DE1060666B - Kraftanlage mit in geschlossenem Kreislauf arbeitendem Gasturbinenaggregat - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf geschlossene Gasturbinenanlagen, d. h. auf Gasturbinenanlagen, bei denen ein Arbeitsmedium komprimiert, erhitzt, in einer Turbine entspannt, rückgekühlt und sodann wieder verdichtet wird.

Bei offenen Gasturbinenanlagen, d. h. bei Anlagen, bei denen Luft angesaugt, komprimiert, erhitzt, entspannt und sodann nach der Atmosphäre abgelassen wird, ist es bekannt, innerhalb eines einzigen Gehäuses einen Turboverdichter, eine Turbine, Brennkammern für die Erhitzung des aus dem Verdichter austretenden komprimierten Gases sowie einen Wärmeaustauscher zur Vorwärmung der verdichteten Luft mittels Abgas unterzubringen. Bei geschlossenen Gasturbinenanlagen ist es bekanntgeworden, die verschiedenen Bestandteile der Anlage koaxial hintereinanderzusetzen.

Die Erfindung betrifft nun eine Kraftanlage, bestehend aus einem in geschlossenem Kreislauf arbeitenden Gasturbinenaggregat mit einer Kraftabgabewelle in koaxialer Anordnung mit dem Verdichter- und dem Turbinenteil des Aggregats sowie mit mindestens zwei Wärmeaustauschern, in deren erstem, dem Erhitzer, das Arbeitsmittel vor dem Eintritt in den Turbinenteil erhitzt und in deren zweitem, dem Rückkühler, es nach dem Austritt aus dem Turbinenteil abgekühlt wird. Kennzeichnenderweise sind die Wärmeaustauscher, nämlich der Erhitzer und der Rückkühler, ringförmig und schließen den Verdichter- und den Turbinenteil ein. Der gesamte Komplex des Aggregats und der Wärmeaustauscher ist in einem trommelartigen Gehäuse untergebracht, welches Anschlüsse für das Heiz- und das Kühlmedium aufweist. Vorzugsweise umgibt der Erhitzer den Turbinenteil seiner Länge nach und liegt dicht an diesem an.

Wenn ein dritter Wärmeaustauscher vorgesehen ist, in dem das die Turbine verlassende Arbeitsmittel durch das den Verdichter verlassende Arbeitsmittel gekühlt wird, umgibt dieser Wärmeaustauscher ringförmig den Erhitzer.

In einer Ausführungsform mit Niederdruck- und Hochdruckverdichter und einem zwischen den beiden Verdichtern liegenden Zwischenkühler ist der Zwischenkühler ebenfalls ringförmig, umgibt den Verdichter und liegt koaxial innerhalb des Rückkühlers. Die Kühlmittelanschlüsse für einen solchen Rückkühler sind durch diese Gehäuse hindurchgeführt.

Nach einer Ausführungsform besteht das Gehäuse aus einem zylindrischen Hauptteil und Stirnteilen. Die Kraftabgabewelle ist durch einen dieser Stirnteile hindurchgeführt und an ein Untersetzungsgetriebe angeschlossen, dessen Gehäuse mit eben diesem Stirnteil vereinigt ist.

Kraftanlage mit in geschlossenem Kreislauf arbeitendem Gasturbinenaggregat

Anmelder:

Rolls-Royce Limited,
Derby, Derby (Großbritannien)

Vertreter: Dipl.-Ing. F. Weickmann

und Dr.-Ing. A. Weickmann, Patentanwälte,

München 2, Brunnstr. 8/9

Beansprudite Priorität:
Großbritannien vom 8. Dezember 1955 und 23. November 1956

Cecil Alastair Comyns Carr, Coxbench, Derby

(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftanlage.

Die in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Ausbildung von Erhitzer, Wärmeaustauscher, Rückkühler und Zwischenkühler sowie die Anordnung des Erhitzers außerhalb der Kraftanlage sind nicht Gegenstand der Erfindung, sondern dienen nur zu deren Erläuterung.

