-
Im offenen Kreislauf betriebene Gasturbinenanlage Die Gasturbinen
arbeiten im allgemeinen mit im Vergleich zu Dampfkraftwerken niedrigen Drucken.
Ist ein Wärmeaustauscher vorhanden, der zur Erzielung guter Wirkungsgrade nicht
zu umgehen ist, dann liegen die in der Gasturbine verarbeiteten Druckverhältnisse
in der Größenordnung von 4 bis 6, je nachdem man mit Zwischenkühlungen während der
Verdichtung arbeitet oder nicht. Durch Anwendung mehrerer Zwischenkühlungen während
der Verdichtung und mehrerer Zwischenverbrennungen während der Dehnung kann man
das günstigste Druckverhältnis der Gasturbine auf 20 und noch etwas höher bringen.
Eine Gasturbinenanlage mit mehreren Zwischenkühlungen und besonders mit mehreren
Zwischenverbrennungen ist jedoch kompliziert und kommt daher nur für große und größte
Anlagen in Betracht.
-
Um eine bestimmte Leistung zu erzielen, benötigt man daher bei Gasturbinenanlagen
große Gasgewichte und entsprechend den hohen Gastemperaturen große Volumina. Die
gesamte Luft- oder Gasmenge muß vom Verdichter oder von der Turbine zum Wärmeaustauscher
und die Luft vom Wärmeaustauscher zur Brennkammer geleitet werden. Der Aufwand für
die Rohrleitungen ist also groß. Um die Gewichte und den Raumbedarf möglichst klein
zu halten, ist es unbedingt erforderlich, die Gesamtanordnung so zu treffen, daß
die Rohrleitungen möglichst kurz sind und ohne viele Krümmungen verlegt werden.
Hierauf ist bei den bisher bekannten Anlagen zu wenig Rücksicht genommen worden.
Es ist noch zu beachten, daß kurze Rohrleitungen die Strömungsverluste verringern
und die durch Wärmedehnungen verursachten Schwierigkeiten vermindern.
-
Nach der Erfindung wird nun eine Gesamtanordnung mit sehr kurzen und
zweckmäßig verlegten Rohrleitungen durch die nachstehend beschriebenen Maßnahmen
ermöglicht. Die Erfindung bezieht sich in der Hauptsache auf Zweiwellenanlagen,
d. h. auf eine im offenen Kreislauf betriebene Gasturbinenanlage, die aus einer
Turbine zum Antrieb des Verdichters oder der Verdichter und aus einer Nutzleistungsturbine
bestehen.
-
Es handelt sich erfindungsgemäß um die Kombination von mehreren Merkmalen.
Die alleinige Anordnung des Verdichterturbinensatzes unter dem Wärmeaustauscher
ergibt zwar einen geringen Raumbedarf und eine gute Überleitung von der Brennkammer
zur Turbine und die Anordnung der Nutzleistungsturbine allein senkrecht zur Achse
des Verdichtungsturbinensatzes ergibt eine gute Überleitung der Abgase in den Wärmetauscher.
Den geringen Gesamtraumbedarf und eine gute Überleitung der Gase von der Verdichterantriebsturbine
zur Nutzleistungsturbine erhält man jedoch nur aus der Kombination dieser beiden
Merkmale. Weiterhin ist Voraussetzung, daß die Verdichterantriebsturbine als Hochdruckturbine
und die Nutzleistungsturbine als Niederdruckturbine geschaltet sind; denn nur in
diesem Fall ergeben sich die günstigen -#""erhältnisse für die Ableitung der Abgase
aus der Niederdruckturbine in den Wärmeaustauscher und für die Zuleitung der Verbrennungsgase
aus der Brennkammer in die Verdichterantriebsturbine. Diese Schaltung ist nicht
nur ein äußeres Merkmal, sondern sie hat auch den beachtlichen Vorteil, daß man
bei Stillstand der Anlage die Nutzleistungsturbine stillsetzen kann, während der
Turbinenverdichtersatz in Betrieb gehalten werden kann. Man erspart also beim Stillsetzen
der Nutzleistungsturbine das umständliche Anlassen der Gesamtanlage.
