DEP0035198DA - Gasdampfturbinenanlage - Google Patents

Description

Bei den Gasdampfturbinenanlagen ist bekannt einerseits der thermische Kreislauf der Dampfturbinen, bei denen die Verdampfung unter dem Druck einer Flüssigkeit erfolgt, weiter die Überhitzung des Dampfes, die Ausdehnung unter Abgabe äusserer Arbeit und die Kondensation, andererseits bei den Gasturbinen der Kreislauf bestehend aus der Verdichtung des Gases, der Erwärmung durch innere Verbrennung, der Ausdehnung und gegebenenfalls der Wiedergewinnung der Wärme der Auspuffgase. Man kennt in gleicher Weise verschiedene Kombinationen dieser Kreisläufe, bei welchen der Dampf durch Einspritzen von Wasser in die Verbrennungskammer des Gaskreislaufes erfolgt oder durch Wiedergewinnung der Auspuffwärme oder endlich durch die äussere Quelle, die entweder vollständig oder teilweise wirkt. Man weiss auch, dass der Gesamtwirkungsgrad einer Gasturbinen-Anordnung sich berechnet nach der Formel

in welcher ist

T = die Arbeit, die durch die Ausdehnung des Gases erzeugt wird

C = die Arbeit der Verdichtung der Luft

aC = die Energie, die bei der Abkühlung entzogen wird

E = die Energie, die in den Auspuffdämpfen verloren geht.

Bei einer normalen Anordnung haben die Energien aC und E jede einen Wert, der ungefähr = T-C ist. Dies zeigt deutlich den Nutzen, welchen man durch eine sehr weitgehende Wiedergewinnung dieser beiden Energien erreichen kann.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung und Benutzung eines Gemisches aus Gas und Dampf in Gasturbinen, wobei der Gebrauch dieses Gemisches den Vorteil hat, die spezifische Leistung der Anordnung zu vergrössern oder auch den gesamten Wirkungsgrad oder diese beiden Vorteile zu vereinigen, wobei der in den Kreislauf eingeführte Dampf durch die Benutzung der gewöhnlich verloren gehenden Wärme für die Abkühlung der Luft während der Kompression erhalten wird und die Wiedergewinnung der Wärmeenergie, die in den Auspuffgasen enthalten ist.

Die Erfindung kann die verschiedensten Anwendungen finden, nicht nur bei festen Anlagen wie Wärmezentralen, die elektrischen Strom erzeugen, sondern auch für den Antrieb von Pumpen, Gebläsen, beispielsweise für Hochöfen oder Kupol-Öfen im Eisenhüttenbetrieb, aber auch für bewegliche Anlagen, wie zum Antrieb von Propellern für Schiffe oder Flugzeuge, schliesslich auch für den Antrieb von Fahrzeugen aller Art, Lokomotiven usw., auch für Turbo-Strahltriebwerke kann die Erfindung Anwendung finden.

In den beiliegenden Zeichnungen sind eine Reihe von

Ausführungsbeispielen dargestellt, und zwar zeigen

Abb. 1 und 2 schematische Ansichten von zwei Verwirklichungen der Erfindung mit Einführung von Wasser in die Stufen des Luftverdichters.

Abb. 3 zeigt die Anwendung der Anordnung nach Abb. 1 auf Turbo-Strahltriebwerke für Flugzeuge.

Abb. 4 ist ein teilweiser Schnitt eines Luftverdichters und zeigt das Verfahren der Regelung der in den Verdichter eingespritzten Wassermenge.

Die Abb. 5 und 6 zeigen besondere Anordnungen für die Einspritzung des Wassers in den Verdichter.

Die Abb. 7, 8, 9 und 10 betreffen vier Ausführungsformen, bei welchen der Dampf in Sättigungsvorrichtungen erzeugt wird, die zwischen die einzelnen Stufen des Verdichters eingeschaltet sind.

Die Abb. 11 - 14 zeigen eine andere Ausführungsform, bei welcher das Gemisch von Wasserdampf und Luft sich bildet am Ende oder gegen das Ende der Verdichtung.

Die Abb. 1 betrifft eine Anlage, bei welcher der Dampf zur Bildung des Gemisches mit Luft unmittelbar in dem Luftverdichter b durch Einspritzung von Wasser zwischen den Rädern dieses Verdichters erhalten wird, welches Wasser vorher in einem Austauscher a(sub)1 erwärmt wurde, welcher Austauscher über der Auspuffstelle angeordnet ist, und zwar hinter einem Wärmeaustauscher a. Bei diesem Verfahren, wo die Wassermenge, die während der Verdichtung eingespritzt wird, genau derjenigen entspricht, welche nötig ist zur Sättigung des verdichteten Gemisches, wird ein wichtiger Teil der Verdichtungsarbeit, anstatt zur Kühlung der Luft während der Kompression bekanntlich verloren gehen, wie dies gewöhnlich in den bisher benutzten Kühlvorrichtungen der Fall ist, benutzt zur Erzeugung von Wasserdampf, dessen Gemisch mit Luft das in einer oder mehreren Turbinen verwendete Gemisch bildet.

