Gasturbinenanlage. Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage, bei der ein Teil des Arbeitsmittels unter Verdichtung in min destens einem Verdichter und Entspannung in mindestens einer Turbine in einem Kreis lauf umströmt, aus welchem ständig eine Teilmenge von Arbeitsmittel unter Entspan nung in mindestens zwei Turbinen entnom men wird und in welchen als Ersatz für die Entnahme durch mindestens einen Ver dichter Arbeitsmittel wieder eingeführt wird.
Die Erfindung ist dadurch gekenn zeichnet, dass mindestens eine einen Ver- dichter treibende Turbine durch den im Kreislauf umströmenden Teil des Arbeits mittels und mindestens eine andere, eben falls einen Verdichter antreibende Turbine und die Nutzleistungsturbine durch den aus dem Kreislauf entnommenen Teil des Arbeitsmittels beaufschlagt ist.
Die durch den aus dem Kreislauf ent nommenen Teil des Arbeitsmittels beauf schlagten Turbinen werden zweckmässig hintereinandergeschaltet. Es empfiehlt sich, hierbei die einen Verdichter antreibende Tur bine vor die Nutzleistungsturbine zu schal ten. Zwischen der Verdichterturbine und der Nutzleistungsturbine kann ein Gaserhitzer angeordnet sein, welcher zum Beispiel als Brennkammer ausgebildet ist, in welcher Brennstoff mit Hilfe des im entnommenen Teil des Arbeitsmittels enthaltenen Sauer stoffes verbrannt wird. Die Erfindung ist nachstehend an Hand von vier in den Fig. 1 bis 4 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher er läutert. Die Anlagen nach Fig. 2 und 3 sind grundsätzlich gleich gebaut wie die Anlage nach Fig. 1.
Die Anlage nach Fig. 2 ist mit gewissen Verfeinerungen ausgerüstet, welche zu einer Verbesserung hinsichtlich Wir kungsgrad, Regelmöglichkeit und Platzbe darf führen. Die Anlage nach Fig. 3 unter scheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 durch umgekehrte Reihenschaltung der Tur binen, welche von dem aus dem Kreislauf entnommenen Teil des Arbeitsmittels beauf- schlagt sind.
Die Besonderheit der Anlage nach Fig. 4 besteht darin, dass die Turbine, welche von dem aus dem Kreislauf entnom menen Teil des Arbeitsmittels beaufschlagt ist, einen Kreislaufverdichter treibt, während der die Ersatzluft fördernde Verdichter durch eine Kreislaufturbine betrieben wird. In allen Figuren sind für entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Die durch die Verdichter 1 und 2 unter Zwischenkühlung im Kühler 3 verdichtete Luft wird zum Teil durch eine Leitung 4 dem Wärmeaustauscher 5 und zum andern Teil durch eine Leitung 6 dem Wärmeaus- tauscher 7 zugeführt. Die beiden parallel im Luftstrom liegenden Wärmeaustauscher 5 und 7 kommen als Vorwärmer zur Wirkung, wobei die Verteilung der Luftmengen durch die in den Leitungen 4 und 6 angeordneten Durchflussorgane den Betriebserfordernissen angepasst werden kann.
Die beiden Teilmen gen der Luft vereinigen sich in vorgewärm tem Zustand in der Leitung 8, um erneut an der Stelle 9 in zwei Teile aufgeteilt zu wer den. Der eine Teil strömt durch die Leitung 10 in den die Rohre 11 des Gaserhitzers 12 umgebenden Raum. In erhitztem Zustand ge langt dann die verdichtete Luft durch die Leitung 13 in die Turbine 14, wo sie unter Entspannung und Abkühlung einen wesent lichen Teil ihrer Energie an den Läufer ab gibt. Die entspannte Luft strömt durch die Leitung 15 in den Wärmeaustauscher 5, in welchem sie beim Durchströmen der Rohre 16 die durch die Leitung 4 zugeführte Teil menge der verdichteten Luft vorwärmt.
Nach Austritt aus dem Wärmeaustauscher 5 wird in einem Kühler 17 der entspannten Luft ein weiterer Teil ihrer Restwärme ent zogen. Die nunmehr gekühlte Luft strömt durch die Leitung 18 in den Verdichter 1 zurück, um hier den Kreislauf von neuem zu beginnen.