-
Die Verdichterantriebsturbine mit dem oder den Verdichtern wird unter
dem im Kreuzstrom durchströmten Wärmetauscher derart angeordnet, daß die Achse des
Turbinenv erdichtersatzes parallel zur Achse der Wärmeaustauschertrommeln verläuft,
während die Achse der Nutzleistungsturbine senkrecht dazu liegt. Der Wärmeaustauscher
ist dabei stehend angeordnet, derart, daß die obere Trommel die vom Verdichter kommende
Luft aufnimmt, während in der unteren Trommel in an sich bekannter Weise die Brennkammer
eingebaut ist. In Weiterbildung der Erfindung wird das Austrittsende der Nutzleistungsturbine
dem Wärmeaustauscher zugekehrt. Auf diese Weise erhält man denkbar kurze Rohrleitungen
mit geringsten Verlusten.
-
Um die durch die Wärmedehnungen verursachten Komplikationen klein
zu halten oder zu vermeiden, wird in Fortführung der Erfindung die untere Trommel
des Wärmeaustauschers fest gelagert, so daß sich die obere Trommel den Wärmedehnungen
der Wärmeaustauscherrohre entsprechend frei nach oben dehnen kann. Um die Wärmeaustauscherrohre
von dem Gewicht
der oberen Wärmeaustauschertrommel zu entlasten,
wird erfindungsgemäß die obere Trommel durch mehrere Anker getragen, die im Gasstrom
neben den Wärmeaustauscherrahren angeordnet sind, damit sie den gleichen Erwärmungsverhältnissen
unterliegen und sich damit auch in gleicher Weise dehnen, ivie die Wärmeaustauscherrohre.
-
Das Rohr, das die verdichtete Luft vom Verdichter zizr -oberen Wärmeaustauschertrommel
führt, besitzt ein Kompensationsstück, um der durch Wärmedehnungen der Wärmeaustauscherrohre
bedingten Vergrößerung des Abstandes zwischen der Achse der oberen Wärmeaustauschertrommel
und der Verdichterachse folgen zu können. Da aber auch ein Kompensationsstück einer
Längenveränderung noch erheblichen Widerstand entgegensetzt, der nicht auf das Verdichtergehäuse
übertragen werden darf, ist das untere Ende des Luftrohres fest an der unteren Wärmeaustauschertrommel
gehaltert. In ähnlicher Weise ist auch das turbinenseitige Ende des Zuführungsrohres
der h°ißen Verbrennungsgase von der Brennkammer zum Turbineneintritt an der unuer°n
Wärmeaustauschertrommel gehaltert.
-
In Weiterbildung der Erfindung kann der Verdichterturbinensatz an
die untere Wärmeaustauschertrommel angehängt werden. Man erhält bei dieser Anordnung
die Turbine mit der kleinsten Grundfläche, da man den Wärmeaustauscher mit dem Verdichterturbinensatz
über der Nutzleistungsturbine anordnen kann. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft
für Schiffsanlagen, wo man den Wärmeaustauscher mit dem Verdichtungsturbinensatz
im Maschinenschacht aufstellen kann.
-
In den Zeichnungen ist eine Anordnung nach der Erfindung schematisch
dargestellt.
-
Fig. 1 zeigt eine Ansicht von vorn, Fig. 2 eine Ansicht von der Seite
und Fig. 3 eine Draufsicht.
-
Der Wärmeaustauscher, bestehend aus der oberen Trommel 1, der unteren
Trommel 2 und den zwischen den beiden Trommeln angeordneten Rohren 3, ist stehend
montiert. In der unteren Trommel 3 ist die Brennkammer 4 eingebaut, in die der Brennstoff
durch die Einspritzdüse 5 eingespritzt wird. Die durch die Verbrennung entstandenen
Verbrennungsgase treten durch den kurzen Rohrkrümmer 6 in die unter dem Wärmeaustauscher
liegende Verdichterantriebsturbine 7 ein. Die teilweise entspannten Verbrennungsgase
werden aus der Turbine 7 durch das Überleitungsrohr 8 in die Nutzleistungsturbine
9 geleitet. Die in der Turbine 9 vollkommen entspannten Verbrennungsgase treten
durch das Rohrstück 10 in den Wärmeaustauscher ein, den sie in den drei Zügen 11,
12 und 13 durchströmen. Durch das Rohr 14 treten sie in die Atmosphäre aus. Die
Verdichterantriebsturbine 7 treibt den Niederdruckverdichter 15 und den Hochdruckverdichter
17 an. Zwischen diesen beiden Verdichtern ist ein Zwischenkühler 16 eingebaut. Die
verdichtete Luft wird durch die Leitung 18 der oberen Trommel t des Wärmeaustauschers
zugeführt. Diese Leitung besitzt zum Ausgleichen der Wärmedehnungen ein Kompensationsstück
19. Zum Fernhalten jeglicher Kräfte vom Verdichtergehäuse ist das untere Ende des
Rohres 18 durch die Halterung 20 fest mit der unteren Wärmeaustauschertrommel2 verbunden.