Es ist bemerkenswert, dass diese Verdampfung geschieht während der Verdichtung, wobei die Menge des Dampfes nur teilweise der Verdichtungsarbeit unterworfen wird und man so aus der Verdichtung eines Teiles dieses Dampfes einen Vorteil zieht, indem man unmittelbar vom flüssigen Zustand ausgeht. Das in die Verdichter eingespritzte Wasser kann, wie dies in Abb. 1 dargestellt ist, durch die Benutzung der Wärme der Auspuffgase der Turbine wieder erwärmt werden, wobei dies in dem Wärmeaustauscher a(sub)1 geschieht. Dies vermindert die für die Verdampfung notwendige Wärmeenergie und vermehrt die Menge des durch die gleiche Verdichtungsarbeit erzeugten Dampfes.

Bei der Ausführungsform nach Abb. 1 wird der Verdichter b durch die Gasturbinen f(sub(1 und f(sub)2 angetrieben. Der aus dem Verdichter herauskommende verdichtete Gemischstrom wird durch die Auspuffgase in einem Wärmeaustauscher a erwärmt und dann auf die geeignete Temperatur gebracht in einer Verbrennungskammer d(sub)1, worauf das Gemisch teilweise in der Turbine f(sub)1 ausgedehnt wird, in der Verbrennungskammer d(sub)2 wieder erwärmt, und ausgedehnt auf atmosphärischen Druck in der Turbine f(sub)2. Die Auspuffgase gehen durch die Wärmeaustauscher a und a(sub)1, ehe sie in die Atmosphäre entweichen und sich ausbreiten.

Die zur Verfügung stehende Energie, d.h. die Differenz zwischen der, die durch die Turbine erzeugt wird und derjenigen, die durch den Verdichter verbraucht wird, dient zum Antrieb eines elektrischen Generators g.

Selbstverständlich kann diese Art der Erzeugung des Dampfes für das Gemisch auch benutzt werden für Anlagen, die aus mehreren Teilen bestehen, wo die Gruppen von Turbo-Kompressoren getrennt oder nicht getrennt sein können von den Nutzleistungsgruppen und bei allen gewöhnlichen Gebrauch von Gasturbinen.

Wenn die Menge des Wassers, über die man verfügt, nicht eine unmittelbare Einspritzung in den Verdichter gestattet, so kann man die Wärme der Auspuffgase benutzen für eine vorhergehende Reinigung dieses Wassers durch Verdampfung und nachfolgender Kondensation. Dies kann einfach bei sehr niedrigem Druck nach bekannten Verfahren erfolgen, erfordert aber dann Apparate von sehr grossen Abmessungen. Man kann diese Destillationsapparate sehr beträchtlich verringern, wenn man die Anordnung nach Abb. 2 benutzt.

In dieser Abbildung, welche ein einfaches Beispiel einer Gas-Dampf-Turbine mit Einspritzung von Wasser während der Verdichtung darstellt, treibt die Turbine f den axialen Verdichter b an und auch einen Nutzleitungs-Aufnehmer g, der irgendwelcher Art sein kann. Wie bei dem vorhergehenden Beispiel wird das von dem Verdichter b erzeugte Gemisch in dem Wärmeaustauscher a erwärmt vor seiner Einführung in die Verbrennungskammer d, in die bei e ein Brennstoff eingeführt wird.

Das in die Verteiler r des Verdichters b eingeführte Wasser rührt her von der Reinigungsvorrichtung eines Wasser irgendeiner Art, das bei 15 zugeführt wird. Im Innern eines Verdampfers 16 ist eine Einspritzdüsenanordnung 17 vorgesehen, die durch eine Pumpe 18 gespeist wird und eine Reihe von Zerstäubungsdüsen 19 dazu besitzt. Diese Zerstäubung erleichtert die Verdampfung des Wassers in dem Behälter 16, wo ein Druck herrscht, der etwas geringer als die Dampfspannung ist, die der unteren Temperatur des Wassers in dem Behälter 16 entspricht.

Der in dem Verdampfer 16 erzeugte Dampf wird durch den Verdichter 20 angesaugt und unter genügendem Druck in den Kondensator 21 eingeführt, während das nicht verdampfte Wasser in den unteren Teil des Behälters 16 zurückkehrt. Dieses Wasser fliesst durch die Schlange 22, die in dem Kondensator 21 angeordnet ist, wobei der dadurch erzeugte Umlauf dazu dient, den stark verdichteten Dampf zu kondensieren, wobei das Wasser der Schlange erwärmt wird.

Das Kondenswasser, welches sich im unteren Teil des Kondensators 21 aufspeichert, ist destilliertes Wasser und wird von der Pumpe 23 zu den Einspritzdüsen r des Verdichters b geführt. Eine ständig oder zeitweilig geöffnete Öffnung 24, die am tiefsten Punkt des Verdampfers 16 angebracht ist, gestattet die Unreinlichkeiten des bei 15 eingeführten Wassers abzuziehen. Dieses Wasser tritt in den Kreislauf zwischen Verdampfer 16 und Kondensator 21, nachdem es einen Teil des aus der Öffnung 24 austretenden Wassers in einem Austauscher 25 aufgenommen hat.

Die Gesamtheit des Gemisches der Umlaufpumpe 18 oder einfach nur eine Abzweigung dieses Gemisches, wie in Abb. 2 dargestellt, wird bei a(sub)1 wieder erwärmt durch die Wärme der Auspuffgase, wobei die Pumpe 26 dazu dient, den Umlauf in dieser Nebenleitung zu bewirken.

