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Brennkraftturbinenanlage mit einem geschlossenen Treibmittelkreislauf
Bei Verbrennungsturbinen hat man in der Wahl des Druckes, mit dem man die Turbine
betreiben will, keine freie Hand. Es gibt ein ganz bestimmtes Druckverhältnis, .bei
dem dieGasturbinenanlage mit dem günstigste Wirkungsgrad arbeitet. Die Höhe dieses
Druckes hängt vom Wirkungsgrad des Verdichters, der Turbine, von der Ausnutzung
der Abgase nach Verlassen der Turbine, von der Gastemperatur vor dem Eintritt in
die Turbine usw. ab. Das günstigste Druckverhältnis liegt normalerweise etwa zwischen
3 und 6. Bei diesem geringen Druckverhältnis ist das Gefälle klein, so daß eine
große Gasmenge zur Erreichung einer bestimmten Leistung notwendig ist. Da die Verbrennungsgase
fast bis auf den Atmosphärendruck entspannt werden und eine verhältnismäßig hohe
Anfangstemperatur besitzen, nehmen sie beim Austrritt aus der Turbine ein sehr großes
Volumen eire, so daß die Schaufeln daher sehr lang werden. Da man aber die Schaufeln
nicht beliebig lang machen kann, ist man aus diesem Grunde mit der Turbi@nendeistung
beschränkt.
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Die Verbrennungsturbinen arbeiten normalerweise im offenen, Kreislauf,
d. h. der Verdichter saugt aus der Atmosphäre Luft an, verdichtet sie und drückt
sie durch einen. Wärmeaustauscher in die Brennkammer, wo der eingeführte Brennstoff
verbrannt wird. Die dadbrch erzeugten Verbrennungsgase strömen durch die Turbine,
wo s,ie unter Arbeitsleistung entspannt werden und durch den Wärmeaustauscher ins
Freie abströmen.
Es- ist bekannt, im Gegensatz zu diesem offenen
Kreislauf einen geschlossenen Kreislauf zu verwenden, bei dem immer wieder dasselbe
Medium vom Verdichter angesaugt, verdichtet und über einen Wärmeaustauscher in ein
von außen beheiztes Rohrbündel geleitet wird. Hier wird das arbeitende Medium, gewöhnlich
Luft, erhitzt und zur Arbeitsleistung in die Turbine geschickt, wo es entspannt
wird. Nach Verlassen der Turbine strömt es durch den Wärmeaustauscher und einen
Rückkühler, in dem es möglichst auf die Außentemperatur abgekühlt wird, wieder zum
Verdichter. Bei dem geschlossenen Kreislauf kann man nun ohne weiteres bei gleichem
Druckverhältnis das Druckniveau stark erhöhen. Man erhält dadurch ein kleineres
Volumen und entsprechend kleinere Schaufellängen bzw. man kann bei gleichen Schaufellängen
eine wesentlich größere Leistung aus der Turbine herausholen. Die Verringerung der
Belastung erfolgt bei gleichbleibendem Druckverhältnis durch Absenken des Drucknüveaus.
Durch diese Regulierung bleiben die Geschwindigkeitisdreiecke und damit auch die
Drehzahl gleich. Das Absenken bzw. Erhöhen des Druckniveaus erfolgt dabei durch
Entnahme bzw. durch Hineinpumpen von Arbeitsmedium .in den Kreislauf. Hierzu benötigt
man noch einen besonderen Regelverdichter.
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Es ist ersichtlich, d@aß die Anlage recht vielteilig wird. Der Bauaufwand
ist verhältnismäßig groß und wird dadurch roch vergrößert, daß die Befeuerung des
Rohrbündels unter Atmosphärendruck erfolgt. Der Brennraum wird infolge des geringen
spezifischen Gewichtes der Luft sehr groß. Es ist daher schon vorgeschlagen worden,
den Feuerraum zum Erhitzen der Luft des geschlossenen Kreislaufes unter Druck zu
setzen. Die den Feuerraum verlassenden Abgase werden dann in einer Turbine entspannt,
die wiederum einen Verdichter antreibt, der die Luft für den Feuerraum liefert.