In der Leitung 6 ist das Kompensationsstück 22 eingebaut. Das Überleitungsrohr 8
zwischen den Turbinen 7 und 9 kann auch als Zwischenbrennkammer ausgebildet werden,
in die durch die Brennstoffdüse 23 Brennstoff eingespritzt wird. Man erkennt aus
dieser Darstellung unschwer, daß die hauptsächlichen Rohrleitungen außerordentlich
kurz werden. Ferner wird deutlich, daß die Anlage symmetrisch wird, was besonders
für Schiffsanlagen mit Einschraubenantrieb wichtig ist.
-
In den Fällen, in denen die Rohrlänge des Wärmeaustauschers etwa mit
der Länge des Turbinenverdichtersatzes übereinstimmt, wobei der Eintritt der 1'erbrennungsgas°
in die Turbine am einen Ende und der Austritt der verdichteten Luft aus dem Verdichter
am anderen Ende dieses Aggregates liegt. kann erfindungsgemäß der Wärmeaustauscher
mit senkrecht stehenden Trommeln derart angeordnet werden, daß die Lufteintrittstrommel
unmittelbar über dem Luftaustrittsstutzen des Verdichters und die Luftaustrittstrommel
mit der eingebauten Brennkammer unmittelbar über dem Gasaustrittsstutzen der Turbine
liegt. In diesem Fall fällt auch die Verbindungsleitung zwischen dem Verdichteraustritt
und dem Eintritt in die Lufteintrittstrommel des Wärmeaustauschers praktisch fort,
da sie durch einen kurzen Verbindungsstutzen ersetzt wird. In den meisten Fällen
kann man die Länge der Wärmeaustauscherrohre durch entsprechende Wahl der Druckverluste
und verschiedener anderer Faktoren so beeinflussen, daß sie dem Abstand zwischen
dem Luftaustritt aus dem Verdichter und dem Gaseintritt in die Turbine entspricht.
-
In den Fig.4 und 5 ist ein Ausführungsbeispiel dieser Anordnung schematisch
dargestellt, und zwar in Fig.4 in einem Längsschnitt durch den Wärmeaustauscher
mit dem darunterliegenden Turbinenverdichtersatz und in Fig. 5 in einer Draufsicht
auf den Wärmeaustauscher mit der Nutzleistungsturbine.
-
Die vom Verdichter 15 angesaugte Luft wird über den Zwischenkühler
16 zum zweiten Verdichter 17 gedrückt und gelangt von dort durch den Verbindungsstutzen
30 zur Lufteintrittstrommel 1 des Wärmetauschers. Durch die den Wärmeaustausch vermittelnden
Rohre 3 strömt sie zur Luftaustrittstrommel 2, in die das Brennkammerrohr 4 eingebaut
ist. Der Brennstoff wird durch die Brennstoffdüs.e5 eingespritzt. Die Verbrennungsgase
gelangen durch den Stutzen 31 in die Turbine 7, die die beiden Verdichter 15 und
17 antreibt. Die aus der Nutzleistungsturbine 9 austretenden Abgase beaufschlagen
den Wärmeaustauscher, den sie in den drei Zügen 11, 12 und 13 durchströmen.
-
Eine Anlage nach der Erfindung hat die Vorteile, daß die Zahl der
Umlenkungen und damit die Strömungsverluste verringert werden und eine besonders
raumsparende Anordnung bei geringstmöglichen Strömungsverlusten geschaffen wird.