Diese Anordnung ist nur als Ausführungsbeispiel angegeben; sie kann für verschiedene Anlagen Verwendung finden, da sie unabhängig ist von dem Kreislauf der

Gas-Dampf-Anlage.

Die Abb. 3 zeigt schematisch ein Turbo-Strahltriebwerk für den Antrieb von Flugzeugen, bei welchem das Wasser in die Schaufeln des Verdichters b eingespritzt wird, welcher Verdichter das Gemisch in die Verbrennungskammern d drückt und dann in die Turbine f, wobei der Querschnitt des Auspuffrohres durch einen beweglichen Kegel q geregelt wird. Da der gesamte Verbrauch, der für ein Flugzeug in Frage kommt, aus dem Gewicht des Brennstoffes und des Wassers besteht, so folgt daraus, dass wenn man ständig das Gemisch benutzen will, die notwendige Menge des Wassers die Menge des Brennstoffes vermindert zum Schaden des Aktionsradius des Flugzeuges. Mann kann diesen Nachteil vermeiden, indem man die sehr vorteilhafte Verwendung des Gemisches aufspart für die nötige Überbelastung etwa beim Starten. Bei dem Beispiel nach Abb. 3 ist der Verdichter, von dem allein das erste und das letzte Rad dargestellt sind, ein Axial-Verdichter, aber es ist klar, dass die Erfindung auch auf jede andere Form des Verdichters Verwendung finden kann.

Man weiss andererseits, dass in einem Zentrifugal- oder Axial-Verdichter das Verhältnis der Verdichtung, die bei einer bestimmten Umlaufgeschwindigkeit erhalten wird, eine Funktion der Temperatur des angesaugten Fluidums ist.

Der Wirkungsgrad des Apparates ändert sich infolgedessen je nach dem Befinden des Flugzeuges am Boden oder in der Höhe. Beispielsweise fällt, wenn das Turbo-Strahltriebwerk für ein Verdichtungsverhältnis von 8 beim Höhenflug eingestellt ist, dieses Verhältnis auf ungefähr 6, wenn das Flugzeug über dem Boden fliegt.

Wenn man Wasser einspritzt, so führt die Abkühlung des Ganzen, die durch die Verdampfung dieses Wassers hervorgerufen wird, zu einer Verminderung des ausgestossenen Volumens im Verhältnis zu einem gleichen angesaugten Volumen.

Wenn das Turbo-Strahltriebwerk oder -Kompressor für eine grosse Höhe angepasst ist, so wird seine Wirkung am Boden mit Einspritzung des Wassers sich mehr dieser Anpassung nähern als ohne Einspritzung.

Man sieht, dass es möglich ist, indem man die Einspritzung von Wasser beim Starten anwendet, den Kompressor, welcher so ausgeführt ist, um in grosser Höhe zu fliegen, unter den besten Bedingungen zu benutzen. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Menge des einzuspritzenden Wassers und seine Verteilung nicht diejenige sein, die für eine ständige und vollständige Sättigung des Gemisches nötig sind, sondern diejenigen, welche für eine geringere Abkühlung nötig sind, die genauer der Anpassung an die verschiedenen Stufen des Kompressors entspricht.

Die Abb. 4 zeigt als Ausführungsbeispiel eine Anordnung der selbsttätigen Regelung der Menge des an einer Stelle des Verdichters eingeführten Wassers. Diese Menge hängt im wesentlichen von der Menge der verdichteten Luft ab und von der Erhöhung der Temperatur der Luft zwischen diesem Punkt und dem Punkt der vorhergehenden Einspritzung. Diese Veränderlichen, nämlich Luftgewicht und Erhöhung der Temperatur sind unmittelbar verbunden mit der Vergrösserung des Druckes im Verhältnis zum Anfangsdruck.

Man kann daher diese Druckvergrösserung zum Regeln der die Menge des einzuspritzenden Wassers verwenden.

In der Abb. 4 bewegt eine biegsame Membran 31 die Öffnung des Nadelventils 32 zur Regelung der von 33 kommenden Menge des Wassers für die Einspritzung. Die eine der Flächen der Membran 31 ist durch die Leitung 34 dem in dem Verdichter vorhandenen Druck an der Stelle der Einspritzung unterworfen; die andere Fläche erhält durch die Leitung 35 den an der vorhergehenden Stelle der Einspritzung erforderlichen Druck. Die Druckdifferenz wird durch eine Feder 36 ausgeglichen, deren Spannung das Gleichgewicht des Ganzen sichert und auch die genaue Stellung des Nadelventils 32 für die Regelung der Wassermenge.

Die Abb. 5 und 6 stellen zwei andere Ausführungsformen der Einspritzung des Wassers in den Verdichter dar. Nach Abb. 5 sind kleine Kanäle 47a und 47b in der Welle 48 des Verdichters vorgesehen, welche Kanäle zu je einer der Einspritzzonen gehören. Jeder der Kanäle 47a und 47b wird gespeist durch gekrümmte feste Rohre 49a und 49b, welche in kreisförmige Kammern 49'a und 49'b münden. Diese Kanäle 47a und 47b führen je in eine kreisförmige Kammer 49d, an welche sich die Leitungen 40 anschliessen, die in einer Scheibe 41 vorgesehen sind, die sich mit der Welle 48 dreht. Die Anordnung dieser gekrümmten Rohre gestattet, stets einen Überschuss von Wasser zu halten, dessen Höhe unter der Wirkung der Fliehkraft ständig dem Druck das Gleichgewicht hält, welcher in dem Verdichter an der Einspritzstelle herrscht.