Dem beschriebenen Luftkreislauf wird an der Stelle 9 ständig eine Teilmenge entnom men und durch die Leitung 19 in den Brenn- raum 20 des Gaserhitzers 12 geführt. Hier dient sie zur Verbrennung des durch den Brenner 21 zerstäubten Brennstoffes. Das Verbrennungsgas strömt alsdann durch die Wärmeaustauschrohre 11, wobei die im Kreislauf umströmende Luft erhitzt wird. Nach der Abgabe eines Teils seiner Wärme strömt das Verbrennungsgas durch die Lei tung 22 in die Turbine 23 und nach aber maliger Erhitzung im Gaserhitzer 24 in die Turbine 25.
Der Gaserhitzer 24 ist als Brennkammer ausgebildet, in welcher der durch den Brenner 26 zugeführte Brennstoff mit Hilfe des im Verbrennungsgas des Gas- erhitzers 12 immer noch enthaltenen Sauer stoffes verbrannt wird. Das in der Turbine 25 entspannte Gas strömt schliesslich durch ,die Leitung 27 in den Wärmeaustauscher 7, wo beim Durchströmen durch dessen Rohre 28 ein Teil seiner Restwärme an die durch die Leitung 6 zugeführte Teilmenge der ver dichteten Luft des Kreislaufes übertragen wird.
Nach Verlassen des Wärmeaustau- schers 7 strömt das Verbrennungsgas durch die Leitung 29 in weitere, nicht gezeichnete Verbrauchsstellen, zum Beispiel in Abwärme- verwerter, oder unmittelbar ins Freie.
Als Ersatz für den dem Kreislauf an der Stelle 9 entnommenen Teil des Arbeitsmit tels wird durch den Verdichter 30 Luft aus der Atmosphäre entnommen, verdichtet und durch die Leitung 31 in die den Wärmeaustau- scher 5 mit dem Kühler 17 verbindende Lei tung 32 des Kreislaufes eingeführt. Beim Betrieb mit normaler Last wird durch den Verdichter 30 die Luft etwa auf 3 atü ver dichtet, mit welchem Druck sie dem Nieder- druckverdichter 1 zuströmt.
Am Austritt aus dem Hochdruckverdichter ist die Luft des Kreislaufes auf einen Enddruck von unge fähr 12 atü verdichtet. Mit diesem Druck strömt die Luft nach Erhitzung im Wärme austausGher 12 in die Turbine 14, um unter Arbeitsleistung wieder auf den ursprüngli chen Druck von ungefähr 3 atü entspannt zu werden. Zur Veränderung der Leistung wird beispielsweise durch Verändern der Drehzahl der Turbine 23 das Verdichtungsverhältnis des Verdichters 30 verändert. Bei Leerlauf wird er die Luft ungefähr auf 0,2 atü ver dichten, bei höchster Überlast ungefähr auf 3,5 atü.
Die Höchstdrücke im Kreislauf stel len sich dann am Austritt des Verdichters 22 auf 3 bezw. 16 atü. Das Verdichtungsver- hältnis im Kreislauf wird somit bei Verände rung der Leistung ebenso verändert, und zwar ist es bei niedriger Leistung wesent lich kleiner als bei grosser Leistung. Durch die Veränderung des Verdichtungsverhältnis ses im Kreislauf lässt sich der Regelbereich ohne Inkaufnahme wirtschaftlicher Nachteile bedeutend erweitern.
Kann auf besonders hohe Wirkungsgrade verzichtet werden, so kann die Leistung der Anlage noch weiter erhöht werden, indem der Druck der Ersatz luft schon bei Normallast zum Beispiel auf 4-5 atü erhöht wird.
Der höchste Druck im Kreislauf bei Nor mallast wird dann ebenso über 12 atü, zum Beispiel auf 20 atü oder noch höher, anstei gen.
