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Aus einer nach außen Leistung abgebenden Turbine und einer die Hilfsmaschine
antreibenden Turbine bestehende Gasturbinenanlage Die Erfindung bezieht sich auf
eine aus einer nach außen Leistung abgebenden Turbine und einer die Hilfsmaschine
antreibenden Turbine bestehende Gasturbinenanlage, bei welcher .die zur Erzeugung
eines Teils der l\Tutzleistung notwendige Arbeitsmittelmenge nach vorheriger Arbeitsleistung
in der nach außen Nutzleistung abgebenden Turbine aus d-Ir Anlage abg°fü!hrt wird.
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Gasturbinenanlagen, die mit einem Kreislauf des Arbeitsmittels arbeiten,
sind bekannt, bei denen die ganze Arbeitsmittelmenge im Kreislauf umströmt. Aus
diesem Kreislauf wird höchstens zum Regeln eine Teilmenge während kurzer Zeit entnommen
und nach vorübergehender Speicherung wieder in den Kreislauf eingeführt. Bei solchen
Anlagen mu13 das Arbeitsmittel durch einen Wärmeaustauscher erhitzt werden, der
außergewdhnlich große Abmessungen annimmt.
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Um die Abmessungen der Gaserhitzer zu vermindern, ist dann weiter
bekanntgeworden, daß dem Kreislauf ständig Arbeitsmittel entzogen und hierfür an
einer anderen Stelle Ersatz zugeführt wird. Das unter Druck entnommene Arbeitsmittel
wurde als Verbrennungsluft im Gaserhitzer verwendet. Die Verbrennung 'konnte unter
erhöhtem Druck stattfinden, deshalb konnte die Brennkammer wesentlich kleiner gestaltet
werden. Bei dieser Art von Gasturbi.nenanlagen wurde der Nachte41 in Kauf "genommen,
daß eine besondere Turboaufladegruppe notwendig war, welche das Ersatzmittel in
vorverdi'#htetem
Zxista-n,d?@in'",den Kref#fauf 'einführt. Die Turbine wurde durch das aus dem Kreislauf
entnommene und vorerst als Verbrennungsluft verwendete Arbeitsmittel angetrieben.
Eine solche Ausbildung der Anlage war insofern nahehegend, als sie- eine Parallele
zu den bekannten Brennkraftmasehinen mit Tu.rboaufladegruppe bildet.
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Solange die Nutzleistungsturbine in den Kreislauf selbst verlegt ist,
sind mindestens drei Turbinen notwendig, nämlich eine Turbine für den Antrieb des
Kreislaufverdichters, eine Turbine zur Erzeugung der hlutzleistung und eine Turbine
zur Entspannung,des aus dem Kreislauf entnommenen Arbeitsmittels. Eine Vereinigung
der in dem Kreislauf gelegenen Verdichterturbine mit -der Nutz= leistungsturbine
war aus regeltechnischen Gründen nicht angängig. Bei vereinigten Turbinen, würde
nämlich bei plötzlich erhöhter Belastung der angetriebenen Maschine die Turbinendrehzahl
fallen, gleichzeitig aber auch die Drehzahl des Verdichters, so daß im Augenblick,
wo Menge und Druck des im Kreislauf umströmenden Arbeitsmittels zunehmen sollten,
die umgekehrte Wirkung eintritt, der Betrieb also erst recht zusammenbricht. Aus
den ,gleichen Gründen würde bei einer plötzlichen Abnahme der Belastung ein Durchbrennen
der Turbomaschine zu befürchten sein.
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Die beschriebenen Nachteile der bekannten Anlagen werden durch die
Erfindung. vermieden. Das erfinderische Neue besteht darin, daß die zur Erzeugung
des größeren Teils der Nutzleistung notwendige Arbeitsmi:ttelmenge über die nach
außen Leistung abgebende Turbine aus der Anlage abgeführt wird, während der die
Hilfsmaschine antreibende Teil des Arbeitsmittels innerhalb der Anlage verbleibt:
Durch die Erfindung wird im Vergleich mit bekannten Anlagen der Arbeitsprozeß thermodynamisch
wesentlich verbessert, insbesondere bei Entnahme -des Arbeitsmittels an der Stelle
des höchsten Drucks im Kreislauf und Entspannung der entnommenen Menge auf den Atmosphärend-Duck.
Die Wirtschaftlichkeit von Kreislaufanlagen steigt, wenn ein möglichst großer Teil
des Arbeitsmittels im Kreislauf verbleibt und nur ein kleiner Teil entnommen wird.
Diese Einsicht legte bisher die Lösung nahe, !die aus dem Kreislauf entzogene Gasmenge
nicht zum Antrieb der Nubzleistungsturbine, sondern zum Antrieb einer Hilfsturbine,
d. h. der Aufladeturbine, -zu verwenden. Allein dadurch, daß gemäß der Erfindung
das Wärmegefälle der verhältnismäßig kleinen Entnahmemenge gesteigert wird, ist
es möglich, mittels der entnommenen Gasmenge nicht nur eine Hilfsturbine, sondern,
die Nutzleistungsburbine. zu treiben.