Die Zerstäubungsdüsen 42 gestatten eine radiale Einspritzung in die Luft während der Verdichtung.

Gemäss der Abb. 6 sind Leitungen 40 unmittelbar in dem Rad des Verdichters vorgesehen. Die radiale Einspritzung geschieht zwischen zwei folgenden Schaufeln des Rades und es ist möglich, so eine gewisse Zahl von Einspritzpunkten anzuordnen, die über den Umfang des betreffenden Rades verteilt sind, um eine gute Verdampfung des Wassers in dem Luftstrom zu erzeugen.

Die Abb. 7 und folgende betreffen Anordnungen, bei welchen keine Zuführung des Wassers in Form von Flüssigkeit in den Gasstrom erfolgt, was gestattet, sowohl die Destillationsanlage, wie sie anhand der Abb. 2 beschrieben ist, als auch jeden anderen besonderen Destillationsapparat zu vermeiden.

Bei jeder der Ausführungsformen nach den Abb. 7 - 10 umfasst die Nutzleistungs-Gruppe den Nutzleistungs-Aufnehmer g, eine Hochdruckturbine f(sub)1 und eine Niederdruckturbine f(sub)2, deren jede ihre Verbrennungskammer d(sub)1 und d(sub)2 hat mit Einspritzung des Brennstoffes bei e(sub)1 und e(sub)2.

Die Gruppe für die Verdichtung ist doppelt: Die Niederdruckturbine f(sub)4, der die Verbrennungskammer d(sub)4 vorgeschaltet ist, treibt die Niederdruck-Kompressoren b(sub)2 und b(sub)1 an, während die Hochdruckturbine f(sub)3, der die Verbrennungskammer d(sub)3 vorgeschaltet ist, die Hochdruck-Kompressoren b(sub)3 und b(sub)4 antreibt. Ein Anlassmotor c ist am Ende dieser letzteren Gruppe angebracht.

Gemäss der Abb. 7 sind Sättigungs-Verdampfer h(sub)1, h(sub)2 und h(sub)3 zwischen jede Kompressionsstufe geschaltet. Diese Vorrichtungen halten das Wasser im unteren Teil. Das Wasser wird durch einen Sammler auf ein System von zylindrischen oder sonstwie gestalteten Rohren I verteilt, die an ihrem oberen Ende offen sind, aber von festen Kappen k überdeckt, welche das Wasser abzweigen, von oben nach unten auf der Aussenfläche des Rohres herabzurieseln. Dieses herabrieselnde Wasser wird teilweise durch den Druckluftstrom verdampft, der aus der vorhergehenden Kompressionsstufe kommt, wobei ein Lamellenabscheider l, der über den Rohren angeordnet ist, die Mitnahme von Flüssigkeitsteilen in die folgende Kompressionsstufe verhindert. Am unteren Ende sammelt eine Tasche m die Unreinlichkeiten und das nicht verdampfte Wasser, was hier abgezogen wird.

Der dargestellte Sättigungs-Verdampfer kann durch jeden anderen Apparat ersetzt werden, in welchem das Wasser über senkrechte oder geneigte Flächen rieselt oder durch eine Sättigungsvorrichtung mit Zerstäubung und nachgeschaltetem Wasserabscheider.

Wie ersichtlich, sättigt sich die verdichtete Luft mit Dampf zwischen den Kompressionsstufen, wobei die bei der Kompression erzeugte Wärme für die Verdampfung des Wassers benutzt wird. Das aus dem letzten Kompressor b(sub)4 herauskommende verdichtete Luft-Dampf-Gemisch wird in dem Wärmeaustauscher a vor seinem Eintritt in die Verbrennungskammern der Hochdruckturbinen erwärmt, und zwar wird dieser Wärmeaustauscher von den Auspuffgasen der Niederdruckturbine durchzogen.

Bei dieser Anordnung gemäss Abb. 7 werden die Sättigungs-Verdampfer mit kaltem Wasser gespeist. Da die Auspuffgase, die durch den Wärmeaustauscher a hindurchgehen, noch eine gewisse Wärmemenge besitzen, so ist es möglich, den thermischen Wirkungsgrad noch zu verbessern, wenn man die Anordnung gemäss

Abb. 8 trifft, bei welcher noch ein zweiter Austauscher a(sub)1 hinter dem Austauscher a in den Strom der Auspuffgase eingeschaltet ist. Dieser Austauscher a(sub)1 sichert die Erwärmung des Wassers, das einem zusätzlichen Sättigungs-Verdampfer h(sub)4, der am Ausgang des Kompressors b(sub)4 angeordnet ist, zugeführt wird. Der Umlauf des warmen Wassers wird durch eine Pumpe n gesichert, wobei eine gewisse Menge kalten Wassers von aussen zusätzlich in den Umlauf durch den Hahn r zugeführt wird. Diese Erwärmung des Wassers gestattet, die eingeführte Wärme nützlich in dem Kreislauf zu vergrössern durch eine bessere Wiedergewinnung der Wärme des Auspuffs.

