WO1999010639A1 - Vorrichtung zur energiegewinnung mittels einer strömungsmaschine - Google Patents

Vorrichtung zur energiegewinnung mittels einer strömungsmaschine Download PDF

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WO1999010639A1
WO1999010639A1 PCT/CH1998/000304 CH9800304W WO9910639A1 WO 1999010639 A1 WO1999010639 A1 WO 1999010639A1 CH 9800304 W CH9800304 W CH 9800304W WO 9910639 A1 WO9910639 A1 WO 9910639A1
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water
air
flow channel
outlet
gas turbine
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PCT/CH1998/000304
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French (fr)
Inventor
Jakob Keller
Hans Wettstein
Original Assignee
Abb Alstom Power (Schweiz) Ag
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/02—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being liquid
    • F04F5/04—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being liquid displacing elastic fluids
    • F04F5/08—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being liquid displacing elastic fluids the elastic fluid being entrained in a free falling column of liquid

Definitions

  • the invention relates to a device for energy generation according to the preamble of claim 1.
  • Turbomachines are used for energy generation, of which the gas turbine is a widespread energy-converting unit in the thermal engine category.
  • Gas turbines are operated with liquid and / or gaseous fuels.
  • a typical recuperator gas turbine construction has an air compressor, also called a turbo compressor, which draws in fresh air, which typically compresses to a pressure of 4 to 8 bar and, in certain circuits, is pressed into a heat exchanger in which it is, preferably, still hot , the turbine exhaust gas combustion is preheated.
  • the pressure at the end of the compressor is typically 12-30 bar.
  • the preheated and compressed supply air reaches a combustion chamber together with fuel, whereby hot or combustion gases of more than 1200 ° C are generated.
  • a large part of the losses of a gas turbine are related to the relatively high temperatures at the turbine outlet.
  • the pressure ratio of the gas turbine must be as large as possible so that the heat supplied in the combustion chamber can be converted as much as possible by the turbine into mechanical power.
  • high pressure ratios have the disadvantage that the compressed air becomes very hot. The consequence of this is that, at a specified turbine outlet temperature and with increasing pressure ratio, less and less heat per kilogram of air can be introduced into the combustion chamber.
  • there is no possibility of air preheating because the air temperature after the compressor at a high pressure ratio becomes higher than the exhaust gas temperature after the turbine.
  • the highest power density of a gas turbine is considered to be the highest efficiency at a lower pressure ratio reached.
  • the pressure ratio of the gas turbine is chosen so that an optimal compromise between performance and efficiency is achieved.
  • the thermal resilience of the individual components, which are necessary for the operation of gas turbines also plays an increasingly important role in the design and layout of such systems.
  • gas turbine systems should not be too complex and therefore too expensive to design, but on the other hand offer durable and high-quality products.
  • conventional compressor stages each consist of a rotor and stator equipped with rotor blades and guide vanes, by means of which the air flowing through the compressor stage is heated up to over 500 ° C. by compression from ambient temperature.
  • Such high temperatures put considerable strain on the materials used in the compressor stage, which has a lasting effect on the life of the individual components involved, so that complex and extensive cooling measures have to be taken to increase the resistance of the materials in the compressor area to the occurrence of high temperatures.
  • the cooling air is very hot, cooling becomes difficult and consumes a great deal of cooling air.
  • the invention is based on the object of designing a device for generating energy by means of a turbomachine according to the preamble of claim 1 in such a way that the power density and the efficiency and the service life of the components of the turbomachine, in particular their thermally stressed components, are to be increased.
  • the solution to the problem on which the invention is based is specified in claim 1.
  • Advantageous design features are the subject of the dependent claims.
  • a device for energy generation by means of a turbomachine preferably a gas turbine, for the drive of which a compressor arrangement for compressing a compressible medium, preferably air, is provided, which can be supplied via a feed system of the turbomachine directly or after interposing a combustion chamber in which the compressed medium is placed
  • a compressor arrangement for compressing a compressible medium preferably air
  • Addition of fuel is ignitable can be supplied, is designed such that the compressor arrangement provides at least one compressor stage in which the medium is isothermally compressible.
  • the invention is based on the idea of converting air into a pre-compressed state in the context of isothermal compression, in which the air can be compressed to a comparatively high degree, as is also possible in the case of conventional air compressor stages, but without reaching high compression temperatures, so that in extreme cases this is directly available for driving the gas turbine, avoiding a conventional partial air compressor and thus eliminating the need for the air compressor to be driven by the gas turbine.
  • the key advantage of isothermal compression is that the maximum possible heat input does not decrease with increasing pressure ratio. This means that the power density remains high even with a high pressure ratio. In addition, recuperation is always possible. Furthermore, the decisive advantage of an open cycle operated with an external isothermal compressor is that no products with efficiencies occur.
  • the invention can supply isothermally pre-compressed air to a conventional high-pressure pre-compressor stage, by means of which the air density is increased to a predetermined setpoint.
  • the temperature of the highly compressed air will pass after the high compression compressor unit from usually reduced to 555 ° C below 300 ° C.
  • the low temperature level of the highly compressed air within the compressor unit contributes in particular to the fact that any components present in the compressor unit, such as rotor blades on the rotor and guide vanes on the stator, are exposed to lower temperature loads, so that cooling measures can be dispensed with completely or at least partially, as a result of which the arrangement becomes easier to maintain and less expensive.
  • the cooling air consumption of the rotor and the turbine can be reduced considerably due to the low air temperature, which greatly increases the power density and efficiency of the system.