Die Kraftanlage besteht aus einer Zweiwellengasturbine, die in geschlossenem Kreislauf arbeitet und einen mehrstufigen, axial durchströmten Niederdruckverdichter 10, einen Zwischenkühler 11, einen mehrstufigen, axial durchströmten Hochdruckverdichter 12, einen Gegenstromgasvorwärmer 13, einen Erhitzer 14, eine vielstufige, axial durchströmte Verdichterantriebsturbine 15 und eine in Serie durchströmte Nutzleistungsturbine 16 umfaßt. Das aus der Nutzleistungsturbine austretende Strömungs- und Arbeitsmittel strömt nacheinander durch den Gegenstromgasvorwärmer 13; in dem es das aus dem Hochdruckverdichter 12 austretende Arbeitsmittel vorwärmt und einen Rückkühler 17, von dem aus es nach dem Eingang des Niederdruckverdichters 10 zurückgeleitet wird.

Die Läufer des Niederdruckverdichters 10, des Hochdruckverdichters 12 und der Verdichterantriebsturbine 15 sitzen in Abstanden voneinander auf einer gemeinsamen Welle, während der Läufer der Nutzleistungsturbine 16 mit den übrigen Läufern koaxial,

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aber von diesen getrennt ist. Die Kraftabgabewelle 18 der Nutzleistungsturbine 16 verläuft axial aus der Nutzleistungsturbine 16 heraus, und zwar auf der den übrigen Läufern des Aggregates abgelegenen Seite.

Der Erhitzer 14 des Arbeitsmittels ist ein ringförmiger Wärmeaustauscher, der die beiden Turbinen 15 und 16 umgibt und von der Stelle des Gaseintritts der Verdichterantriebsturbine 16 bis zur Stelle des Gasaustritts der Nutzleistungsturbine 17 reicht. Der Erhitzer besteht aus mehreren Stapeln 19 von in Abständen voneinander angeordneten konischen Metallblechringen, deren äußere und innere Ränder miteinander verbunden sind. Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Platten nehmen sekundäre Wärmeaustauschflächen auf. An den inneren Rändern und den äußeren Rändern dieser Metallblechringe sind in kranzförmiger Anordnung miteinander fluchtende Durchbrüche vorgesehen; das Metallblech ist an einigen Durchbrüchen eines jeden Kranzes \^ron Durchbrüchen nach dem auf der einen Seite benachbarten Blechring hin gebogen, während das Blech an den übrigen Durchbrüchen eines jeden Kranzes von Durchbrüchen nach dem auf der anderen Seite benachbarten Blechring gebogen und an diesem angeschlossen ist. Es bestehen also am inneren Rand der Stapel als auch am äußeren Rand der Stapel je zwei Reihen axial verlaufender Verzweigungsleitungen; die Verzweigungsleitungen der einen Reihe sind mit jedem zweiten Plattenzwischenraum verbunden, während die Verzweigungsleitungen der anderen Reihe mit den übrigen Zwischenräumen verbunden sind.

In der Zeichnung sind drei solche Stapel von Blechringen 19 nebeneinander vorgesehen; die Verzweigungsleitungen eines jeden Stapels schließen an die Verzweigungsleitungen des nächsten Stapels an, so daß das von dem Gegenstromgasvorwärmer 13 zuströmende, vorgewärmte Arbeitsmittel in den der Nutzleistungsturbine zunächst liegenden Stapel von Metallblechringen an deren äußeren Rand eintritt, radial durch die Zwischenräume nach innen strömt, nach dem nächsten Stapel übertritt und von dessen Innenrand aus radial nach außen strömt, in den der Verdichterantriebsturbine 15 nächstliegenden Stapel

19 übertritt und von dessen äußeren Rand aus nach innen strömt, um in einer ringförmigen Sammelleitung

20 vor dem Eintritt in die Verdichterantriebsturbine 15 gesammelt zu werden; der Heizmittelstrom nimmt einen entgegengesetzten Weg durch die ihm zugeteilten Zwischenräume. Dieser Heizmittelstrom kommt von einer ringförmigen Verzweigungsleitung 21 an der Innenseite des Erhitzers in der Nähe der Verdichterantriebsturbine 15 und endet in einer ringförmigen Sammelleitung 22 am Außenrand des Haupterhitzers in der Nähe der Nutzleistungsturbine.

Das Heizmittel kann etwa flüssiges Natrium sein, das einer äußeren Quelle, etwa einem Kernreaktor, entnommen wird.

Der Gegenstromgasvorwärmer 13 hat ebenfalls Ringform und umgibt dicht anschließend den Erhitzer 14.

