bessere Elastizität der Regelung erreicht werden, weil der Betrieb des Hochdruckverdichters 2 sich auf diese Weise rascher beeinflussen läßt, als wenn er durch eine Kreislaufturbine angetrieben wäre.
Wenn auf die Hinzufügung einer Rückwärtsturbine für Schiffsantriebsanlagen verzichtet wird, kann an Stelle eines V erstellpropellers auch ein Umkehrgetriebe, z. B. ein Flüssigkeitsgetriebe oder ein Zahnradgetriebe oder ein kombiniertes Getriebe mit Flüssigkeitskupplungen und Zahnradübertragung, Verwendung finden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE. i. 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 von Arbeitsmittel unter Entspannung in mindestens zwei Turbinen entnommen wird und in welchen als Ersatz für die Entnahme durch mindestens einen Verdichter Arbeitsmittel wieder eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine einen Verdichter treibende Turbine durch den im Kreislauf umströmenden Teil des Arbeitsmittels und mindestens eine andere, ebenfalls einen Verdichter antreibende Turbine und die Nutzleistungsturbine durch den aus dem Kreislauf entnommenen Teil des Arbeitsmittels beaufschlagt ist.
2. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den aus dem Kreislauf entnommenen Teil des Arbeitsmittels beaufschlagten Turbinen hintereinandergeschaltet sind.
3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Verdichter antreibende Turbine vor die Nutzleistungsturbine geschaltet ist.
4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daßzwischen der Verdichterturbine und der Nutzleistungsturbine ein Gaserhitzer angeordnet ist.
5. Gasturbinenanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaserhitzer als Brennkammer ausgebildet ist, in welcher Brennstoff mit Hilfe des im entnommenen Teil des Arbeitsmittels enthaltenen Sauerstoffs verbrannt wird.
6. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den entnommenen Teil des Arbeitsmittels beaufschlagte, zum Antrieb eines Verdichters bestimmte Turbine den die Ersatzmenge in den Kreislauf einführenden Verdichter antreibt.