DE930356C - Verfahren zum Betrieb von Gasturbinenanlagen - Google Patents

Description

• Verfahren zum Betrieb von Gasturbinenanlagen Die bekannten Kreislaufprozesse der Gasturbinen führen in ihrem Grundprinzip immer auf die ein-oder mehrfache Anordnung oder auch die stufenweise Hintereinanderschaltung eines Kreislaufes zurück, bei dem die Erwärmung der vorverdichteten Luft bei konstantem Druck oder .bei dem die Erwärmung der vorverdichteten Luft bei konstantem Volumen vorgenommen wird. Bei gleicher Vorverdichtung ist der letztgenannte Kreislauf thermodynamisch günstiger als der erstgenannte Kreislauf, d. h. daß das Verhältnis der verfügbaren Leistung zur zugeführten Brennstoffmenge größer ist.
• Durch verschiedene Hintereinanderschaltungen von Teilprozessen, die mit konstanter Erwärmung oder Verdichtung arbeiten, kann aber an dem grundsätzlichen Verhalten der beiden bekannten Kreisprozesse zueinander nichts geändert werden, und die Größe ihres Wirkungsgrades ist durch die obere Temperatur, die durch den Werkstoff bedingt ist, begrenzt. Geht man von dieser Tatsache aus, so wird man versuchen müssen, die Temperatur, bei der die Wärme dem Kreisprozeß zugeführt wird, zu heben, wenn man den Wirkungsgrad verbessern will. Solange aber keine entsprechenden neuen Werkstoffe zur Verfügung stehen, muß diese Temperatur allen statisch oder dynamisch beanspruchten Bauteilen ferngehalten werden.
• Es ist bekannt, einem Verdichter eine Zellenradschleuse nachzuschalten. Bei dieser Einrichtung wird die thermische Verdichtung dadurch erzielt, daß in einem durch die Zellenradschleuse nach außen hin abgeriegelten Raum dem Gas Wärme zugeführt wird. Wird nun bei solcher Zellenradanordnung Wärme auf das -Gas durch die Zellenradwände oder ähnliche Einbauten bei offener Zelle übertragen, dann tritt nur eine geringe thermische Verdichtung in dem nachgeschalteten Raum ein, da diese Wärmeübertragung zwischen dem Laden der Zellenradschleuse und dem Eintritt der Ladung in den Wärmeübertragungsraum erfolgt. Die Wärmeübertragung -wird somit vor :der Druckerhöhung des Gases bei konstantem Druck erfolgen. Es wird also das erreichbare Dichtungsverhältniis herabgesetzt, wenn die Höchsttemperatur des Prozes es durch die Baustoffe vorgeschrieben ist.
• Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Aufheizung des Gases in .einer Zellenradschleuse bei abgeriegelter Zelle bzw. bei einer mehrfachen Zellenanordnung mit Einbauten in der Weise, daß Zelle und Raum,zwi,schen,den Einbauten j eweils einen geschlossenen Raum bilden. Es findet dann gleichzeitig mit der Wärmeübertragung von der Zelle her auf das Gas eine Druckerhöhung statt, so daß bei gleicher oberer Temperaturgrenze auch dasselbe Druckverhältnis erreicht werden kann wie bei Zellenradschleusen, bei denen die gesamte Wärmezufuhr in einem von der Zellenradschleuse getrennten Raum auf einmal erfolgt. Der einfach durchströmte Zellenradkörper ist erfindungsgemäß so ausgestaltet, daß außer der Förderung der Luft in Umfangsrichtung des Zellenrades noch eine zusätzliche Bewegung durch die jeweils zugeschalteten Räume entsteht.
• Die Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht im wesentlichen darin, daß zur Aufrechterhaltung des konstanten Volumens in der ersten Stufe dem Vorverdichter eine Zellenradschleuse nachgeschaltet ist, deren Trennwände gleichzeitig zur Wärmeübertragung ausgebildet sind. Zur besseren Wärmeübertragung sind außer den Trennwänden noch zusätzliche Mittel vorgesehen, die z. B. aus Drahtbündeln bestehen, welche in den Kammerwänden der Zellen angeordnet sind. Der Wärmeentzug erfolgt erfindungsgemäß durch die Wände der Zellenradschleuse und gegebenenfalls auch durch weitere zusätzliche Mittel.
