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Gasturbinenanlage mit teilgeschlossenem Kreislauf Eine Gasturbinenanlage
kann grundsätzlich nach dem offenen oder nach dem geschlossenen Prinzip arbeiten.
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Bei der offenen Anordnung wird die Arbeitsluft aus der Atmosphäre
angesaugt, im Kompressor verdichtet und in die Brennkammer geführt, wo die Erwärmung
stattfindet. Die heißen Gase gelangen in die Turbine zur Entspannung und werden
von hier in die Atmosphäre abgelassen.
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Beim geschlossenen Prozeß wird das Arbeitsgas, das meistens reine
Luft ist, verdichtet und in den Kessel gedrückt, wo es durch Heizflächen erwärmt,
in der Turbine entspannt und, vor dem Wiedereintritt in den Verdichter, mit Wasser
gekühlt wird. Der geschlossene Kreislauf braucht bekanntlich große Kühlflächen und
große Kühlwassermengen.
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Der wesentlichste Vorteil des offenen Prozesses ist, daß er weder
Heiz- noch Kühlflächen, noch Kühlmittel braucht, während beim geschlossenen Prozeß
feste Brennstoffe verwendet werden können und die Arbeitsluft durch die VerbrennungsrÜckstände
nicht verschmutzt werden kann.
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Beim geschlossenen Prozeß besteht die Möglichkeit der Gleichdruckregelung.
Beider Gleichdruckregelung wird die Temperatur vor der Turbine bei allen Belastungen
konstant gehalten, und man läßt die umlaufende Menge und dadurch den sogenannten
Druckpegel schwanken, indem z. B.. durch einen Zusatzverdichter oder aus einem Druckbehälter
bei zunehmender Belastung mehr Luft in den Kreislauf hineingepumpt und bei abnehmender
Belastung abgelassen wird.
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Abgesehen von diesem Zusatzverdichter besteht also sowohl beim offenen
wie beim geschlossenen Prozeß im wesentlichen der rotierende Teil aus dem Verdichter,
der Turbine und dem Generator, der
die Nutzleistung abgibt. Diese
drei Maschinen sitzen im Prinzip auf einer Welle und laufen bei Drehstromerzeugung
zwangsweise bei einer konstanten Drehzahl, so daß auch das Druckverhältnis und bei
einer gegebenen Temperatur vor der Turbine das thermische Gefälle bestimmt ist.
Nutzgefälle mal Menge gibt die Nutzleistung.
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Da bei Druckpegelsteigerung die sekundlich umlaufende Menge zunimmt,
hat man die Möglichkeit, aus einer Maschine von gegebener Abmessung der Druckpegelzunahme
proportional mehr Leistung zu bekommen oder bei gegebener Leistung die Abmessungen
des rotierenden Teiles zu verringern.
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Aus dem Gesagten geht hervor, daß sowohl der offene als der geschlossene
Prozeß gewisse Vorteile hat, die dem andern abgehen. Es sind aber auch verschiedene
Kombinationen vom offenen mit dem geschlossenen Prozeß bekanntgeworden, welche jede
einen Teil der Vorteile zu verwirklichen gestattet. So ist eine Kombination bekannt,
bei welcher der Hauptkreislauf geschlossen ist, also die Wärme über Heiz- und Kühlflächen
zu- und abgeführt wird,, so daß in diesem Teil nur reine Luft umläuft. Der Druckpegel
im ganzen System ist höher als der Atmosphärendruck, also auch am Austritt der Turbine,
so daß ein Teil der Abluft abgezapft und als Brennluft in die Kesselfeuerung gesandt
werden kann. Die Abgase aus der Überdruckfeuerung gelangen in die Zusatzturbine,
die den Zusatzverdichter antreibt und im Beharrungszustand dem Kreisprozeß so viel
Frischluft zuführt, als für die Verbrennung angezapft wurde. Diese Ladegruppe läuft
mit variabler Drehzahl und gestattet, den Druckpegel der augenblicklichen Belastung
anzupassen. Im Gegensatz zum Hauptkreislauf hat die Ladeturbine keine reine Luft,
aber, was wesentlicher ist, man muß bei dieser Anordnung die Wärmemengen durch große
und teure Flächen zu-bzw. abführen.