Diese Anordnung verringert wohl die Größe des Feuerraumes, es kommt aber ein Abgasturbogebläse
als dritter unabhängiger Verdichtersatz hinzu, so daß bei der Gasturbinenanlage
der Verdichter des geschlossenen Kreislaufes, der Regelverdichter und der Abgasturboverdichter
für den Feuerraum, der im offenen Kreislauf arbeitet, vorhanden, sind.
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Nach der Erfindung wird die Anlage nun dadurch wesentlich vereinfacht,
daß in an sich bekannter Weise die Beheizung des Röhrenbündels für den geschlossenen
Kreislauf unter Druck erfolgt und der hierfür erforderliche turbinengetriebene Verdichter
gleichzeitig als Regelverdichter dient.
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In der Zeichnung ist ein Schaltschema einer Turbinenanlage nach der
Erfindung beispielsweise dargestellt.
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Die Verbrennungsgase des offenen Kreislaufes haben, nachdem sie sich
in der Brennkammer 6 am Röhrenbündel des geschlossenen Kreislaufes auf eine für
die Turbine erträgliche Temperatur hinreichend abgekühlt haben, noch einen derartigen
Energieinhalt, daß über den Antrieb des Verdichters hinaus noch eine Überschußleistung
verfügbar bleibt. Diese Überschußenergie wird in einer als erste Stufe wirkenden
Nutzleistungsturbine i ausgenutzt, die mit der Nutzleistungsturbine 2 des geschlossenen
Kreislaufes, dem Verdichter 2o und der Arbeitsmaschine 21 gekuppelt ist. Nach Verlassen
der Nutzleistungsturbine i strömen die Gase in die Verdichterturbine 3 des offenen
Kreislaufes und von dort über einen Wärmeaustauscher 4 ins Freie. Die Verdichterturbine
3 treibt den Verdichter 5 des offenen Kreislaufes an. Letzterer saugt die Luft aus
der Atmosphäre an und drückt sie über den Wärmeaustauscher 4 in die Brennkammer
6, wo sie den durch die Leitung 23 eingeführten Brennstoff unter Wärmeabgabe an
das Röhrenbündel 7 des geschlossenen Kreislaufes verbrennt. Die Zuleitung 8 der
Verbrennungsgase zur Nutzleistungsturbine i des offenen Kreislaufes ist über eine
Leitung 9, in welche ein Regelorgan io eingeschaltet ist, mit der Ableitung i i
von der Nutzleistungsturbine i zur Verdichterturbine 3 des offenen Kreislaufes verbunden,
so daß ein regelbarer Teil der Verbrennungsgase die Nutzleistungsturbine i umgehen
kann. Weiterhin führt eine mit einem Regelorgan 12 versehene Leitung 13 vom geschlossenen
Kreislauf hinter dem Wärmeaustauscher 14 in die Gasleitung i i von der Nutzleistungs,turbine
i zur Verdichterturbine 3 des offenen Kreislaufes, desgleichen eine ebenfalls mit
einem Regelorgan 16 versehene Leitung 17 von der Druckleitung 18 des Verdichters
5 des offenen Kreislaufes in den geschlossenen Kreislauf vor dem Rückkühler 15.
Die Leitung 13 kann auch hinter dem von der Kühlmittelleitung 22 durchflossenen
Rückkühler 15 an den geschlossenen Kreislauf angeschlossen werden.
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Wenn nun die Nutzleistung der Turbine 2 verringert werden soll, dann
wird aus dem geschlossenen Kreislauf über die Leitung 13 und das Regelventil 12
Luft abgelassen und in den offenen Kreislauf vor der Verdichterturbine eingeführt.