In Bezug auf die Abb. 9, so wird bei dieser Anordnung die Auspuffwärme noch besser ausgenutzt, indem man der Temperaturerhöhung, welche sich notwendig im Laufe der Verdichtung des Gemisches einstellt, nachfolgt und jeder Sättigungs-Verdampfer seinen Kreislauf zur Erwärmung des Wassers hat. Der Wärmeaustauscher a(sub)1, der sich unmittelbar hinter dem Austauscher a befindet, wird in den Kreislauf des Hochdruck-Sättigungs-Verdampfers h(sub)3 eingeschaltet. Der Austauscher a(sub)2 ist eingeschaltet in den Kreislauf des Sättigungs-Verdampfers h(sub)2 mittleren Druckes und der Austauscher a(sub)3 in den Sättigungs-Verdampfer h(sub)1 niederen Druckes. So können die Auspuffgase ausgenutzt werden bis auf eine Temperatur, die sehr nahe der des gesättigten, unter verhältnismässig geringen Druck stehenden Gemisches ist.

Um in jedem Fall zu vermeiden, dass diese Auspufftemperatur unter den Taupunkt fällt, ist in jedem der Kreisläufe der Austauscher und der Sättigungs-Verdampfer ein Ver- teiler u vorgesehen, etwa ein Dreiwege-Hahn, der mehr oder weniger die zu den Sättigungs-Verdampfer führenden Kreisläufe umleitet. Ein der Temperatur des Wassers beim Eintritt in jeden Austauscher unterworfener Thermostat betätigt unmittelbar oder unter Einschaltung eines Servomotors den Verteiler u. Bei sehr kleiner Last kann dieser Verteiler sogar den Kreislauf der Sättigungs-Verdampfer vollkommen abschliessen und alsdann tritt keinerlei Verlust ein; der Wasserstrom, der durch den Austauscher hindurchgeht nimmt sehr schnell die gewünschte Temperatur an. Es ist in gleicher Weise zulässig, dass dieser Strom auch noch einen äusseren Erwärmer z erhält, beispielsweise eine elektrische Heizung, die es gestattet, ihn auf eine Temperatur zu bringen, die höher als die Taupunkt-Temperatur der Auspuffgase ist, bevor die Anlage in Betrieb gesetzt wird.

In der Ausführungsform nach dieser Abb. 9 speichert sich das nicht verdampfte Wasser in einem Sammelgefäss s an, von dem es teilweise für die Speisung der Sättigungs-Verdampfer benutzt wird, während der Überschuss und die in dem Gefäss s abgesetzten Unreinlichkeiten abgezogen werden, nachdem sie für eine Vorerwärmung des Zuschusswassers in dem Austauscher q gedient haben.

Gemäss der Ausführung nach Abb. 10 und stets zu dem Zweck zu vermeiden, dass die Temperatur der Gase unter den Taupunkt fällt, oder genauer, um zu vermeiden, dass diese in Berührung mit einer Wand treten bei einer Temperatur, die unter diesem Punkt liegt, so wird die Erwärmung der Kreisläufe der Sättigungs-Verdampfer mittels eines Hilfs- stromes erhalten, der durch irgendeine Flüssigkeit durchströmt. Bei dieser Ausführung nach Abb. 10 ist zur Vereinfachung nur ein einziger Hilfsstrom dargestellt; man können natürlich auch so viel Hilfsströme anordnen als Wärmeaustauscher vorhanden sind, da der Zweck dieser Ströme, wie schon gesagt, darin besteht, wie auch immer die dem Sättigungs-Verdampfer zugeführte Temperatur des Wassers sein mag, das Wasser oder die Flüssigkeit zu einer geeigneten Temperatur aufrecht zu erhalten, um die Wärme der Auspuffgase auszunutzen.

Bei der Ausführung nach Abb. 10 ist die Anordnung die folgende: Für die Sättigungs-Verdampfer niederen Druckes h(sub)1 und mittleren Druckes h(sub)2 ist ein Verteiler u vorgesehen, der demjenigen nach der Abb. 9 entspricht, und der die Menge des Sättigungs-Kreislaufes, der durch die Austauscher p(sub)1, p(sub)2 und p(sub)3 hindurchgeht, derart begrenzt, dass die Temperatur des Wassers beim Eintritt in den Sättigungs-Verdampfer gleich oder sehr nahe der Temperatur der beim Eintritt in die Kompressoren b(sub)2 oder b(sub)3 verdichteten Flüssigkeit entspricht. In dieser We3ise wird durch die Austauscher p(sub)1, p(sub)2 nur eine geringe Menge der Wärme entfernt, während im Gegensatz dazu in p(sub)3 ein Maximum verbleibt. Für den Hochdruck-Sättigungs-Verdampfer h(sub)3 gemäss Abb. 10 wird die Menge in dem Austauscher p(sub)2 beschränkt, damit die Temperatur der zusätzlichen Flüssigkeit beim Eintritt in den Austauscher a(sub)1 etwas über oder sehr nahe der Temperatur sei, welche dem Taupunkt der Auspuffgase entspricht.

In der Abb. 10 sind die Regelvorrichtungen für die

Verteiler schematisch durch die Thermostaten mit zwei Lamellen dargestellt, d.h. mit Differential-Thermostaten v für die Sättigungs-Verdampfer niederen und mittleren Druckes und durch einen einfach wirkenden Thermostaten w für den Sättiger hohen Druckes h(sub)3.