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Eine andere kombinierte Lösung verzichtet auf reine Luft im Hauptkreislauf,
hat aber dafür keinen Heizkessel, sondern nur eine einfache und billige Brennkammer.
Sie strebt ebenfalls eine Gleichdruckregelung an und hat also auch eine Zusatzladegruppe
mit variabler Drehzahl. Dabei sollen die umlaufenden Gase die Temperatur in der
Brennkammer auf den zulässigen Wert herabdrücken. Im Gegensatz zu der obengenannten
Lösung wird die eigentliche Verbrennungsluft von der Ladegruppe direkt von außen
angesaugt. Die gesamten Abgase det Brennkammer treten in die Hauptturbine, die den
Umlaufverdichter und den Nutzgenerator treibt bzw. die Nutzleistung abgibt. Am Austritt
dieser Turbine wird ein Teil der Abgase, die mit Überdruck austreten, abgezapft
und zur Hilfsturbine geführt, die den Brennluftverdichter antreibt. Bei Belastungszunahme
soll mehr Brennstoff 'in die Brennkammer eingespritzt werden, was eine Drucksteigerung
ergibt, die die Nutzturbine und die Ladeturbine rascher treiben sollen.
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Es treten gegenüber dieser Anordnung einige Bedenken auf. Erstens
ist es fraglich, ob selbst im Beharrungszustand die Ladeturbine mit ihrem gegenüber
dem Ladeverdichter kleinen Druckgefälle in der Lage ist, die nötige Antriebsleistung
zu liefern. Zweitens ist zu befürchten, daß beim Belastungsstoß die verfügbare Brennluftmenge
zu einer vollkommenen Verbrennung nicht ausreicht, und drittens ist die Gefahr groß,
daß bei der . Drucksteigerung in der Brennkammer die Verdichter, die vorläufig noch
nicht beschleunigt wurden, nicht in der Lage sind, gegen diese Drucksteigerung aufzukommen,
und pumpen werden. Im Falle die Anlage Drehstrom liefern soll, darf die Hauptgruppe
überhaupt nicht beschleunigt werden, was ebenfalls im Widerspruch mit der Regelung
steht. Unter Umständen bekommt man von der Nutzturbine wohl mehr Leistung, ohne
daß sich die Ladeturbine beschleunigt und entsprechend dem Brennstoff mehr Verbrennungsluft
liefert. Die Folge ist ein Steigen der Temperatur vor der Hauptturbine oder also
ein Sinken der Temperatur bei Teillasten, was auf Kosten des Teillastwirkungsgrades
geht und zu vermeiden ist.
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Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage, die alle diese erwähnten
Nachteile vermeidet. Diese Gasturbinenanlage besteht im wesentlichen aus einer mit
Leistungsregler versehenen N utzleistungsgasturbine mit von ihr gleichzeitig angetriebenem
Verdichter mit im Kreislauf geführtem Treibmittel und aus einer Ladegruppe mit Gasturbine
und Verdichter zur Lieferung der Verbrennungsluft und Anpassung des Druckpegels
im System an die Belastung, wobei im Beharrungszustand das "Treibgas der Turbine
der Ladegruppe aus einer gemeinschaftlichen Hauptbrennkammer vor der Nutzleistungsturbine
entnommen wird. Eine kleinere Zusatzbrennkammer führt jedoch bei Belastungszunahme
eine Zusatzgasmenge der Turbine der Ladegruppe zu, während bei Entlastung der Gasstrom
zu dieser Turbine gedrosselt und der Überschuß ins Freie abgelassen wird.
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Man ist dabei von der Überlegung ausgegangen, daß zuerst und rasch
die nötige Verbrennungsluft zu beschaffen ist, um bei guter Verbrennung der Hauptgruppe
mehr Energie zuführen zu können. Es ist aber widersinnig, in diesem Augenblick,
wo von außen schon mehr Energie verlangt wird, als die Hauptbrennkammer liefert,
die Hauptgruppe noch mehr zu belasten, um die Ladegruppe elektrisch zu beschleunigen
oder ihr Treibgas zu entziehen, um es der Ladegruppe zuzuführen. Aus diesem Grunde
wird eine kleinere Zusatzbrennkammer angeordnet, die in der Lage ist, nur für die
Ladegruppe in diesem Augenblick die Mehrenergie durch Zusatzbrennstoff zu liefern.
