DE844993C - Gasturbinenanlage mit teilgeschlossenem Kreislauf - Google Patents

Gasturbinenanlage mit teilgeschlossenem Kreislauf

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DE844993C
DE844993C DEP30775A DEP0030775A DE844993C DE 844993 C DE844993 C DE 844993C DE P30775 A DEP30775 A DE P30775A DE P0030775 A DEP0030775 A DE P0030775A DE 844993 C DE844993 C DE 844993C
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
turbine
gas
combustion chamber
gas turbine
power
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Expired
Application number
DEP30775A
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English (en)
Inventor
Josef Broggi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BROWN AG
BBC Brown Boveri France SA
Original Assignee
BROWN AG
BBC Brown Boveri France SA
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Publication date
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Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/34Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid with recycling of part of the working fluid, i.e. semi-closed cycles with combustion products in the closed part of the cycle

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Description

  • Gasturbinenanlage mit teilgeschlossenem Kreislauf Eine Gasturbinenanlage kann grundsätzlich nach dem offenen oder nach dem geschlossenen Prinzip arbeiten.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • An Hand der schematisch gehaltenen Zeichnung sei die Erfindung in einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Gasturbinenanlage, bestehend im wesentliclien aus einer mit Leistungsregler versehenen Nutzleistungsturbine 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, gekennzeichnet durch eine kleinere Zusatzbrennkammer, durch die bei Belastungszunahme eine Zusatzgasmenge der Turbine der Ladegruppe zugeführt wird, während bei Entlastung der Gasstrom zur Turbine der Ladegruppe gedrosselt und der Überschuß ins Freie abgelassen wird. a. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladegruppe von der Welle der Nutzleistungsturbine aus gesteuert wird und ein Thermostat die Temperatur vor der Nutzleistungsturbine konstant hält. 3. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzbrennluft einem Druckluftbehälter entnommen wird, in dem sich auch Einspritzwasser befindet. .I. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eine selbsttätige Drosselung in die Gasleitung zur- Ladegruppe eingebaut ist, die eine Drucksteigerung in der Zusatzbrennkammer gegenüber der Hauptbrennkammer gestattet.
DEP30775A 1945-05-22 1949-01-04 Gasturbinenanlage mit teilgeschlossenem Kreislauf Expired DE844993C (de)

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