Wie bei der Ausführungsform nach Abb. 9 kann eine Hilfserwärmung z vorgesehen werden, um vor Ingangsetzung der Anlage die Temperatur der Hilfsflüssigkeit auf einen gewünschten Wert zu bringen oder um diese zu erhalten bei sehr kleiner Last.

Es kann natürlich auch in einer gleichen Anlage verschiedene Art und Weise der Zuführung des Wassers zu den Sättigungs-Verdampfern vorgenommen werden, beispielsweise kann der Sättigungs-Verdampfer niederen Druckes h(sub)1 mit kaltem Wasser gespeist werden und die folgenden Sättiger durch die anderen, oben bereits beschriebenen Massnahmen.

Die Regulierung gemäss Abb. 9 und 10 kann auch bei der Anordnung nach Abb. 8 Verwendung finden, und die Erfindung betrifft in gleicher Weise jede andere Art der Verwendung dieser Regelung, die dasselbe Resultat ergibt, d.h. die den Taupunkt in den Auspuffgasen vermeidet durch eine Beschränkung des zu dem Wärmeaustauscher zugelassenen Stromes.

Es besteht ein Interesse daran, um die in der Kompression aufgewendete Energie zu vermindern und die Abmessungen der Verdichter zu verringern, diese von einer minimalen Dampfmenge durchströmen zu lassen und infolgedessen den Punkt, wo der Dampf mit der Luft gemischt wird, bis an das Ende der Kompression zu verlegen. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, wenn man einen eingehäusigen Verdichter vorsieht, wobei der Sättigungs-Verdampfer hinter dem Verdichter ange- ordnet wird und mit Maximaldruck arbeitet. Das dem Sättigungs-Verdampfer zugeführte Wasser kann durch jede geeignete Quelle erwärmt werden, insbesondere durch die Auspuffgase, ob ein Austauscher vorhanden ist oder nicht, der auf das verdichtete Gemisch vor der Verbrennung die Wärme des ausgedehnten Gemisches überträgt.

Bei der Ausführungsform nach Abb. 11 ist ein Verdichter b in Gestalt eines Zentrifugal-, Axial- oder Kolben-Kompressors vorgesehen, der die Luft bei 1 ansaugt und sie bei 2 verdichtet abgibt. Bevor die komprimierte Luft in die Verbrennungskammer d eingeführt wird, die vor die den Verdichter b und den Nutzleistungs-Abnehmer g antreibende Turbine f geschaltet ist, fliesst diese durch einen Verdampfer h, wo sie mit durch eine Düsenanordnung 3 zerstäubtem warmen Wasser in Berührung kommt. In diesem Verdampfer sättigt sich die Luft zu einem Prozentsatz, der mehr oder weniger nahe ihrem Sättigungspunkt liegt, indem dem Wasser eine Wärmemenge entnommen wird, die von den jeweiligen Drucken und Temperaturen abhängt und auch von der Zeit in den Berührungsoberflächen. Um die grösste Wirksamkeit zu erhalten ist es vorteilhaft, dass die Richtung des Stromes der Luft und des Wassers umgekehrt wird, d.h. beispielsweise bei einem senkrechten Apparat, dass die Luft unten eingeführt wird, während das Wasser am oberen Teil eintritt.

Das abgekühlte Wasser wird unten durch eine Umlaufpumpe t entnommen, nachdem es bei 4 einen Zusatz erhalten hat, der die Verdampfungs- und die Reinigungsverluste ausgleicht, wenn dies erforderlich ist.

Es fliesst alsdann durch den Austauscher a(sub)1, der schematisch durch eine Rohrschlange angedeutet ist, die mit der Auspuffwärme in Berührung kommt, und die sich hinter dem Austauscher a befindet, der dem verdichteten Gemisch die in dem entspannten Strom noch vorhandene Wärme zuführt.

Der Luftverdichter b arbeitet daher allein mit Luft, während der Dampf nur der Luft am Ende der Kompression zugeführt wird.

Wenn die Berührung der Luft mit dem Wasser genügend ist und auch genügend Zeit und Oberfläche in dem Verdampfer h zur Verfügung stehen, so erhält man einen Teildruck des Dampfes des Gemisches, der etwa unter dem Druck des Dampfes liegt, der bei der Wassertemperatur gesättigt ist.

Ohne von dem Grundgedanken der Erfindung abzuweichen, könne die Rohrschlange a(sub)1, die zum Erwärmen des Wassers durch die Auspuffgase dient, ersetzt werden durch jede andere Wärmequelle, wie etwa beispielsweise schematisch in der Abb. 11 punktiert ab a(sub)1' angedeutet ist, wobei diese Schlange in irgendeinem Wärme abgebenden Mittel liegt.

Es wäre möglich, dass in gewissen Fällen mehr Wert auf eine Vermehrung der spezifischen Leistung als auf eine Erhöhung des Wirkungsgrades gelegt wird. Man könnte dann die Wirksamkeit des Austauschers a vermindern, was gestatten würde, den Zusatz von Wärmeeinheiten zu dem dem Verdampfer h zugeführten Wasser zu erhöhen, d.h. schliesslich die in den Kreislauf eingebrachte Dampfmenge.