Der Gegenstromgasvorwärmer ist hochdruckseitig als Vierfachkanal ausgebildet und umfaßt vier Kränze 23 von flachen Rohren. Die Rohre eines jeden Kranzes 23 verlaufen strahlenförmig in radialer Richtung. Abstandhalter, die gleichzeitig als sekundäre Wärmeaustauscher wirken, gewährleisten die gegenseitigen Abstände der einzelnen Rohre in Umfangsrichtung; die Enden der Rohre münden in Sammelleitungen. Auch innerhalb der Rohre sind sekundäre Wärmeaustauscher untergebracht. Jeder der Kränze ist in eine Zahl von Segmenten unterteilt, und die Segmente eines jeden der vier Kränze fluchten axial miteinander. Die Sammelleitungen sind jeweils mit vier miteinander fluchtenden Segmenten verbunden. Eine Sammelleitung an den äußeren Enden der Rohre verbindet die Segmente des ersten und des zweiten Rohrkranzes. Eine zweite Sammelleitung an den inneren Enden der Rohre verbindet die Segmente des zweiten und des dritten Rohrkranzes usw. Der ganze

ίο Gegenstromgasvorwärmer 13 umgibt den Erhitzer 14 auf seiner ganzen Länge. Das aus dem Hochdruckverdichter 12 austretende Arbeitsmittel tritt in den der Verdichterantriebsturbine zunächstliegenden Rohrkranz 23 an dessen Innenseite ein, fließt durch diesen Rohrkranz 23 radial nach außen nach den an den äußeren Enden dieser Rohre angeschlossenen Übergangsleitungen 25, strömt durch diese Übergangsleitungen 25 nach den radial äußeren Enden des nächstfolgenden Rohrkranzes 23, strömt durch die Rohre dieses Kranzes nach innen zu den Übergangsleitungen 26 am inneren Ende dieses Rohrkranzes, wird von diesen Übergangsleitungen 26 nach dem dritten Rohrkranz 23 geleitet, strömt durch die Rohre dieses dritten Rohrkranzes radial nach außen zu weiteren Übergangsleitungen 27', wird von diesen Übergangsleitungen dem vierten Kranz 23 zugeführt, und fließt schließlich in radialer Richtung durch diesen vierten Rohrkranz nach innen in eine Sammelleitung 28, die auch mit den für das Arbeitsmittel bestimmten Zwischenräumen zwischen den Platten des der Nutzlcistungsturbine 16 zunächst gelegenen Stapels 19 des Erhitzers 14 in Verbindung steht.

Wie bereits erwähnt, wird das Arbeitsmittel in dem Gegenstromgasvorwärmer 13 in Wärmeaustausch mit dem aus der Nutzleistungsturbine 16 austretenden Arbeitsmittel vorgewärmt. Das aus der Nutzleistungsturbine 16 austretende Arbeitsmittel wird von dem Gasaustritt der Nutzleistungsturbine durch eine Ringleitung 29 dem leistungsturbinenseitigen Ende des Gegenstromgasvorwärmers 13 zugeleitet, strömt in axialer Richtung durch die Zwischenräume zwischen den vier Rohrkränzen 23, also in Kontakt mit den als sekundäre Wärmeaustauschflächen wirkenden Abstandhaltern, und wird schließlich an dem verdichterseitigen Ende des Gegenstromgasvorwärmers 13 in den Rückkühler 17 geleitet.

Der Rückkühler 17 kann ähnlich gebaut sein wie der Gegenstromgasvorwärmer 13 und etwa sechs radiale Kühlmittelkanäle aufweisen. Das Arbeitsmittel strömt ohne wesentliche Ablenkung, aus dem Gegenstromgasvorwärmer 13 kommend, durch die Zwischenräume zwischen den den Rückkühler 17 bildenden Rohrkränzen hindurch nach einer ringförmigen Kollektorkammer 30 am niederdruckverdichterseitigen Ende des Aggregats. Von der Kollektorkammer 30 wird das Arbeitsmittel durch einen Ringkanal 31 geleitet, der zu dem Gaseintritt des Niederdruckverdichters 10 führt. In dem Rückkühler 17 wird als Kühlmittel z. B. Wasser verwendet, das durch ein Paar Sammelleitungen 32, 33 dem Rückkühler 17 an dessen äußerem Umfang zugeführt und entzogen wird. Diese Sammelleitungen verlaufen in dem Ausführungsbeispiel der Zeichnung am äußeren Umfang des Rückkühlers 17 über den Übergangsleitungen 34.