Damit die Verbrennungsluft für die Zusatzbrennkammer sofort zur Verfügung steht,
wird sie mit Vorteil einem Druckluftbehälter entnommen. Um die Luftmenge klein zu
halten und doch das nötige Volumen und die zulässige Temperatur zu halten, wird
zugleich Wasser eingespritzt.
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An Hand der schematisch gehaltenen Zeichnung sei die Erfindung in
einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert.
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Die Brennkammer a, die Hauptturbine b, der Verdichter
c, der Kühler d, der Rekuperatur e und der Generator f bilden die
Hauptteile eines Kreislaufes. Dazu kommt die Ladegruppe b', c', die die Verbrennungsluft
aus der Atmosphäre ansaugt und sie
in die Brennkammer a drückt.
Die Verbrennungsgase mischen sich in der Brennkammer mit den verhältnismäßig kalten
Umlaufgasen. Letztere drücken die Temperatur auf das zulässige Maß herab. Kommt
ein Belastungsstoß, so öffnet der Geschwindigkeitsregler k das Dreifachventil i,
so daß in die Zusatzbrennkammer a' Brennstoff und aus dem Druckbehälter g Luft und
Wasser eingespritzt werden, was eine Druck- und :Mengensteigerung bewirkt. Wie in
der Figur ange_leutet, kann mit Vorteil dasselbe Gefäß unten das Wasser und oben
die Druckluft enthalten. Ein durch Schwimmer und Druckregler gesteuerter Antriebsmotor
h einer Pumpe und eines Gebläse; sorgen dafür, daß das Gefäß immer geladen ist.
Eine Rückschlagklappe p ist so gebaut, daß eine Drucksteigerung in der Brennkammer
a' möglich ist, ohne daß diese sich rückwärts auf die Hauptbrennkammer übertragt.
Der Gegendruck des Ladeverdicliters e' steigt kaum merklich, weil die Hauptturbine
b (las llehrv@@lumen der Stauung leicht schluckt, so (laß ein Pumpen nicht zu befürchten
ist. Da wegen der Zunahme der vom Ladeverdichter geförderten Verbrennungsluft die
Temperatur am Austritt aus der Brennkammer a die Tendenz hat, zu sinken, wird der
Thermostat l das Brennstoffventil na entsprechend öffnen und so die Temperatur konstant
halten. Ist die Nutzleistung gesteigert, so wird das Ventil i in die Ruhestellung
gehen. Selbstredend kann schon der Drehzahlregler k die Steigerung der Brennstoffzufuhr
zur Hauptbrennkammer einleiten; sie soll nur nach Maßgabe der von der Ladegruppe
gelieferten Brennluft erfolgen. Zur Übertragung der Impulse des Geschwindigkeitsreglers
und des Thermostaten kann irgendein Hebelsystem verwendet werden, am vorteilhaftesten
jedoch eine Üldrucksteuerung.
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Tritt eine Entlastung ein, so läßt der Geschwindigkeitsregler den
Druck des Regeldrucköles sinken, und das Ventil q drosselt den Gaszutritt zur Ladeturbine
b' und läßt, wenn nötig, Überschußluft, z. B. über den Zusatzrekuperator e', ins
Freie ab. Dadurch sinkt der Druckpegel im System, die Temperatur am Austritt aus
der Brennkammer steigt, so daß der Thermostat l die Brennstoffmenge drosselt und
die Leitung der Nutzturbine wieder bei konstanter Temperatur der neuen Belastung
angepaßt wird. Das Drosselventil q geht in die Ruhestellung. Wird keine besondere
Maßnahme getroffen, so steigt die Konzentration der Rückstände in den Abgasen des
Kreislaufes im Verhältnis dieser Menge zur Fördermenge des Ladeverdichters: Man
wird deshalb mit Vorteil nach bekannter Art an geeigneter Stelle Staubabscheider
einbauen; in der Figur z. B. in den Punkten n, vor der Turbine und nach dem Verdichter.
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Das Schema wurde möglichst einfach gezeichnet. Nichts steht im Wege,
z. B. die Kompression mit Zwischenkühlung und die Expansion mit Zwischenerhitzung
vorzusehen, um den Wirkungsgrad zu erhöhen.