  • a gas turbine with the upstream isothermal compression offers improved properties with regard to the use of the waste heat from the exhaust gases emerging from the gas turbine, especially since, as explained above, the temperature level of the highly compressed air after leaving an isothermal compression downstream of the high-pressure precompressor stage is lower than in the case of compressors conventional gas turbine systems and therefore better heat transfer between a heat exchanger in which the exhaust gases from the gas turbine are recirculated (recuperator) and the highly compressed air.
  • the isothermal pre-compression of air according to the invention before entering a gas turbine or in a high-pressure compressor stage upstream of the gas turbine takes place in a particularly advantageous manner using gravitation along a gradient along which an air-water mixture falls through a suitably designed flow channel, the air undergoing isothermal compression by means of hydraulic compression.
  • the use of the combination according to the invention of isothermal pre-compression and an energy-generating fluid machine, preferably a gas turbine, is particularly suitable for orographically high water resources, such as mountain lakes, from which water can be extracted for hydraulic compression.
  • a preferably vertical flow channel which has an upper inlet and a lower outlet area, the diameter of the flow channel in the area of the inlet being larger than the diameter in the area of the outlet area.
  • a nozzle arrangement which atomizes the water and which, in large quantities, is intended to produce the greatest possible number of smallest water drops.
  • the air-water mixture produced in this way falls due to its inherent gravity through the gravitational field through the flow channel, the inner contour of which is designed such that the area near the inlet area has a largely constant cross-sectional area along the vertical extent of the flow channel, so that the speeds Align the air flow and the falling cloud of drops as quickly as possible by transmitting impulses.
  • the cross-section of the flow channel decreases in the falling direction, so that the relative speed difference between drop cloud and air or between water and bubbles is as small as possible. Without braking, the droplet cloud would be accelerated downwards with the gravitational acceleration.
  • v V2g (x + Xo) ' (1), where g denotes the acceleration of gravity and x is the downward coordinate. x 0 is a constant that corresponds approximately to the starting point of the free falling movement. If the air also followed the free fall, then the cross-sectional area of the compression shaft would have to be according to the law of volume conservation,
  • the cross section of the chute is now narrowed somewhat more slowly than according to (2).
  • the course of the constriction is chosen so that the braking effect of the air on the drop cloud leads to a constant relative small difference in speed between the drop cloud and air.
  • the braking may only be so strong that the relative speed difference, i.e. v-drops less v-air divided by v-drops remains sufficiently small. The drop braking then leads to isothermal compression of the air.
  • the air trapped between the water drops experiences a pressure increase in accordance with the law of Bemoulli, which corresponds to an isothermal compression.
  • the isothermally compressed air-water mixture passes through the outlet opening of the flow channel into a collecting basin or high-pressure chamber provided directly at the outlet opening, in which the water separates from the compressed air.
  • the separation process is comparable to the appearance of large air bubbles that occur in the area of a waterfall immersed in water.
  • the flow dynamics of the air-water mixture that falls through the flow channel can be compared with the dynamics of dust or dry snow avalanches.
  • dust or snow avalanches which consist of dry snow and thus trap a large amount of air, depending on the slope, forward speeds of over 400 km / h can be reached.
  • the isothermally pre-compressed air in the high-pressure chamber is directly connected to the turbomachine via a corresponding outlet duct if the degree of compression of the air is sufficiently high. Otherwise, the outlet duct is connected to a high-pressure precompressor stage, by means of which the air can be precompressed to a desired value.
  • the air-water mixture can also be introduced into the flow channel described above by means of rotary machines or by means of high-pressure jet arrangements with high flow speeds, so that basically achieving the iso- thermal compression with the flow channel is possible regardless of orographic conditions.
  • such solutions require an additional energy input, which, however, has to be taken into account in the overall efficiency when operating a gas turbine.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a bladder compressor to explain the isothermal compression
  • FIG. 1 The principle underlying the isothermal compression can be seen in FIG. 1.
  • An upper water reservoir 1 is connected to a flow channel 2, in which, in the example shown, between two successive water Packages 3, 3 'air pockets 4, 4' are provided, which are subject to the gravitational field of gravitational acceleration g and move downward in the flow channel 2, which is arranged vertically.
  • the weight of the water leads to an isothermal compression of the enclosed air packs. These then arrive in compressed form in a high-pressure chamber 5, which is provided in the lower region of the flow channel 2.
  • the water accelerated by gravitational acceleration g reaches a catch basin 6, in which the water comes to rest.
  • FIG. 2 shows an advantageous embodiment for the isothermal compression of an air-water mixture, which uses the potential energy of an elevated water reservoir 1.
  • the cross-sectional illustration shown in FIG. 2 shows a water atomization device 8, which atomizes the water of the upper water reservoir 1 into the finest water droplets with the addition of air.
  • the air-water mixture generated in the inlet area of the flow channel 2 is subject to the gravitational field and initially falls vertically in the flow channel 2 in free fall.
  • the flow channel 2 tapers with increasing depth of fall in such a way that the relative speed difference between the drop cloud and air remains sufficiently small and approximately constant.
  • the outlet opening of the flow channel 2 is connected to a high-pressure chamber 5, in which the water is separated from the compressed air.
  • the compressed air is from the high pressure chamber 5 via a Exhaust duct 7 is discharged and can be fed to a high-pressure compressor stage of a gas turbine.
  • the water collecting in the high-pressure chamber 5 is discharged from the high-pressure chamber 5 via a lower outlet duct 9, a hydropower turbine 10, preferably a Pelton turbine, which is provided in the lower outlet duct 9 being driven.