Schliesslich könnte der Austauscher a fortfallen, wobei dann der aus dem Verdampfer h herauskommende Strom unmittelbar der Verbrennungskammer d zugeschickt wird und alle in den Auspuffgasen der Turbine f enthaltenen Wärmeeinheiten für die Erwärmung der Schlange a(sub)1 benutzt werden, die von dem für den Verdampfer h dienenden Wasser durchflossen wird.

Wenn mehrere getrennte Kompressoren vorhanden sind, die in Serie geschaltet sind, und wenn der Höchstdruck, unter welchem der Kreislauf erfolgt, nicht zu hoch ist, so ist es auch möglich, den Dampf am Ende der Kompression zu erzeugen, indem man so den Vorteil hat, keine Kompressionsarbeit für den Dampf in den ersten Stufen der Kompression zu benötigen.

Man braucht dann nur Luft durch die erste oder die ersten Stufen der Verdichter hindurchtreten zu lassen und man benutzt die Kompressionswärme in den Stufen sowie nötigenfalls die Turbinen-Abgaswärme ganz oder teilweise, um das zu dem einzigen Verdampfer zugeführte Wasser zu erwärmen, welcher hinter der letzten Kompressions- oder Sättigungsstufe angeordnet ist, die zwischen den letzten Kompressionsstufen liegen oder hinter beiden zusammen.

Bei der Ausführungsform nach Abb. 12 handelt es sich um eine Anlage mit zwei getrennten Verdichtern b(sub)1 und b(sub)2, die in Serie geschaltet sind und mit zwei Ausdehnungsstufen besitzen, nämlich Hochdruckturbinen f(sub)1, die parallel geschaltet sind und eine Niederdruckturbine f(sub)2; dabei sind Zwischenbrennkammern d(sub)2 angeordnet, und der Zwischenraum zwischen den beiden Kompressoren b(sub)1 und b(sub)2 enthält eine Schlange s, welche dazu dient, gleichzeitig die Luft abzukühlen und das zu dem Verdampfer h geführte Wasser zu erwärmen, welcher

Verdampfer hinter dem Hochdruck-Kompressor b(sub)2 angeordnet ist. Das aus der Schlange s kommende Wasser erhält eine zusätzliche Erwärmung in der Schlange a(sub)1 durch die Auspuffgase, um schliesslich in den Verdampfer h eingespritzt zu werden.

Die Anlage naqch Abb. 12 kann in gewissen Fällen eine vorläufige Reinigung des ganzen in den Kreislauf eingeführten Wassers benötigen. Die Ausführung nach Abb. 13 gestattet, die Menge des zu reinigenden Wassers auf diejenige zu vermindern, welche der Verdampfung in dem Verdampfer h entspricht und den unvermeidbaren Verlust.

Das Wasser des Kreislaufs für die Verdampfung durchfliesst nur die ersten Elemente der Schlange s, d.h. diejenigen, die von der verdichteten Luft umflossen werden, die eine höhere Temperatur hat als das aus dem Verdampfer kommende Wasser. Die zusätzliche Schlange s(sub)1 dieser Abkühlvorrichtung wird durch irgendeinen Wasserumlauf durchflossen. Bei dieser Anordnung kann das aus dem Verdampfer h kommende Wasser von neuem in den Kreislauf eingeführt werden. Beispielsweise zeigt Abb. 13 eine Weiterentwicklung der Ausdehnung, die von der der Abb. 12 verschieden ist, aber diese ist vollständig unabhängig von der dem System der Verdampfung des Wassers entsprechenden Ausführungsform.

Die Abb. 14 zeigt ein Beispiel, bei welchem vier getrennte Verdichter in Serie vorgesehen sind, nämlich b(sub)1, b(sub)2, b(sub)3 und b(sub)4. Die Wärme der in dem ersten Verdichter b(sub)1 erzeugten Kompression wird benutzt, um in einer Schlange l das in einem ersten Verdampfer h(sub)1 zerstäubte Wasser zu er- wärmen, wobei das nötige Zusatzwasser in den Kreislauf dieses Verdampfers durch eine Pumpe t(sub)1 eingeführt wird. Dieser Verdampfer h(sub)1 ist selbst angeschlossen an die Luft, die von dem zweiten Verdichter b(sub)2 kommt und zu dem dritten Verdichter b(sub)3 führt. Zwischen diesem dritten Verdichter b(sub)3 und dem letzten Verdichter b(sub)4 ist ein zweiter Verdampfer h(sub)2 angeschlossen, dessen Wasser durch eine Schlange a(sub)1 erwärmt wird, die von dem Austauscher a in den Zug der Auspuffgase eingebaut ist.

Das Zuschusswasser für den Verdampfer h(sub)2 wird durch eine Pumpe t(sub)2 beschafft. Die vier Verdichter werden angetrieben durch vier Turbinen f(sub)1, f(sub)2, f(sub)3 und f(sub)4, von denen die parallel geschaltete Gruppe f(sub)1, f(sub)2 der f(sub)3, f(sub)4 vorgeschaltet ist, während eine fünfte Turbine f(sub)5 einen Nutzleistungsaufnehmer g antreibt. Wenn notwendig kann ein dritter Verdampfer hinter dem letzten Verdichter b(sub)4 vorgesehen werden mit Erwärmung des diesem Verdampfer zugeführten Wassers durch eine Schlange, die in dem Zug der Auspuffgase zwischen dem Austauscher a und der Schlange a(sub)1 angeordnet ist.