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Ein weiterer Vorteil dies Erfindungsgegenstandes besteht in oder Möglichkeit,
die Nutzleistungsturbine getrennt von dem Kreislauf aufstellen zu können, da zwischen
den getrennten Anlagebeilen nur eine Leitung mit verhältnismäßig kleinem Durchflußquerschnitt
notwendig ist, welche die bei ,dem erhöhten Druck und. Iden erhöhten Temperaturen
verminderte Arbeibsmittelmenge vom Kreislauf zur Nutzleistungsturbine führen muß.
Das in der Nubzleistwngsturbine entspannte Arbeitsmittel braucht dann nicht wieder
zum Kreislauf zurückgeführt zu werden.
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Schließlich ist ein Vorteil der Erfindung noch darin zu sehen, daß
die am Austritt von Nutz-1,eistüngsturbinen naturgemäß auftretenden Schwankungen
des Arbeitsmittelzustandes, insbesondere der Temperatur, nicht wieder in. den Kreislauf
zurückübertragen werden, weil die entspannten Gase nicht zurückgeführt werden.
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Die Erfindung dst nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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Das vom Verdichter i verdichtete Arbeitsmittel gelangt :über den Zwischenkühler
3 in den Verdichter 2 und wird. dann, nachdem es auf den höchsten Betriebsdruck
verdichtet ist, in den Rohren eines Wärmeaustauschers 4 vorgewärmt. Am Austritt
i2 des Wärmeaustauschers wird rder Arbeitsmittelstrom in zwei Teile aufgeteilt,
von denen der eine die Wärmeaustauschrohre des Erhitzers 5 umströmt und dabei auf
seine höchste Betriebstemperatur gebracht wird.
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Das vterdichtete und erhitzte Arbeitsmittel wird in der Turbine 6
entspannt und gelangt dann in den die Wärmeaustauschrohre umgebenden Raum des Wärmeaustauschers
4, wo es einen Teil seiner Restwärme an das aus dem Verdichter 2 kommende Arbeitsmittel
abgibt. Ein weiterer Teil der Restwärme wird im Kühler 8 an ein Kühlmittel abgeführt,
worauf das Arbeitsmittel von neuem dem Niederdruckverdichter i zuströmt.
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In der beschriebenen Anlage findet insofern: kein geschlossener Kreislauf
statt, als am Austritt 12 des Wärmeaustauschers 4 eine Teilmenge dem Arbeittsmittelstrom
entnommen und als Verbrennungsluft dem Brenner des Erhitzers 5 zugeführt wird. Die
Verbrennungsgase strömen durch die Wärmeaustauschrohre und gelangen dann in die
Turbine 7, aus der sie nach Entspannung an weitere nicht .gezeichnete Verbrauchsstellen,
z. B. Wärm!eaustauscher, oder unmittelbar ins Freie abgeführt werden können.
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Dem in der Anlage umlaufenden Azbeibsmittelstrom wird durch den Verdichter
9 eine solche Ersatzmenge zugeführt, daß nicht nur die entnommene Teilmenge ersetzt,
sondern auch alle Verluste gedeckt werden. Diese Ersatzmenge wird in den Wärmeaustauscher
4 an einer Stelle eingeführt, an der das aus der Turbine 6 rückströmende Arbeitsmittel
ungefähr die gleiche Temperatur aufweist. wie die verdichtete Ersatzmenge.
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Die vom Arbeitsmittelstrom der Anlage beaufschlagte Turbine 6 treibt
die Verdichter i, 2 und 9 an, während die durch die entnommene Teilmenge beaufscblagte
Turbine 7 -die Nutzleistung nach außen abgibt, indem sie über ein Getriebe io einen
Schiffspropeller i i antreibt.
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Zweckmäßig werden die Turbihe 6 und -die Verdichter i und 2 mit gleichbleibender
Drehzahl betrieben, um für einen weiten Belastungsbereich, bei entsprechender Anpassung
des Druckes bzw. der Dichte im Arbeitsmittelstrom an die Lei.stungsabgabe,
die
basten Wirkungsgrade einhalten zu können. Der die Ersatzmenge fördernde Verdichter
g kann mit Vorrichtungen zur Einstellung des Förderdruckes bzw. der Fördermenge
bei ungefähr gleichbleibender Drehzahl versehen sein. Eine solche Vorrichtung ermöglicht
die unmittelbare mechanische Kupplung des Verdichters q mit dem Verdichteraggregat
i, a.
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Der Verdichter 9 kann einen einstellbaren Schaufelkranz aufweisen.
Es kann z. B. der erste Leitkranz mit -drehbaren Schaufeln ausgerüstet und sein
erster Laufkranz als Turbine ausgebildet sein, durch welche die infolge der Querschnittsverminderung
i.m einstellbaren Leitschaufelkranz dem Ersatzarbeitsmittel zugeführte Geschwindigkeitsenergie
wieder in nutzbare Arbeit umgewandelt werden kann.
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Es ist auch denkbar, den Verdichter 9 mit zu-und abschaltbaren Stufen
zu versehen, z. B. in der Weise, daß durch Wanderanschlüsse die Fördermenge bzw.
der Förderdruck entsprechend verändert werden kann.
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Schließlich ließe sich zwischen dem die Ersatzmenge fördernden Verdichter
9 und der Turbine 6 ein Geschwindigkeitswechselgetriebe, z. B. ein hydraulisches
Strömungsgetriebe, einschalten, so daß durch die Veränderung der Drehzahl des Verdichters
sein Förderdruck und seine Fördermenge den Betriebsbedingungen entsprechend eingestellt
werden könnte.