  • the falling distances and the inner contour of the flow duct 2 are to be suitably dimensioned.
  • typical depths of fall of the flow channel between 30 and 100 m are to be provided.
  • larger heads are provided.
  • about 0.1 to 0.5 m 3 of water per kg of air must be atomized into the smallest water droplets for efficient operation. The more water is atomized, the lower the fall distance within the flow channel can be.
  • Typical values for the diameter of the upper inlet area of the flow channel are approximately 2 to 7 m, depending on the gas turbine. The lower diameter in the outlet area of the flow channel, however, is typically 0.7 to 2 m.
  • FIG. 3 Another typical embodiment for isothermal compression is shown in FIG. 3.
  • the compressed air is discharged to the outside via a corresponding outlet duct 7.
  • the quantities of water flowing through the high-pressure chamber 5 are led into an upper collecting basin 6 in a subsequent, upwardly rising channel 11. In this way, the kinetic energy of the water is at least partially converted back into potential energy.
  • a return pump 12 is provided in the upper catch basin 6, by means of which the water located in the catch basin 6 can be returned to the upper water reservoir 1.
  • the air isothermally compressed in the manner described above can be made available to a turbomachine in different ways.
  • FIG. 4 shows different embodiments for operating a turbomachine for the energy gain.
  • the isothermally pre-compressed air from the isothermal compressor 13 is fed directly to the combustion chamber 14 of a gas turbine 15.
  • a recuperator 16 is provided which provides the waste heat from the exhaust gases 17 of the gas turbine 15 to the isothermally pre-compressed air.
  • a generator 18 is provided, which is connected to the gas turbine 15 via a shaft.
  • the isothermal compressor 13 is connected to a high-pressure compressor stage 19, which further compresses the isothermally pre-compressed air to a higher degree of compression.
  • the high-pressure pre-compressor 19 is followed by the combustion chamber 14, the turbine 15 and the generator 19 known per se.
  • FIG. 4c shows an isothermal compressor 13 which is connected to a high-pressure precompressor 19, the high-pressure supply air of which is fed to a high-pressure combustion chamber 20 which drives a high-pressure turbine 21.
  • the high-pressure turbine 21 is followed by a low-pressure combustion chamber 22, the hot gases of which are introduced into a low-pressure turbine 23.
  • the entire arrangement drives a generator for generating electrical energy via a shaft.
  • the gas turbine drives a pre-compressor stage kinematically, as a result of which a certain part of the nominal output of the gas turbine bine is lost, but by the isothermal pre-compression according to the invention a significant proportion of the energy to be used for the compression can be obtained.

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Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Energiegewinnung mittels einer Strömungsmaschine, zu deren Antrieb eine Verdichteranordnung zur Verdichtung eines komprimierbaren Mediums, vorzugsweise Luft, vorgesehen ist, das über ein Zuleitungssystem der Strömungsmachine direkt oder nach Zwischenschaltung einer Brennkammer, in der das komprimierte Medium unter Zusatz von Brennstoff entzündbar ist, zuführbar ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Verdichteranordnung wenigstens eine Verdichterstufe vorsieht, in der das Medium isotherm komprimierbar ist.

Description

Vorrichtung zur Energiegewinnung mittels einer Strömungsmaschine
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Energiegewinnung gemass Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Für die Energiegewinnung werden Strömungsmaschinen eingesetzt, von denen in der Kategorie der Wärmekraftmaschine die Gasturbine ein weitverbreitetes energieumwandelndes Aggregat darstellt. Gasturbinen werden mit flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen betrieben. Ein typischer Rekuperator-Gasturbinenaufbau weist einen Luftverdichter auf, auch Turbokompressor genannt, der Frischluft ansaugt, die typischerweise auf einen Druck von 4 bis 8 bar verdichtet und, bei bestimmten Schaltungen, in einen Wärmetauscher gedrückt wird, in dem sie, vorzugsweise, durch noch heisse, der Turbine entströmenden Verbrennungsgase vorgewärmt wird. Bei Anlagen ohne Rekuperator beträgt der Druck am Ende des Verdichters typischerweise 12-30 bar. Schließlich gelangt die vorgewärmte und komprimierte Zuluft gemeinsam mit Brennstoffen in eine Brennkammer, wobei Heiss- bzw. Verbrennungsgase grösser 1200°C entstehen. Diese Verbrennungsgase strömen mit grosser Geschwindigkeit in die Turbine und treiben diese an, die für gewöhnlich mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt ist. Eine Vielzahl von Anstrengungen werden unternommen, den Betrieb von Gasturbinen hinsichtlich ihrer Leistungsdichte und ihren Wirkungsgrades zu verbessern. Der Wirkungsgrad einer Gasturbine hängt grundsätzlich vom Verhältnis des Energieeintrages in die Gasturbine zu der durch die Gasturbine umgesetzten Energie ab, die mittels eines Generators in elektrische Energie umwandelbar ist. So gilt es, den Energieanteil, der theoretisch von den Verbrennungsgasen der Gasturbine zur Verfügung gestellt wird, aber nicht in elektrische Energie umgewandelt wird, zu reduzieren.