Der Zwischenkühler 11 hat ebenfalls Ringform und wird von dem eng anliegenden Rückkühler 17 umgeben und umgibt seinerseits den Niederdruckverdichter 10 und den Hochdruckverdichter 12. Der Zwischenkühler 11 reicht von dem. Gaseintritt .des Niederdruck-Verdichters 10 bis zu dem Gasaustritt des Hochdruck-

Verdichters 12. Der Zwischenkühler 11 hat ähnliche Form wie der Gegenstromgasvorwärmer 13 und der Rückkühler 17, aber im Fall des Zwischenkühlers 11 verlaufen die Rohre in axialer Richtung, und das Arbeitsmittel durchströmt die Zwischenräume zwisehen diesen Rohren in radialer Richtung. Nach einer Ausführungsform sind fünf Reihen von Kühlrohren vorgesehen. Die äußerste Reihe von Kühlrohren 35 verläuft entlang dem Zwischenkühler. Die übrigen vier Reihen von Kühlrohren haben annähernd nur die halbe Länge der Rohre der äußersten Reihe. Die Rohre zweier dieser Reihen 36, 37, sind an die niederdruckverdichterseitigen Enden der langen Rohre der Reihe 35 angeschlossen, die Rohre der übrigen Reihen 38, 39 sind an die hochdruckverdichterseitigen Enden der langen Rohre der Reihe 35 angeschlossen. Das Kühlmittel, normalerweise Wasser, strömt von einer Sammelleitung 40 nächst dem Entladeteil des Hochdruckverdichters in die kurzen Rohre der innersten Reihe 39, fließt von diesen Rohren aus in eine Übergangsleitung 41 im Mittelteil des Zwischenkühlers, strömt von dieser Übergangsleitung 41 durch die Rohre der Reihe 38 zurück in eine Sammelleitung 42 am Ausgang des Hochdruckverdichters, fließt von dieser Sammelleitung 42 durch die Rohre der äußersten Reihe 35 in eine Übergangsleitung 43 am anderen Ende des Zwischenkühlers, von dieser Übergangsleitung 43 durch die Rohre der Reihe 36 in eine Übergangsleitung 44 in der Mitte des Zwischenkühlers und schließlich durch die Rohre der Reihe 37 nach der Ausfluß Sammelleitung 45. Das in dem Niederdruckverdichter komprimierte Arbeitsmittel strömt durch die Zwischenräume zwischen den Rohren am niederdruckverdichterseitigen Ende des Zwischenkühlers nach einer die Rohre des Zwischenkühlers umgebenden Sammelleitung 46 und von dieser radial nach innen zwischen den Rohren am hochdruckverdichterseitigen Ende des Zwischenkühlers hindurch nach einer weiteren Ringsammelleitung 47, um von dieser aus in den Ladestutzen des Hochdruckverdichters 12 eingeführt zu werden.

Die ganze von den Verdichtern 10 und 12, den Turbinen 15 und 16, dem Erhitzer 14, dem Gegenstromgasvorwärmer 13, dem Rückkühler 17 und dem Zwischenkühler 11 bestehende Konstruktion ist in einem trommelartigen Gehäuse eingeschlossen, dessen zylindrischer Hauptteil 48 mit Wasserversorgungsanschlüssen 49 für den Rückkühler ausgerüstet ist und an seinen Stirnseiten ein Paar Abschlußplatten 50, 51 trägt. Die Abschlußplatte 50 ist gewölbt und trägt die Kühlwasseranschlüsse 52 für den Zwischenkühler. Die Abschlußplatte 51 ist so ausgebildet, daß die Kraftabgabewelle 18 durch sie hindurchragen kann und trägt einen Flansch 53, auf dem das Gehäuse 54 eines Untersetzungs- und Umkehrgetriebes angeflanscht werden kann. Die Abschlußplatte 51 trägt ferner geeignete Anschlüsse 55 für die Zu- und Ableitung des Heizmittelstroms des Erhitzers 14, z. B. flüssigen Natriums oder eines anderen flüssigen Metalls. Der Heizmittelstrom kann in anderen Ausführungsbeispielen auch Dampf oder ein anderes Gas sein. An das Untersetzungs- und Umkehrgetriebe schließt sich die Hauptwelle 56 an, die z. B. eine Schiffsschraube 57 trägt.

