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Gasturbinenanlage mit Druckaustauscher Gasturbinen haben im Vergleich
zu anderen Antriebsmaschinen eine Anzahl von baulichen und betrieblichen Vorteilen,
die der Fachwelt bekannt sind. Ein guter thermischer Wirkungsgrad läßt sich bei
Gasturbinenanlagen jedoch nur dann erzielen, wenn in Verbindung mit derartigen Gasturbinenanlagen
komplizierte Wärmeaustauscheranordnungen und andere Hilfseinrichtungen angewandt
werden. Ein Weg, diesen Nachteil wirtschaftlich einigermaßen auszugleichen, bestünde
darin, derartige Gasturbinenanlagen mit billigen Rückstandölen zu betreiben. Dadurch
werden aber wiederum andere Schwierigkeiten heraufbeschworen, wobei die Hauptschwierigkeit
darin liegt, daß etwaiges in den Verbrennungsprodukten derartigerRückstandöle enthaltenesVanadium
die Turbinenschaufeln durch verstärkte Korrosion angreift. Es sind bereits zahlreiche
Vorschläge zur Lösung des Problems der Vanadiumkorrosion bekanntgeworden, wobei
dieMehrzahl dieserVorschläge eine chemische Beeinflussung dieser Vorgänge durch
Beigabe von Zusätzen beinhaltet. Obwohl durch derarti ge chemische Maßnahmen eine
völlige Vermeidung der unerwünschten Korrosionserscheinungen nicht sichergestellt
ist, sind dieselben trotzdem teuer und in ihrer praktischen Durchführung mit gewissen
Schwierigkeiten verbunden.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Sicherstellung eines
vollständigen Schutzes der Gasturbine gegen derartige unerwünschte Korrosionserscheinungen
unter Vermeidung irgendwelcher chemischer Zusätze. Die Erfindung beruht auf der
überlegung, daß Druckaustauscher durch den Vanadiumgehalt der Verbrennungsgase wesentlich
weniger stark angegriffen werden als Gasturbinen, da die Zellenradwandungen der
Einwirkung der strömenden heißen Verbrennungsgase jeweils nur zeitweilig ausgesetzt
sind. Sollte aber trotzdem durch Korrosionserscheinungen das Profil der Zellenradwandungen
solcher Druckaustanscher geringfügig verändert werden, so haben derartige Profilverändertingen
auf die Wirkungsweise des Druckaustauschers einen nur ganz unbedeutenden Einfluß.
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Gasturbinenanlagen in Verbindung mit Druckaustauschern sind bereits
veröffentlicht. Es sind auch schon Anordnungen bekanntgeworden, bei welchen die
zum Betrieb einer Brennkraftturbine benötigten heißen Verbrennungsgase von einem
Druckaustauscher geliefert werden. Bei allen bisher bekanntgewordenen Gasturbinenanlagen,
bei welchen in Verbindung mit der Gasturbine Druckaustauscher angewendet werden,
sind jedoch bisher keinerlei Maßnahmen getroffen, durch welche verhindert würde,
daß die Verbrennungsgase mit ihren schädlichen Beiniengungen die Gasturbine erreichen.
Demgemäß geht die Erfindung von einer bekannten Gasturbinenanlage mit Druckaustanscher
aus, bei welcher der Druckluftauslaß des Druckaustauschers in zwei Leitungen unterteilt
ist, von denen die eine Leitung zur Turbine führt, während die andere Leitung zum
Einlaßdruckstutzen des Druckaustauschers führt, und wobei die gesamte, vom Druckaustauscher
gelieferte verdichtete Luftmenge in einem oder mehreren Erhitzern erhitzt wird.
Die erfinderische Neuerung besteht darin, daß eine einzige Brennkammer in der die
gesamte verdichtete Luftmenge führenden Leitung hinter dem Druckluftauslaßstutzen
des Druckaustauschers vorgesehen ist und daß die Luftmenge in einem Abscheider für
verunreinigende Verbrennungsprodukte derart- unterteilt wird, daß das gereinigte
Gas zur Turbine und das verunreinigte Gas zum Hochdruckeinlaß desDruckaustauschers
geführtwird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Unterteilung
der verdichteten Luftmenge unmittelbar hinter dem Druckaustauscher, wobei in der
zum Druckaustauscher zurückführenden Leitung hintereinander eine Brennkammer und
die Heißgasseite eines Wärmeaustauschers angeordnet sind, dessen Kaltgasseite in
die zur Turbine führende Teilluftleitung eingeschaltet ist.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist der zur Turbine führende
Stutzen in bezug auf den zur Brennkammer führenden Stutzen entgegen der Bewegungsrichtung
des Zellenrades neben dem zur Brennkammer führenden Stutzen gelegen.
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Die Erfindung wird nunmehr nachstehend unter Bezug auf die Zeichnung
beispielsweise beschrieben. Es stellt dar.
Fig. 1 eine Ausführungsform
einer Gasturbinenanlage nach der Erfindung, gemäß welcher zwischen einen Druckaustauscher
und eine Gasturbine ein Gasreiniger geschaltet ist, und Fig. 2 eine weitere Ausführungsform
einer Gasturbinenanlage, bei welcher die Gasturbine in Ausnutzung des Erfindungsgedankens
hinter den Druckaustauscher ,geschaltet ist.