Ein grosser Teil der Verluste einer Gasturbine hängt mit den relativ hohen Temperaturen zum Turbinenaustritt zusammen. Damit die in der Brennkammer zugeführte Wärme zu einem möglichst hohen Prozentsatz von der Turbine in mechanische Leistung umgesetzt werden kann, muss das Druckverhältnis der Gasturbine möglichst gross gewählt werden. Allerdings haben hohe Druckverhältnisse den Nachteil, dass die komprimierte Luft sehr heiss wird. Dies hat zur Folge, dass bei einer festgelegten Turbinenaustrittstemperatur mit zunehmendem Druckverhältnis immer weniger Wärme pro Kilogramm Luft in die Brennkammer eingeleitet werden kann. Ausserdem entfällt die Möglichkeit einer Luftvorwärmung, weil die Lufttemperatur nach dem Verdichter bei hohem Druckverhältnis grosser wird als die Abgastemperatur nach der Turbine.
Eine weitere wichtige Verlustquelle bei Gasturbinen hängt damit zusammen, dass ca. 2/3 der mechanischen Leistung der Turbine zum Antrieb des Verdichters aufgewendet werden müssen. Weil Turbine und Verdichter Komponentenwirkungsgrade aufweisen, die kleiner als 1 sind, führt die Leistungsabgabe der Turbine zu dem Verdichter zu einem Produktwirkungsgrad, der dem Produkt der Komponentenwirkungsgrade entspricht, und deshalb deutlich geringer ist als die Komponentenwirkungsgrade.
Die erwähnten Gründen führen zu einem Kompromiss. Die höchste Leistungsdichte einer Gasturbine wird bei niedrigerem Druckverhältnis als der höchste Wirkungsgrad erreicht. In der Regel wird das Druckverhältnis der Gasturbine deshalb so gewählt, dass ein optimaler Kompromiss zwischen Leistung und Wirkungsgrad erzielt wird. Neben der Verbesserung der obengenannten Gesichtspunkte bezüglich der Leistungsdichte und des Wirkungsgrades von Gasturbinen, spielt auch die thermische Belastbarkeit der einzelnen Komponenten, die für den Betrieb von Gasturbinen erförderlich sind, für die Konzeption und Auslegung derartige Anlagen eine zunehmend bedeutende Rolle. Nicht zuletzt aus Wettbewerbsgründen gilt es Gasturbinenanlagen nicht zu aufwendig und demzufolge zu kostspielig zu gestalten aber andererseits langlebige und hochqualitative Produkte anzubieten.
So bestehen beispielsweise konventionelle Verdichterstufen jeweils aus einem, mit Lauf- und Leitschaufeln bestückten Rotor und Stator durch die die durch die Verdichterstufe hindurchströmende Luft durch die Kompression von Umgebungstemperatur auf bis zu über 500°C erwärmt wird. Derartig hohe Temperaturen strapazieren die verwendeten Materialien in der Verdichterstufe erheblich, wodurch die Lebensdauer der einzelnen beteiligten Komponenten nachhaltig beeinträchtigt werden, so dass aufwendige und umfangreiche Kühlmassnahmen zu treffen sind, um die Widerstandsfähigkeit der Materialien im Verdichterbereich gegenüber dem Auftreten von hohen Temperaturen zu steigern. Weil ausserdem die Kühlluft sehr heiss ist, wird die Kühlung schwierig und verbraucht sehr viel Kühlluft.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Energiegewinnung mittels einer Strömungsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart auszugestalten, dass die Leistungsdichte und der Wirkungsgrad sowie die Lebensdauer der Komponenten der Strömungsmaschine, insbesondere ihrer thermisch belasteten Komponenten, gesteigert werden sollen. Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhafte ausgestaltende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäss ist eine Vorrichtung zur Energiegewinnung mittels einer Strömungsmaschine, vorzugsweise einer Gasturbine, zu deren Antrieb eine Verdichteranordnung zur Verdichtung eines komprimierbaren Mediums, vorzugsweise Luft, vorgesehen ist, das über ein Zuleitungssystem der Strömungsmaschine direkt oder nach Zwischenschaltung einer Brennkammer, in der das komprimierte Medium unter Zusatz von Brennstoff entzündbar ist, zuführbar ist, derart ausgebildet, dass die Verdichteranordnung wenigstens eine Verdichterstufe vorsieht, in der das Medium isotherm komprimierbar ist.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, Luft im Rahmen einer isothermen Kompression, in der die Luft vergleichbar hoch verdichtet werden kann, wie es auch im Falle konventioneller Luftverdichterstufen möglich ist, jedoch ohne auf hohe Kompressionstemperaturen zu gelangen, in einen vorverdichteten Zustand überzuführen, so dass diese im Extremfall unter Vermeidung eines konventionellen Teilluftverdichters und somit Fortfall der Notwendigkeit des Antriebes des Luftverdichters durch die Gasturbine, direkt für den Antrieb der Gasturbine zur Verfügung steht. Der entscheidende Vorteil isothermer Verdichtung liegt darin, dass die maximal mögliche Wärmezufuhr mit zunehmendem Druckverhältnis nicht abnimmt. Damit bleibt die Leistungsdichte auch bei grossem Druckverhältnis hoch. Ausserdem ist Rekuperation immer möglich. Ferner besteht der entscheidende Vorteil eines offenen mit externem Isothermverdichter betriebenen Zyklus darin, dass keine Produkte von Wirkungsgraden auftreten.