Claims (16)

1. Gas-Dampf-Turbinenanlage aus einer oder mehreren Turbinen bestehend, die durch ein Gemisch hoher Temperatur aus Gas und Wasserdampf angetrieben werden, wobei die Gase selbst erzeugt werden, indem sie aus der vorher verdichteten Luft entstehen, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um das Wasser zu erwärmen und zu verdampfen durch die Kompressionswärme der Luft.

2. Ausführungsform der Gas-Dampf-Turbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser vorher in einem durch die Auspuffgase der Turbinen erwärmten Austauscher erwärmt wird.

3. Ausführungsform der Gas-Dampf-Turbinenanlage nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der zur vorherigen Erwärmung des Wassers dienende Austauscher in dem Zug der Auspuffgase der Turbinen hinter dem Austauscher angeordnet ist, der zur Erwärmung des Gemisches von Luft und Dampf zwischen Hochdruckverdichter und Verbrennungskammer dient.

4. Ausführungsform der Gas-Dampf-Turbinenanlage nach den vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch Mittel, die dazu dienen, das Wasser in flüssigem Zustand in die Luft während der Kompression einzuspritzen.

5. Ausführungsform der Gas-Dampf-Turbinenanlage nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Mittel zur Regelung der Menge des eingespritzten Wassers, wobei durch den Kompressionsdruck der Luft eine selbsttätige Regelung stattfindet.

6. Ausführungsform der Gas-Dampf-Turbinenanlage nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reinigungsvorrichtung durch Verdampfung und nachfolgende Kondensation für das Wasser vorgesehen ist, die durch einen Teil der Wärme der Abgase der Turbinen erwärmt wird.

7. Ausführungsform der Gas-Dampf-Turbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf unter eigenem Teildruck in dem Innern der Luft erzeugt wird, und zwar entweder lediglich am Ende der Kompression oder gleichzeitig mit der Kompression, wobei die durch die Kompression oder durch die erste Stufe diese freigewordene Wärme für die Vorerwärmung des Wassers benutzt wird.

8. Ausführungsform der Gas-Dampf-Turbinenanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf in wenigstens einem Sättigungs-Verdampfer erzeugt wird, der von der bereits verdichteten Luft durchflossen wird, wobei das Wasser durch Herabrieseln in dem Verdampfer zugeführt wird, um jedes Mitreissen von flüssigem Wasser in die Luft zu vermeiden.

9. Ausführungsform der Gas-Dampf-Turbinenanlage nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Sättigungs-Verdampfer, die zwischen den verschiedenen Stufen der Kompression angeordnet sind.

10. Ausführungsform der Gas-Dampf-Turbinenanlage nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Sättigungs-Verdampfer, der am Austrittsende des Hochdruck-Luftkompressors vor dem Austauscher angeordnet ist.

11. Ausführungsform der Gas-Dampf-Turbinenanlage nach den Ansprüchen 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das dem oder den Sättigungs-Verdampfern zugeführte Wasser durch die noch in den Auspuffgasen der Turbine enthaltenen Wärmemengen vorgewärmt wird.

12. Ausführungsform der Gas-Dampf-Turbinenanlage nach den Ansprüchen 7 - 11, gekennzeichnet durch selbsttätige Vorrichtungen, die gestatten, die Temperatur des im Wärmeaustauscher durch die Auspuffgase erwärmten Wassers oberhalb einer unteren Grenze zu halten, um auf der Austauschfläche dieses Wärmeaustauschers den Taupunkt zu vermeiden.

13. Ausführungsform der Gas-Dampf-Turbinenanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung der Luft in einem einzigen Verdichter erfolgt und der Verdampfer hinter diesem Verdichter angeordnet ist, wobei das diesem Verdampfer zugeführte Wasser erwärmt wird entweder durch Benutzung der Wärme der Auspuffgase der Turbine oder durch irgendeine andere Wärmequelle oder durch eine Kombination von beiden.

14. Ausführungsform der Gas-Dampf-Turbinenanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung der Luft in mehreren Stufen erfolgt und der

Sättigungs-Verdampfer der Luft hinter der letzten Stufe angeordnet ist, wobei zwischen den Stufen angeordnete Wärmeaustauscher zur Erwärmung des dem Verdampfer zugeführten Wassers durch die Luft während der Verdichtung dienen.

15. Ausführungsform der Gas-Dampf-Turbinenanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung der Luft in mehr als zwei Stufen erfolgt und ein Sättigungs-Verdampfer zwischen den zwei letzten Stufen angeordnet ist und das diesem Verdampfer zugeführte Wasser durch die Kompressionswärme in den vorhergehenden Stufen erwärmt wird.

16. Ausführungsformen der Gas-Dampf-Turbinenanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompression in mehr als zwei Stufen stattfindet, dass die Kompression in mehr als zwei Stufen stattfindet und wenigstens zwei Verdampfer-Sättiger vorgesehen sind, von denen der eine zwischen den beiden letzten Stufen angeordnet ist und das dem einen dieser Verdampfer zugeführte Wasser durch die Kompressionswärme in der oder den vorhergehenden Stufen erwärmt wird, während das dem andern Verdampfer zugeführte Wasser durch die Auspuffgase erwärmt wird.