Um den Regelvorgang schneller ablaufen zu lassen, kann in. an sich bekannter Weise
die Abzapfung der Luft auch vor der Turbine 2 durch die Leitung 13° erfolgen. Gleichzeitig
wird in, die Brennkammer 6 weniger Brennstoff eingeführt.
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Bei Lasterhöhung muß der Verdichter 5 schneller laufen und mehr Luft,
fördern, damit die erforderliche zusätzliche Luftmenge in den geschlossenen Kreislauf
eingepumpt werden kann. Zu diesem Zweck wird das Regelventil io in der Leitung 9
geöffnet und unter Umgehung der Nutzleistu.ng.sturbine i das höher gespannte Verbrennungsgas
in die Verdichterturbine 3 geleitet, die dadurch schneller läuft und eine vermehrte
Förderung des Verdichters 5 bewirkt. Ein Teil der Luft wird über das Regelventil
16 und die Leitung 17 in den geschlossenen Kreislauf eingepumpt. Gleichzeitig mit
diesen Regelvorgängen wird mehr Brennstoff in die Brennkammer 6 eingeführt.
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Voraussetzung für dieses Arbeitsverfahren ist, daß der Druck des Verdichters
5 des offenen Kreislaufes annähernd gleich dem niedrigsten Betriebsdruck des geschlossenen
Kreislaufes ist. Wenn der Druck des Verdichters 5 tiefer ist, dann braucht der Regelvorgang
entsprechend längere Zeit, bis durch
die Drehzahlsteigerung des
Verdichters 5 der Druck über dem unteren Druck des geschlossenen Kreislaufes angestiegen
ist. Es ist sehr zweckmäßig, den Druck des Verdichters 5, also den Druck im offenen
Kreislauf in Abhängigkeit vom Druck im geschlossenere Kreislauf so zu steuern, daß
er dauernd etwas höher ist als der untere Druck des geschlossenen Kreislaufes. In
diesem Fall setzt der Regelvorgang augenblicklich ein.
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Die bei Lastverminderung aus dem geschlossenen Kreislauf in den offenen
Kreislauf übergeführte Luftmenge bewirkt eine Drehzahlerhöhung und damit vermehrte
Luftförderung des Verdichters 5 des offenen Kreislaufes. Die vermehrte Luftmenge
hat eine Abkühlung des Rohrbündels in der Brennkammer 6 des geschlossenen Kreislaufes
zur Folge, wodurch der Regelvorgang beschleunigt wird. plan kann die Energie der
aus dem geschlossenen Kreislauf abgezweigten Luftmenge auch speichern, indem man
mit der Verdichterturbine 3 des offenen Kreislaufes eine Schwungmasse i9 kuppelt,
mittels welcher die Energie der Druckluft in kinetische Energie umgewandelt wird.
Schließlich kann auch die bei Lastverminderung abgezweigte Luftmenge des geschlossenen
Kreislaufes über das Regelventil 12 in die Leitung 8 vor der Nutzleistungsturbine
i des offenen Kreislaufes eingeführt werden. Um die in der Nutzleistungsturbine
i während des Regelvorganges mehr geleistete Arbeit kann dann die Turbine 2 des
geschlossenen Kreislaufes z. B. durch vorübergehend stärker gedrosselte Brennstoffeinführung
zur Brennkammer entlastet werden.
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Der Wirkungsgrad des offenen Kreislaufes kann auch noch wesentlich
dadurch gesteigert werden, daß die Turbine des offenen Kreislaufes bzw. die erste
Stufe oder Stufengruppe aus keramischen Werkstoffen hergestellt und die Temperatur
des den Lufterhitzer verlassenden Verbrennungsgases auf etwa 100o° gehalten werden.
Die Temperaturdifferenz im Lufterhitzer zwischen Luft des geschlossenen Kreislaufes
und den Verbrennungsgasen des offenen.Kreislaufes wird erhöht, so daß der Lufterhitzer
kleiner ausgeführt werden kann.