Ferner ist es erfindungsgemäss möglich, isotherm vorkomprimierte Luft einer konventionellen Hochdruckvorverdichterstufe zuzuleiten, durch die die Luftdichte auf einen festgelegten Sollwert erhöht wird. Auf diese Weise wird die Temperatur der hochverdichteten Luft nach passieren der hochverdichtenden Verdichtereinheit von üblicherweise 555°C auf unter 300°C reduziert. Das niedrige Temperaturniveau der hochverdichteten Luft innerhalb der Verdichtereinheit trägt insbesondere dazu bei, dass jegliche in der Verdichtereinheit vorhandenen Komponenten, wie beispielsweise Laufschaufeln am Rotor sowie Leitschaufeln am Stator, geringeren Temperaturbelastungen ausgesetzt sind, so dass auf Kühlmaßnahmen vollständig oder zumindest teilweise verzichtet werden kann, wodurch die Anordnung einfacher in der Wartung und kostengünstiger wird. Ausserdem kann der Kühlluftverbrauch des Rotors und der Turbine wegen der niedrigen Lufttemperatur sehr stark abgesenkt werden, was Leistungsdichte und Wirkungsgrad der Anlage stark erhöht.
Schliesslich bietet eine Gasturbine mit der erfindungsgemäßen vorgeschalteten isothermen Kompression verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Nutzung der Abwärme der aus der Gasturbine austretenden Abgase, zumal, wie vorstehend dargelegt, das Temperaturniveau der hochverdichteten Luft nach Austritt aus einer der isothermen Kompression nachgeschalteten Hochdruckvorverdichterstufe geringer ist, als bei Verdichtern konventioneller Gasturbinenanlagen und daher ein besserer Wärmeübergang zwischen einem Wärmetauscher, in dem die Abgase der Gasturbine rückgeführt werden (Rekuperator) und der hochverdichteten Luft stattfindet.
Ein Nachschalten einer hochverdichtenden Verdichterstufe nach der isothermen Kompression erfordert zwar wiederum einen kinematischen Antrieb durch die Turbine, wodurch der vorstehend beschriebene Leistungsverlust der Gasturbine entsteht, doch ist dieser Energieanteil nun erheblich reduziert gegenüber der ausschliesslichen Vorverdichtung mittels konventioneller Verdichterstufen. Zudem tragen die niedrigeren Temperaturen der hochverdichteten Zuluft nach Austritt aus der hochverdichtenden Verdichterstufe zu einem besseren Wärmeübergang beim Rekuperator bei, was sich positiv auf eine Reduktion der Abgasemissionswerte auswirkt.
Die erfindungsgemässe isotherme Vorkompression von Luft vor Eintritt in eine Gasturbine oder in eine vor der Gasturbine vorgeschaltete Hochdruck-Verdichterstufe erfolgt in besonders vorteilhafter Weise unter Ausnutzung der Gravitation entlang einer Gefällstrecke, entlang der ein Luft-Wasser-Gemisch durch einen geeignet ausgebildeten Strömungskanal fällt, wobei die Luft im Wege hydraulischer Kompression eine isotherme Verdichtung erfährt.
Der Einsatz der erfindungsgemässen Kombination aus isothermer Vorverdichtung und einer energieerzeugenden Strömungsmaschine, vorzugsweise einer Gasturbine, eignet sich besonders an orographisch hochgelegenen Wasservorkommen, wie beispielsweise Bergseen, aus denen Wasser für eine hydraulische Kompression entnommen werden kann.
Hierzu ist ein vorzugsweise senkrecht verlaufender Strömungskanal vorgesehen, der einen oberen Einlass- und einen unteren Austrittsbereich aufweist, wobei der Durchmesser des Strömungskanals im Bereich des Einlasses größer ist als der Durchmesser im Bereich des Austrittsbereiches. Im Einlassbereich des Strömungskanals ist eine, das Wasser zerstäubende Düsenanordnung, angeordnet, welche in grosser Menge eine möglichst grosse Vielzahl kleinster Wassertropfen erzeugen soll. Ebenso ist bei der Wasserzerstäubung im Einlassbereich des Strömungskanals darauf zu achten, daß das zerstäubte Wasser mit einem möglichst grossen Luftvolumen vermischt werden soll. Das auf diese Weise erzeugte Luft-Wasser-Gemisch fällt aufgrund der Eigenschwere durch das Gravitationsfeld durch den Strömungskanal, dessen Innenkontur derart ausgebildet ist, daß der Bereich nahe dem Einlassbereich eine weitgehend gleichbleibende Querschnittsfläche entlang der vertikalen Erstreckung des Strömungskanals aufweist, so daß sich die Geschwindigkeiten der Luftströmung und der fallenden Tropfenwolke möglichst rasch durch Impulsübertragung angleichen. Sobald das Luft-Wasser-Gemisch eine bestimmte Fallgeschwindigkeit von ca. 6 bis 12 m/s erreicht hat, verkleinert sich der Querschnitt des Strömungskanals in Fallrichtung, so dass der relative Geschwindigkeitsunterschied zwischen Tropfenwolke und Luft bzw. zwischen Wasser und Blasen möglichst klein wird. Ohne Bremsung würde die Tropfenwolke mit der Gravitationsbeschleunigung nach unten beschleunigt. Die Geschwindigkeit v würde sich rasch nach der Formel v = V2g (x+Xo) ' (1) erhöhen, wobei g die Gravitationsbeschleunigung bezeichnet und x die nach unten gerichtete Koordinate sei. x0 ist eine Konstante, die etwa dem Startpunkt der freien Fallbewegung entspricht. Würde auch die Luft dem freien Fall folgen, dann müsste die Querschnittsfläche des Kompressionsschachtes nach dem Gesetz der Volumenerhaltung,
=> A = ^ÄF ( ) folgen, wobei An die Querschnittsfläche am Anfang des Fallschachtes und A die Querschnittsfläche an einer beliebigen Stelle bezeichnen.
