DE965803C - Gasturbine mit kleinem eingebautem Waermeaustauscher - Google Patents

Description

• Gasturbine mit kleinem eingebautem Wärmeaustauscher Um bei einer Gasturbinenanlage günstige Wirkungsgrade zu erzielen, ist die Anordnung eines WärmeaustausrheTs, in dem die im ''eidichter verdichtete Luft durch die die Turbine verlassenden Abgase vorgewärmt wird, unerläßlich. Um eine beachtliche Senkung des Brennstoffverbrauches zu erreichen, ist allerdings ein hoher Abwärmeausnutzungsgrad erforderlich, wobei unter Abwärmeausnutzungsgrad das Verhältnis der tatsächlichen Erwärmung der verdichteten Luft zur theoretisch möglichen verstanden ist. Ein hoher Abwärmeausnutzungsgrad bedingt aber eine sehr große Austauschfläche, die den Wärmeaustauscher zum größten Bauelement der ganzen Anlage werden läßt.
• In den Fällen, in denen es auf größte Raumersparnis ankommt, läßt man daher den Wärmeaustauscher meist ganz fort, da ein kleinerWärmeaustauscher einen im Vergleich zum Raumbedarf und Gewicht zu kleinen Wirkungsgradgewinn bringt.
• Wenn man einen zwischengekühlten Verdichter verwendet, liegen die Verhältnisse anders. In diesem Fall kann auch ein kleiner Wärmeaustauscher vorteilhaft sein. Voraussetzung ist allerdings, daß der Wärmeaustauscher nicht als besonderes Bauelement außerhalb der Turbine aufgestellt, sondern daß er organisch in die Turbine mit eingebaut wird. Bei getrennter Aufstellung nehmen die Rohrleitungen von und zum Wärmeaustauscher, deren Größe unabhängig von der Größe des Wärmeaustauschers ist, einen zu großen Raum und Gewicht ein.
• Die Erfindung knüpft an Gasturbinen an mit zwischen Turbine und Verdichter angeordnetem Wärmeaustauscher, dessen den Wärmeaustausch vermittelnden Rohre parallel zur Turbinenachse verlaufen, so daß die die Turbine verlassenden Abgase den Wärmeaustauscher im .Kreuzstrom durchströmen, wobei der Wärmeaustauscher Verdichter und Turbine verbindet. Die Erfindung besteht nun darin, daß die Wärmeaustauscherrohre als tragendes Bauelement ausgebildet sind und zur Aufnahme der Kräfte zwischen Verdichter- und Brennkammergehäuse benutzt werden, Nach der Erfindung verläuft der Kraftfluß vom Verdichterlager über den Wärmeaustauscher zum turbinenseitigen Lager. Dieser Kraftverlauf hat den Vorteil, daß die Anlage den durch die Erwärmung des Wärmeaustauschers hervorgerufenen Dehnungen frei folgen kann, ohne daß Verspannungen auftreten. Das Gewicht des Wärmeaustauschers beansprucht nicht zusätzlich das Gehäuse und die Anläge wird billiger und leichter.
• Die die letzte Turbinenstufe verlassenden Abgase haben immer noch eine Geschwindigkeit, die wesentlich höher ist als die normalerweise im Wärmeaustauscher übliche. Um nun eine Vernichtung der der Differenz der Geschwindigkeiten entsprechenden Energie durch Verwirbelung zu vermeiden, wird in Weiterbildung der Erfindung zwischen der letzten Stufe der Turbine und dem Eintritt in den Wärmeaustauscher in an sich bekannter Weise ein ringförmiger Diffuser angeordnet, der die Umwandlung eines Teiles der Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie gestattet. Der Diffuser wird daher für sich allein nicht als zum Gegenstand der Erfindung gehörend betrachtet.
• An die Austrittsseite der Luft des Wärmeaustauschers wird erfindungsgemäß eine ringförmige Brennkammer angeschlossen, die aus dünnen hitzebeständigen Blechen besteht, und an ihrem Ende die erzeugten Verbrennungsgase um i8o° in den Leitapparat der ersten Turbinenstufe umlenkt. Die Zwischenschaltung eines Diffusors zwischen der letzten Turbinenstufe und dem Wärmeaustauscher kommt der Forderung der Brennkammer nach einer genügenden axialen Länge sehr entgegen. Ohne den Diffuser würde bei einer geringen Stufenzahl der Turbine die verfügbare Länge für die Brennkammer zu kurz sein.
• Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Befestigung eines haubenförmigen Stahlmantels an der Austrittsseite des Wärmeaustauschers. Dieser Stahlmantel umschließt die ganze Brennkammer und trägt an seinem äußeren Ende das turbinenseitige Lager. Der Zwischenraum zwi.seen dem Stahlmantel und der Brennkammer ist mit aus dem Wärmeaustauscher kommender Luft angefüllt, so daß die Bren:nkammerwände vom Druck entlastet sind. Durch den Luftmantel wird andererseits der tragende Stahlmantel vor den Einwirkungen der heißen Verbrennungsgase .geschützt. Das gleiche gilt für den inneren Begrenzungsmantel der Brennkammer, .der durch einen Luftmantel zwischen sich und dem Leitapparatbrä:ger vom Druck entlastet wird.