• In der Zeichnung ist .das erfindungsgemäße Verfahren an einem Ausführungsbeispiel erläutert, und zwar zeigt Abb. i die Abwicklung einer Zellenradschleuse mit dem Gasverlauf, Abb. 2 einen Schnitt nach Linie V-V der Abb. i und . Abb. 3 eine schematische Darstellung des Arbeitsverfahrens nach der Erfindung. -In den Abb. i und 2 ist eine Zellenschleusenanordnung a zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in abgewickelter Darstellung und ein Schnitt V-V durch die Zellenradschleuse, und zwar -durch die Vorwärmkammer, :gezeigt. Die schematischenDarstellungen sollen zur näheren Erklärung der Steuerung und der Vorgänge in der Schleuse dienen. Die vom Vorverdichter geförderte Frischluft c tritt über das Leitgitter d in die angetriebene Zellenradschleuse a axial ein und schiebt dabei die in den Zellen noch vorhandenen bereits entspannten Restheißgase bei e aus. Die mit Frischluft gefüllten Zellen treten bei f durch die Schleuse in die Kammer g. Die nach Möglichkeit nicht unterbrochene Strömung im Zellenrad a wird durch die Form des Zellenrades noch begünstigt, und es entleeren sich die Zellen in die Kammer g. In der Kammer g sind Zwischenwände i so angeordnet, @daß die einerseits aus dem Zellenrad austretende Luft durch die von der Zellenkammer und den Wänden i gebildeten Kanäle wiederum dem Zellenrad zugeführt wird.
• Es findet also eine stetige Umwälzung der Luft durch das Zellenrad und .wiederholt durch die Kammer g statt, bis die durch das wiederholteVorbeistreichen an den Zellenradwänden und den Einbauten k erhitzte Luft durch die nächste .Schleuse l in die Brennkammer m übergeschoben wird. In der Brennkammer m wird dann durch Zufuhr von Brennstoff die Temperatur weiter erhöht, und die jetzt erhitzten Gase verlassen an der Stelle n die Brennkammer, wobei sie bei ihrem Wiedereintritt in die Schleuse zu einem Teil dazu dienen, die vorgewärmte Frischluft aus der Schleusenzelle in die Brennkammer zu treiben, zum anderen Teil direkt durchtreten und in einen Raum o gelangen, dessen Einbauten den Heiß.gasstrom wiederum zwingen, wiederholt umzulaufen, bevor er -an der StelIep das Schleusensystem mit dem Brennkammerdruck verläßt, wenn man zunächst von Druckverlusten, die durch das- Umwälzen hervorgehoben sind, absieht.
• Ein- und Austrittsquerschnitte .der Brennkammer stehen zueinander annähernd im Verhältnis der absoluten Temperaturen des Gases zwischen Brennkammereintritt und -austritt. Das bei p austretende Gas kann mit dem in der Brennkammer erreichten Druck einer Arbeitsturbine zugeführt werden, da durch die Wärmeabgabe an der Zellenradwand und die Einbauten die Temperatur bis auf das für die Turbine erträgliche Maß gesenkt wurde.
• Die Turbine r selbst oder ein Teil ihrer Stufen wird zum Antrieb der Zellenradschleuse, die ja die Umwälzarbeit in den Kammern zu leisten hat, und zum Antrieb des Verdichters s herangezogen. Die noch in der Zellenradschleuse enthaltenen Restgase expandieren in dem Abschnitt q und können der Niederdruckstufe einer Turbine zugeführt werden, wenn man nicht bei Luftfahrzeugen vorzieht, diese Gase als Strahlantrieb in einer Schubdüse t direkt auszunutzen.
• Nach Erreichen des Vorverdichterdruckes wird dann die Schleuse mit .der vom Vorverdichter gelieferten Luft wieder gespült und aufgeladen, und es wiederholt sich dann der Vorgang in der Schleuse in der beschriebenen Weise.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zum Betrieb von Gasturbinenanlagen, bei denen der vorverdichteten Luft bei konstantem Volumen Wärme über einen Wärmeaus,tauscher zugeführt wird, dann der erwärmten Luft bei konstantem Volumen Wärme durch Verbrennung in einer Brennkammer zugeführt wird, wonach dieser erwärmten mehrstufig auf höheren Druck gebrachten Luft nach Erreichen der zulässigen Höchsttemperatur so lange bei konstantem Druck Wärme entzogen wird, bis die Temperatur der Luft auf ein für die bewegten Teile der Turbinenanlage erträgliches Maß gesenkt ist, wobei die dem ,Gas entzogene Wärme der Größe nach gleich ist der Wärmemenge, die dem Gas nach der Vorverdichtung zugeführt wurde, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragung bei konstantem Volumen durch Mehrfachumwälzung in einem durch eine Kammer und mehrere Zellen der Schleuse gebildeten Wärmetauscher so vorgenommen wird, daß in dieser Kammer eine thermische Verdichtung entsteht.
2. 2. Verfahren nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrfachumwälzung in mehrfach unterteilten Kammern so vorgenommen wird, daß in jeder Kammerzelle eine thermische Verdichtung stattfindet.
3. 3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch z oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer Einbauten in Form von Wänden aufweist, die eine oder mehrere Zellen der Zellenschleuse mit dem durch den Einbau geschaffenen Raum zu einem jeweils geschlossenen Raum verbinden. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften N r. 724 998, 703 195; schweizerische Patentschriften Nr. 270 34q., 265 297, 229 280; französische Patentschrift Nr. 946 128; britische Patentschrift Nr. 627 896; The Engineer, Bd. 189 (195o), Nr. 4921, S.596/597