Nun wird der Querschnitt des Fallschachtes erfindungsgemäss etwas langsamer verengt als nach (2). Der Verlauf der Verengung wird gerade so gewählt, dass die Bremswirkung der Luft auf die Tropfenwolke zu einer konstanten möglichst kleinen relativen Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Tropfenwolke und Luft führt.
Die Wirkungsgradeinbusse der Energieübertragung von der Tropfenwolke auf die Luft entspricht direkt der relativen Geschwindigkeitsdifferenz. Deshalb darf die Bremsung nur so stark sein, dass die relative Geschwindigkeitsdifferenz, d.h. v-Tropfen weniger v-Luft dividiert durch v-Tropfen genügend klein bleibt. Die Tropfenbremsung führt dann zu einer isothermen Kompression der Luft.
Durch die Strömungsquerschnittsverringerung erfährt die zwischen den Wassertropfen eingeschlossene Luft nach der Gesetzmäßigkeit von Bemoulli eine Druckerhöhung, die einer isothermen Kompression entspricht. Schließlich gelangt das isotherm komprimierte Luft-Wasser-Gemisch durch die Auslassöffnung des Strömungskanals in ein unmittelbar an der Auslassöffnung vorgesehenes Auffangbecken bzw. Hochdruckkammer, in der sich das Wasser von der komprimierten Luft abscheidet. Der Abscheidevorgang ist vergleichbar mit dem Auftreten grosser Luftblasen, die im Bereich eines in Wasser eintauchenden Wasserfalls entstehen.
Zudem kann die Strömungsdynamik des Luft-Wasser-Gemisches, die durch den Strömungskanal fällt, mit der Dynamik auftretender Staub- oder Trockenschneelawinen verglichen werden. Insbesondere bei Staub- bzw. Schneelawinen, die aus trok- kenem Schnee bestehen und somit eine grosse Menge an Luft einschliessen, können je nach Hanglage Vorwärtsgeschwindigkeiten von über 400 km/h aufweisen. Obertragen auf den in Rede stehenden Strömungskanal und die damit erreichbare isotherme Kompression bedeutet dies, daß für eine besonders effiziente Kompression ein möglichst stark mit Luft angereichertes Luft-Wasser-Gemisch mittels der Wasser-Zerstäubungseinrichtung zu erzeugen ist, so dass eine möglichst grosse Vielzahl kleinster Wassertropfen gebildet werden oder eine ebensolche Vielzahl kleinster Blasen in Wasser.
Die in der Hochdruckkammer isotherm vorverdichtete Luft ist über einen entsprechenden Auslasskanal mit der Strömungsmaschine direkt verbunden, falls der Verdichtungsgrad der Luft genügend hoch ist. Andernfalls ist der Auslasskanal mit einer Hochdruckvorverdichterstufe verbunden, mittels der die Luft auf einen gewünschten Wert vorverdichtet werden kann.
Der vorstehend geschilderte Fall nutzt insbesondere das natürliche Gefälle einer Orographie beispielsweise von Bergseen aus, wodurch Ressourcen geschont werden ohne Minderung der Leistung einer Strömungsmaschine.
Um die Vorteile der isothermen Kompression auch an Orten zu nutzen, an denen keine durch die Orographie vorgegebene natürliche Gefällstrecken vorhanden sind, ist das Luft-Wasser-Gemisch in den vorstehend geschilderten Strömungskanal auch mittels Rotationsmaschinen oder mittels Hochdruckstrahl-Anordnungen mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten einleitbar, so dass grundsätzlich das Erzielen der iso- thermen Kompression mit dem Strömungskanal unabhängig von orographischen Bedingungen möglich ist. Derartige Lösungen erfordern jedoch einen zusätzlichen Energieeintrag, der jedoch im Gesamtwirkungsgrad beim Betrieb einer Gasturbine mit zu berücksichtigen ist.
Es hat sich gezeigt, daß unter Nutzung der vorstehend beschriebenen isothermen Kompression die Netto-Ausgangsleistung von Gasturbinen um mehr als den Faktor 2 gesteigert werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Prinzipdarstellung eines Blasenkompressors zur Erläuterung der isothermen Kompression,
Fig. 2 Anordnung zur thermodynamischen Kompression mit Strömungskanal,
Fig. 3 Anordnung wie Figur 2 und zusätzlicher Teilrückführung des Wassers sowie
Fig. 4a, b, c Anordnungsvarianten für eine mit isothermer Kompression betreibbare Strömungsmaschine.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Das der isothermen Kompression zugrundeliegende Prinzip ist aus der Fig. 1 zu entnehmen. Ein oberes Wasserreservoir 1 ist mit einem Strömungskanal 2 verbunden, in den, im gezeigten Beispiel, zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Wasser- paketen 3, 3' Lufteinschlüsse 4, 4' vorgesehen sind, die im Gravitationsfeld der Erdbeschleunigung g unterliegen und sich im Strömungskanal 2, der senkrecht angeordnet ist, nach unten bewegen. Das Gewicht des Wassers führt zu einer isothermen Verdichtung der eingeschlossenen Luftpakete. Diese gelangen dann in verdichteter Form in eine Hochdruckkammer 5, die im unteren Bereich des Strömungskanals 2 vorgesehen ist. Im gezeigten Beispiel gelangt das durch die Erdbeschleunigung g beschleunigte Wasser in ein Auffangbecken 6, in dem das Wasser zur Ruhe kommt. Theoretische und praktische Untersuchungen zeigen, dass die Wirkungsweise der isothermen Kompression gesteigert werden kann, wenn ein bestimmtes Luftvolumen mit möglichst viel Wasseroberfläche in Kontakt kommt. Dies setzt voraus, dass das in den Strömungskanal einzuleitende Wasser in möglichst kleine Tropfen zu zerstäuben ist, um auf diese Weise ein fein verteiltes Luft-Wasser-Gemisch zu erzeugen. Das durch den Strömungskanal 2 hindurchtretende Luft-Wasser-Gemisch führt zu einem erheblichen Druckanstieg in der Hochdruckkammer 5, die einen Auslasskanal 7 vorsieht, durch den die isotherm vorverdichtete Luft gezielt abgeführt wird und beispielsweise unmittelbar der Brennkammer, die einer Gasturbine vorgeschaltet ist, zur Verfügung gestellt werden kann.