Die im vorstehenden beschriebene Anordnung der Einzelteile der Kraftanlage hat eine Reihe von Vorteilen gegenüber den bekannten Bauarten, in denen ein Wärmeaustauscher, ein Rückkühler, ein Zwischenkühler und ein Erhitzer in getrennten zylindrischen Gehäusen untergebracht und durch entsprechende Leitungen miteinander verbunden sind. Diese Vorteile sind folgende:

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann ein Wärmeaustauscher großer Querschnittsfläche in einer gedrungenen Kraftanlage angewendet werden. Die Strömungsverteilung in den Zu- und Ausflüssen der einzelnen Organe des Aggregats ist im wesentlichen symmetrisch, die Länge der Leitungen zwischen den verschiedenen Organen ist auf ein Minimum reduziert. Dadurch sind die Druckverluste verringert/Durch die Unterdrückung äußerer Arbeitsmittelleitungen sind Balgverbindungen und ähnliche Anschlüsse vermieden, die hohe lokale Beanspruchungen des Gehäuses verursachen wurden. Das einzige gasdichte Gehäuse kann für den niedrigsten Druck des geschlossenen Kreislaufs gebaut werden.

Die Verwendung nur eines einzigen Gehäuses führt zu einer wesentlichen Gewichtsersparnis und gestattet eine sehr einfache Befestigung der Kraftanlage, etwa eine Dreipunktbefestigung. Toter Raum, d. h. ungenutzter und mit Arbeitsmittel gefüllter Raum, wie er sonst in Druckgehäusen auftritt, ist sehr klein gehalten. Dadurch wird die Steigerung und Verringerung der Leistung, die durch Heben bzw. Senken des Druckniveaus in dem Kreislauf bewirkt werden, erleichtert.

Das Arbeitsmittel kann nach Austritt aus dem Gegenstromgasvorwärmer 13 aus der Kraftanlage herausgeleitet und einer äußeren Heizvorrichtung, z. B. einem Kernreaktor, zugeführt und schließlich dem Eingang der Verdichterantriebsturbine 15 eingespeist werden, so daß sich der Erhitzer 14 erübrigt. Diese Ausbildung ist nicht Gegenstand der Erfindung.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kraftanlage, bestehend aus einem in geschlossenem Kreislauf arbeitenden Gasturbinenaggregat mit einer Kraftabgabewelle in koaxialer Anordnung mit dem Verdichter- und dem Turbinenteil des Aggregats sowie mit mindestens zwei Wärmeaustauschern, in deren erstem, dem Erhitzer, das Arbeitsmedium vor dem Eintritt in den Turbinenteil erhitzt und in deren zweitem, dem Rückkühler, es nach dem Austritt aus dem Turbinenteil abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscher, nämlich der Erhitzer (14) und der Rückkühler (17) ringförmig sind und den Verdichter- und den Turbinenteil (10,12,15, 16) einschließen und daß der gesamte Komplex des Aggregats und der Wärmeaustauscher in einem trommelartigen Gehäuse (48, 50, 51) untergebracht ist, welches Anschlüsse für das Heizmittel (55) und Anschlüsse für die Kühlflüssigkeit (49) besitzt.

2. Kraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erhitzer (14) den Turbinenteil (15,16) auf seiner Länge dicht anliegend umgibt und daß der Rückkühler (17) den Kompressorteil umgibt.

3. Kraftanlage nach Anspruch 2 mit einem dritten Wärmeaustauscher, in dem das die Turbine verlassende Arbeitsmedium durch das den Kompressor verlassende Arbeitsmedium gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Wärmeaustauscher (13) ringförmig ist und den Erhitzer (14) umgibt.

4. Kraftanlage nach Anspruch 1 bis 3 mit einem Niederdruck- und einem Hochdruckverdichter und einem zwischen den beiden Verdichtern liegenden Zwischenkühler, welcher das nach dem

Hochdruckverdichter fließende Arbeitsmedium abkühlt, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenkühler (11) ringförmig ist, die Verdichter (10,12) dicht anliegend umgibt, daß er koaxial innerhalb des Rückkühlers (17) angeordnet ist und daß die Anschlüsse (52) für das Kühlmittel des Zwischenkühlers durch das Gehäuse hindurchgeführt sind.

5. Kraftanlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus einem zylindrischen Hauptteil (48) und Stirnteilen (50, 51)

besteht und daß die Kraftabgabewelle (18) durch einen dieser Stirnteile (51) hindurch ein Untersetzungsgetriebe antreibt, dessen Gehäuse (54) an diesem Stirnteil befestigt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 705 363;
USA.-Patentschriften Nr. 2 631 430, 2 609 664;
Jahrbuch der Schiffbautechnischen Gesellschaft, Bd. 48, 1954, S. 209.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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