Die durch die Luft des Kreislaufes be aufschlagte Turbine 14 treibt die Kreislauf verdichter 1 und 2. Mit der aus den Verdich tern 1, 2 und der Turbine 14 bestehenden Maschinengruppe ist noch eine elektrische Hilfsmaschine 33 gekuppelt, welche nach Be darf als Motor oder als Generator zur Wir kung kommen und so zum Anlassen der An lage und zum Ausgleich eines Leistungs mangels oder eines Leistungsüberschusses an der Turbine 14 herangezogen werden kann. Die durch das Verbrennungsgas zuerst beaufschlagte Turbine 23 treibt den die Er satzluft in den Kreislauf einführenden Ver dichter 30. Schliesslich treibt die Nutz leistungsturbine 25 über das Getriebe 34 die als Verstellpropeller ausgebildete Schiffs schraube 35.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausfüh rungsbeispiel sind zur Zuführung von Ersatz luft in den Kreislauf zwei Verdichter 36 und 37 verwendet. Zwischen den Verdichtern wird der zum Teil verdichteten Luft in einem Kühler 38 mindestens ein Teil der Verdichtungswärme entzogen. Auf diese Weise kann das Druckniveau des Kreislau fes wesentlich erhöht werden. Der Druck der durch die Leitung 31 in den Kreislauf ein geführten Luft kann zum Beispiel 5 atü und noch mehr betragen, während der höchste Druck am Austritt aus dem Kreislaufver dichter 2 etwa 20 atü und mehr beträgt. Die Leistung der Anlage lässt sich so in einem grösseren Bereich verändern. Es ist zum Bei spiel möglich, bei guten Wirkungsgraden eine Überlast zu erreichen, die bis achtmal grösser als die Normallast ist.
Eine weitere Verbesserung wird dadurch erreicht, dass die im Wärmeaustauscher 7 vorgewärmte Luft durch die Leitung 39 einer Stelle des Wärmeaustauschers 5 zuge führt wird, an welcher die gleiche Tempe ratur herrscht wie am Austritt aus dem Wärmeaustausches 7. Auf diese Art ist es möglich, sowohl den durch die Leitung 4 als auch den durch die Leitung 6 strömen- den Teil der Kreislaufluft auf gleich hohe Temperatur vorzuwärmen und damit ein Höchstmass von Abwärme wieder zurück zugewinnen. Anlagen nach Fig. 2 eignen sich besonders für Fälle, wo grosse Leistun gen in eng begrenzten Räumen untergebracht und gute Wirkungsgrade erreicht werden müssen, zum Beispiel zum Antrieb von Schiffen, insbesondere von Kriegsschiffen.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausfüh rungsbeispiel wird zuerst die Nutzleistungs- turbine 25 durch das Verbrennungsgas des Gaserhitzers 12 und erst anschliessend daran die Verdichterturbine 23 beaufschlagt. Es kann auf diese Weise in bestimmten Fällen eine Vereinfachung der Regelung erzielt werden. Ebenso kann auch auf eine Zwi schenerhitzung des Verbrennungsgases zwi schen den beiden Turbinen verzichtet wer den.
Es können auch wie bei der in Fig. 4 dargestellten Anlage der im Kreislauf be findliche Niederdruckverdichter 1, der die Ersatzluft fördernde Verdichter 30, die Kreislaufturbine 14 und die elektrische Hilfs maschine 33 zu einer Gruppe vereinigt sein. Der Hochdruckverdichter 2 des Kreislaufes wird dann von der Turbine 23 getrieben, welche durch das Verbrennungsgas des Gas- erhitzers 20 beaufschlagt ist.
Durch diese Schaltung kann in bestimmten Fällen eine bes sere Elastizität der Regelung erreicht wer den, weil der Betrieb des Hochdruckverdich ters 2 sich auf diese Weise rascher beein flussen lässt, als wenn er durch eine Kreis laufturbine angetrieben wäre.
Wenn auf die Hinzufügung einer Rück wärtsturbine für Schiffsantriebsanlagen ver zichtet wird, kann an Stelle eines Verstell propellers auch ein Umkehrgetriebe, zum Beispiel ein Flüssigkeitsgetriebe oder ein Zahnradgetriebe oder ein kombiniertes Ge triebe mit Flüssigkeitskupplungen und Zahn- radübertragung, Verwendung finden.