In Fig. 2 ist eine vorteilhafte Ausführungsform zur isothermen Kompression eines Luft-Wasser-Gemisches dargestellt, das die potentielle Energie eines hochgelegenen Wasserreservoirs 1 nutzt. Die in Fig. 2 dargestellte Querschnittsdarstellung zeigt eine Wasserzerstäubungseinrichtung 8, die das Wasser des oberen Wasserreservoirs 1 in feinste Wassertröpfchen unter Beimengung von Luft zerstäubt. Das in dem Einlassbereich des Strömungskanals 2 erzeugte Luft-Wasser-Gemisch unterliegt dem Gravitationsfeld und fällt zunächst im freien Fall senkrecht im Strömungskanal 2 nach unten. Der Strömungskanal 2 verjüngt sich mit zunehmender Falltiefe in der Weise, dass die relative Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Tropfenwolke und Luft genügend klein und etwa konstant bleibt. Die Auslassöffnung des Strömungskanals 2 ist mit einer Hochdruckkammer 5 verbunden, in der das Wasser von der verdichteten Luft getrennt wird. Die verdichtete Luft wird aus der Hochdruckkammer 5 über einen Auslasskanal 7 abgeführt und kann an eine Hochdruck- Verdichterstufe einer Gasturbine zugeführt werden. Das sich in der Hochdruckkammer 5 ansammelnde Wasser wird über einen unteren Auslasskanal 9 aus der Hochdruckkammer 5 ausgeschleust, wobei eine Wasserkraftturbine 10, vorzugsweise eine Pelton-Turbine, die im unteren Auslaßkanal 9 vorgesehen ist, angetrieben wird.
Je nach Leistungsdichte der mit der isotherm vorkomprimierten Luft versorgbaren Gasturbine sind die Fallstrecken sowie die Innenkontur des Strömungskanals 2 geeignet zu dimensionieren. Bei den derzeit bekannten, leistungsstarken Gasturbinen sind typische Falltiefen des Strömungskanals zwischen 30 und 100 m vorzusehen. Bei Anlagen ohne nachgeschaltetem Adiabat-Verdichter werden grössere Fallhöhen vorgesehen. Bei der Luft-Wasser-Gemischbildung sind für einen effizienten Betrieb etwa 0,1 bis 0,5 m3 Wasser pro Kg Luft in kleinste Wassertröpfchen zu zerstäuben. Je mehr Wasser zerstäubt wird, um so niedriger kann die Fallstrecke innerhalb des Strömungskanals ausgebildet sein. Typische Werte für den Durchmesser des oberen Einlaßbereiches des Strömungskanals betragen in Abhängigkeit der Gasturbine etwa 2 bis 7 m. Der untere Durchmesser im Auslassbereich des Strömungskanals hingegen beträgt typischerweise 0,7 bis 2 m.
Eine weitere typische Ausführungsform zur isothermen Kompression ist in Fig. 3 dargestellt. Das durch den trichterförmig ausgebildeten Strömungskanal 2 hindurchfallende Luft-Wasser-Gemisch, das mit Hilfe der Wasserzerstäubungseinrichtung 8 erzeugbar ist, gelangt in isothermisch komprimierter Form in die Hochdruckkammer 5, in der sich die Luft vom Wasser abscheidet. Ober einen entsprechenden Auslasskanal 7 wird die komprimierte Luft nach außen abgeführt. Die durch die Hochdruckkammer 5 durchfließenden Wassermengen werden in einem anschließenden, nach oben ansteigenden Kanal 11 in ein oberes Auffangbecken 6 geführt. Auf diese Weise wird die kinetische Energie des Wassers wenigstens teilweise in potentielle Energie zurückgewandelt. In dem oberen Auffangbecken 6 ist eine Rückführpumpe 12 vorgesehen, mittels der das in dem Auffangbecken 6 befindliche Wasser in das obere Wasserreservoir 1 zurückgeführt werden kann. Mit Hilfe dieser Anordnung ist es möglich, auch in orographisch ungünstigen Orten die thermische Kompression durchzuführen, indem lediglich der Strömungskanal 2 in den Boden eingebracht werden muß.
Die auf die vorstehend beschriebene Weise isotherm komprimierte Luft kann in unterschiedlicher Weise einer Strömungsmaschine zur Verfügung gestellt werden.
Aus Fig. 4 sind unterschiedliche Ausführungsformen zum Betrieb einer Strömungsmaschine für den Energiegewinn dargestellt.
In Fig. 4a wird die isotherm vorkomprimierte Luft aus dem isothermen Kompressor 13 direkt der Brennkammer 14 einer Gasturbine 15 zugeführt. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist ein Rekuperator 16 vorgesehen, der die Abwärme der Abgase 17 der Gasturbine 15 der isotherm vorverdichteten Luft zur Verfügung stellt. Zur Gewinnung elektrischer Energie ist ein Generator 18 vorgesehen, der mit der Gasturbine 15 über eine Welle verbunden ist.