• Um der Luft in den beiden Luftmänteln ein Entweichen in die Brennkammer zu ermöglichen und dadurch ein allmähliches Aufheizen der Luft zu vermeiden, sind in en BTennkammerwänden in an sich bekannter Weise kleine Löcher angeordnet. In Weiterbildung der Erfindung sind der haubenförmige Stahlmantel sowie die beiden Brennkammerbegrenzun-gswä,nde ungeteilt ausgeführt, während der Leitapparatträger zur Erleichterung des Ein- und Abbaues eine horizontale Trennfuge besitzt. Wenn man von der Trennfuge' des Leitapparatträgers, die nur eine geringe Materialanhäufung bedingt, absieht, ist die ganze Turbine rotationssymmetrisch ausgebildet, was eine einseitig e Erwärmung -und ein Verziehen etwa durch schnelles Anfahren verhindert. Außerdem verursacht diese Ausführung eine Verbilligung der Herstellung. Erfindungsgemäß ist auch der Wärmeaustauscher in an sich bekannter Weisse mit einer horizontalen TT:enn.fuge versahen. Die Teilung des Wärmeaustauschers ist für sieh allein nicht Gegenstand der Erfindung.
• In der Abbildung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Der aus zwei Teilen bestehende Turbinenläufer i trägt an seinem äußeren Umfang die Laufschaufeln 2 und ist in den beiden Lagern 3 und 4 gelagert. Das Lager .4 ist gleichzeitig das turbinenseitige Lager des nur angedeuteten und mit der Turbine gekuppelten Verdichters 5. Das Lager 3 ist in dem -haubenförmigen Stahlrnantel6 gelagert. Dieser Stahlmantel ist an der turbinenseitigen Luftkammer 7 des Wärmeaustauschers befestigt. Im Innern des Stahlmantels 6, sind die äußere Begr:enzungswand $ und die innere Begrenzungswand 9 der Brennkammer ebenfalls an der Luftkammer 7 ibefestiigt,'desgleichen der in einer horizontalen Ebene :geteilte Leitapparatt.räger io, der die Leitschaufeln i i trägt. Am äußeren Umfang der Luftkammer 7 sind mehrere Brennstoffdüsen r2 angeordnet, die den Brennstoff in die aus dem Wärmeaustauscher kommende Luft einspiitzen.
• Die im Verdichter 5 verdichtete Luft wird durch ein kreisringförmiges Anschlußstück 13 in die Luftkammer 14 geleitet. Die Luftkammern 7 und 14 besitzen kreisringförmige senkrecht zur Turbinenachse angeordnete Rohrböden 15, in die die den Wärmeaustausch vermittelnden kleinen Rohre 16 befestigt sind,. Um dem Wärmeau.stausaher eine große Steiflgkei.t zu geben, sind zwischen die Rohrböden 15 noch mehrere Platten 17 eingeschweißt. Die Luftkammern 7 und 14 tragen die gestrichelt angedeuteten Prätzen 18, mit denen der Wärmeaustauscher auf dem Fundament befestigt wird. Hinter der letzten Turbinenstufe befindet sieh der Diffusor ig. Die den Wärmeaustauscher verlassenden Abgase werden durch den ringförmigen Sammelraum 20 abgeführt.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Gasturbine mit zwischen Turbine und Verdichter konzentrisch zur Turbinenachse angeordnetem Wärmetauscher, dessen den Wärmeaustausch vermittelnde Rohre parallel zur Turbinenachse verlaufen,, so .d@aß die die Turbine verlassenden Abgase den Wärmeaustauscher im Kreuzstrom durchströmen, wobei der Wärmeaustau.scher Verdichter- und Brennkammergehäuseverbindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscherrohre als tragendes Bauelement ausgebildet sind und zur Aufnahme der Kräfte zwischen Verdichter- und Brennkammergehäuse benutzt werden.
2. 2. Gasturbine mit eingebautem Wärmeaustau.scber nach Anspruch i, @dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher in-der ,horizontalen Ebene ,geteilt ist und daß das Untergestell vorzugsweise in der Nähe der Trennfuge Pratzen besitzt, mit denen es auf dem Gasturhinenfundament befestigt ist.
3. 3. Gasturbine mit eingebautem Wärmeaustauscher nach Anspruch i, dadnüch gekennzeichnet, daß zwischen der letztenTurbinenstufe und dem Wä-rmeaustausc'her ein Diffusor angeordnet ist.
4. 4. Gasturbine mit eingebautem Wärmeaustauseher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß am turbinenseitigen Luftsammelkasten des Wärmeaustauschers ein haubenförmiger Stahlmantel befestigt ist, der das eine Turbinenlager trägt. 5. Gasturbine mit eingebautem Wärmeaustauscher nach Anspruch i und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der .haubenförmige Stahlmantel ungeteilt ist. 6. Gasturbine mixt eingebautem Wärmea.ustausaher nach Anspruch i und 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des haubenförmigen Stahlmantels eine ringförmige Brennkammer angeordnet ist, deren innere und äußere Begrenzungswände vom Druck entlastet sind und aus dünnen, ungeteilten, .hitzebeständigen Blechen bestehen, die am turbinenseitigen Luftsammelkasten des Wärmeaustauschers befestigt sind. 7. Gasturbine mit eingebautem Wärmeaustauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitapparat in einer zur Turbinenachse parallelen Ebene Beteile und am turbinenseitigen Lufitsammelkasten des Wärmeaustauschers befestigt ist. B. Gasturbine mit eingebautem Wärmeau.stau;scher nach Anspruch i und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Verdichter austretende Luft durch ein kreisringförmiges konzentrisches Abschlußstück dem verdichterseitigen Luftsammelkasten des Wärmeaustauschers zugeleitet wird. g. Gasturbine mit eingebautem Wärmeaustauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter am verdichterseitigen Luftsammelkasten des Wärmeaustauschers befestigt ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 620 461; USA.-Patentschriften Nr. 2 6o9 664, 2 587 057; Konstruktion, Bd. 5 (1953), Nr.
5. 5, S. 159; Auto und Kraftrad, 1952, Nr. 12, S. 7; The Engineer, Bd. i92 (1951), Nr. 4999, S. 612 bis 614 und Bildbeilage.