In Fig. 4b ist der isothermische Kompressor 13 mit einer Hochdruck-Verdichterstufe 19 verbunden, die die isotherm vorkomprimierte Luft auf einen höheren Verdichtungsgrad weiter verdichtet. Dem Hochdruck-Vorverdichter 19 ist die Brennkammer 14, die Turbine 15 sowie der an sich bekannte Generator 19 nachgeschaltet.
Als weitere Variante zeigt Fig. 4c einen isothermischen Kompressor 13, der mit einem Hochdruck-Vorverdichter 19 verbunden ist, dessen hochverdichtete Zuluft einer Hochdruckbrennkammer 20 zugeführt wird, die eine Hochdruckturbine 21 antreibt. In einer zweiten Stufe ist der Hochdruckturbine 21 eine Niederdruckbrennkammer 22 nachgeschaltet, deren Heissgase in eine Niederdruckturbine 23 eingeleitet werden. Die gesamte Anordnung treibt über eine Welle einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie an.
Im Falle der Ausführungsformen 4b und 4c treibt zwar die Gasturbine kinematisch eine Vorverdichterstufe an, wodurch ein gewisser Teil der Nennleistung der Gastur- bine verlorengeht, doch ist durch die erfindungsgemäße isothermische Vorkompression ein erheblicher Anteil der für die Komprimierung aufzuwendenden Energie zu gewinnen.
Bezugszeichenliste
1 Oberes Wasserreservoir
2 Strömungskanal
3, 3'.. . Wasserpaket
4, 4'.. . Luftpaket
5 Hochdruckkammer
6 Auffangbecken
7 Auslasskanal
8 Wasserzerstäubungseinrichtung
9 Unterer Auslasskanal
10 Wasserkraftturbine
11 Kanal
12 Rückführpumpe
13 Isothermischer Kompressor
14 Brennkammer
15 Gasturbine
16 Rekuperator / Wärmetauscher
17 Abgase der Gasturbine
18 Generator
19 Hochdruck-Vorverdichter
20 Hochdruck-Brennkammer
21 Hochdruck-Turbine
22 Niederdruck-Brennkammer
23 Niederdruck-Turbine

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Energiegewinnung mittels einer Strömungsmaschine, zu deren Antrieb eine Verdichteranordnung zur Verdichtung eines komprimierbaren Mediums, vorzugsweise Luft, vorgesehen ist, das über ein Zuleitungssystem der Strömungsmaschine direkt oder nach Zwischenschaltung einer Brennkammer, in der das komprimierte Medium unter Zusatz von Brennstoff entzündbar ist, zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichteranordnung wenigstens eine Verdichterstufe vorsieht, in der das Medium isotherm komprimierbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterstufe einen Strömungskanal (2) aufweist, mit einem Einlass- und einem Austrittsbereich, wobei der Durchmesser des Einlassbereiches grosser als der des Austrittsbereiches ist, dass der Austrittsbereich mit einer Kammer (5) verbunden ist, die wenigstens zwei Auslasskanäle (7, 9) vorsieht, einen oberen und einen unteren Auslasskanal.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wasser- Zerstäubungseinrichtung (8) im Einlaßbereich vorgesehen ist, die die zu komprimierende Luft mit zerstäubten Wassertropfen vermischt, so dass ein Wasser-Luft-Gemisch entsteht, das durch den Strömungskanal (2) leitbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasser- Zerstäubungseinrichtung wenigstens eine Einspritzdüse aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (2) einen ersten Bereich mit in etwa gleichbleibenden Durchmesser aufweist, der sich in einem zweiten Bereich hin zur Austrittsöffnung derart verjüngt, dass die relative Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den zerstäubten Wassertropfen und der Luft annähernd konstant bleibt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser-Luft-Gemisch in die Kammer eintritt, in der sich das Wasser von der komprimierten Luft trennt, die durch den oberen Auslasskanal der Strömungsmaschine zuführbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Auslasskanal eine Wasserkraftmaschine zur Energiegewinnung vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Auslasskanal derart nach oben geführt ist, daß die Druckenergie des Wassers in potentielle Energie umwandelbar ist und ein oberes Sammelbecken mit Wasser füllt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (2) ein Gefälle aufweist, durch den das Wasser-Luft- Gemisch vermittels Gravitation fällt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass am Einlassbereich des Strömungskanals eine antreibbare Rotationseinheit vorgesehen ist, durch die das komprimierbare Medium beschleunigbar und durch den Strömungskanal leitbar ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Einlassbereich des Strömungskanal ein Hochdruckflüssigkeitsstrahl vorge- sehen ist, dessen Austrittsstrahl mit Luft vermischbar ist, so daß ein Wasser-Luft-Gemisch entsteht, das in den Strömungskanal einleitbar ist.
12. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an orographisch geeigneten Stellen, an denen die potentielle Energie eines hoch gelegenen Wasservorkommens mit einer Gefällstrek- ke genutzt werden kann, entlang der Strömungskanal verläuft.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine eine Gasturbine ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die isotherm verdichtete Luft einem hochverdichtenden Vorverdichter zuführbar ist, der mit einer Brennkammer verbunden ist, aus der die in der Brennkammer entstehenden Heissgase der Gasturbine zuführbar sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die isotherm verdichtete Luft direkt in die Brennkammer einleitbar ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die isotherm verdichtete Luft vor Eintritt in die Brennkammer thermisch an einen Wärmetauscher, der von der Abwärme der Abgase der Gasturbine thermisch gespeist wird, gekoppelt ist.
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