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In Fig. 1 der Zeichnung bezeichnet die Bezugsziffer
10 das in Abwicklung schematisch dargestellteZellenrad eines Druckaustauschers
von üblicher Bauart. Die Drehrichtung des Zellenrades 10. welches in seinen
Einzelheiten in Fig. 2 dargestellt ist, sei so gewählt, daß die Zellen des Zellenrades
in Richtung des Pfeiles 13 bewegt werden. In der Niederdruckspülstufe des
Druckaustauschers sind ein Frischlufteinlaßkanal 14 ein ein Abgasauslaßkanal
15 derart angeordnet, daß sie Verbindung mit jeweils einander gegenüberliegenden
Stirnseiten der Zellen des Zellenrades haben. In der Hochdruckspülstufe des Druckaustauschers
wird über einen Auslaßkanal 28 vom Zellenrad verdichtete Luft abgeleitet,
während in der gleichen Stufe heiße, unter Druck stehende Gase über einen Einlaßkanal
18
dem Zellenrad zugeführt werden. Der Auslaßkana128 ist mit einer Brennkammer22
verbunden, der über eine Brennstoffzuführungsleitung23 Brennstoff zugeführt wird.
Von der Brennkammer 22 führt ein Kanal zu einem Fliehkraftabscheider 29,
welcher zwei Auslässe aufweist, deren einer., das gereinigte Gas führender Auslaß,
an eine Leitung 30 angeschlossen ist '. während deren anderer, das mit Verunreinigungen
durchsetzte Gas führende Auslaß, an eine Leitung31 angeschlossen ist, die zum Einlaßkanal
18 des Druckaustauschers führt. Der Kana130 ist an den Einlaß einer Gasturbine20
angeschlossen, die einen elektrischen Generator 21 antreibt. Der Abgaskanal
32 der Gasturbine20 führt in die freie Atmosphäre.
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Im Gegensatz zu den üblichen Kessel-Abgasreinigern, bei welchen etwa
90% des Gasdurchsatzes über einen Reingasauslaß ausgestoßen werden, liefert der
Fliehkraftabscheider29 einen kleineren Prozentsatz des Gesamt-Gasdurchsatzes, beispielsweise
nur etwa 50(Ifo desselben -. zur Gasturbine20. Gemäß der dargestellten Ausführungsforin
der Erfindung wird die Gesamtmenge der von der Brennkammer22 gelieferten Verbrennungsgase
durch den Fliehkraftab-##cheider 29 hindurchgeführt, so daß also das der
Gasturbine 20 zugeführte Gas unmittelbar erhitzt ist. Trotzdem wird gemäß der Anordnung
nach der Erfindung nahezu die Gesamtheit aller schädlichen Gasverlinreinigungen
von der Gasturbine ferngehalten und über den Kanal 31 wieder dem Druckaustauscher
zugeführt. Falls der verwendete Brennstoff einen besonders hohen Ascheanfall zur
Folge haben sollte, kann es zweckmäßig --ein, zwei oder mehrere Fliehkraftabscheider
zueinander parallel zu schalten.
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Im Betrieb der dargestellten Anordnung wird über den Einlaßkanal 14
Frischluft in die Zellen 10 des Druckaustauschers eingelassen, dort mittels
der über den Einlaß 18 eingelassenen heißen Verbrennungsgase verdichtet und
über den Auslaßkanal 28 vom Druckaustatischer entnommen. Diese verdichtete Luft
wird sodann als Verbrennungsluft der Brennkammer 22 zugeführt, wo sie zur Verbrennung
des über die Brennstoffleitung 23 zugeführten Brennstoffes dient. Die auf
diese Weise entstehenden Verbrennungsgase werden sodann dem Fliehkraftabscheider
29 zugeführt, in welchem in an sich bekannter Weise die Asche und die anderen, in
den Verbrennungsgasen enthalteilen Schwebstoffe durch Fliebkraft abgeschieden werden,
wonach das diese Verunreinigungen enthaltende Gas über die Leitungen 31 und
18 in den Druckaustauscher zurückgeführt wird. Die gereinigten Verbrennungsgase
werden über dieLeitung30 zur Gasturbine 20 geführt und expandieren dort unter gleichzeitiger
Arbeitsleistung, wonach sie über die Abgasleitung 32 in die freie Atmosphäre
abgelassen werden.
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Der in Fig. 2 der Zeichnung dargestellte Zellenrad-Druckaustauscher
ist mit dem in Fig. 1 dargestellten Druckaustauscher mit der Ausnahme identisch
' daß nuninehr in der Hochdruckspülstufe des Druckaustauschers anstatt eines
Auslaßkanals zwei Auslaßkanäle 16 und 17 vorgesehen sind. Gleiche
Teile sind in Fig. 2 mit denselben Bezugsziffern bezeichnet wie in Fig.
1. Bei der Darstellung des Druckaustauschers in Fig. 2 sind die Endplatten
11 und 12 beiderseits des Zellenrades, welche in Fig. 1 nur schematisch
angedeutet sind, etwas deutlicher dargestellt. Der Ab-
gaskanal
16 der Hochdruckspülstufe ist an den kalten Ast eines Wärmeaustauschers
19 angeschlossen, der seinerseits wiederum mit dem Einlaß der Gasturbine
20 verbunden ist.
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Der Auslaßkanal 17 der Hochdruckspülstufe des Druckaustauschers
ist unmittelbar an die Brennkammer 22 angeschlossen und hat dadurch mittelbar Verbindung
mit dem warmen Ast des Wärmeaustauschers 19. Der warme Ast des Wärmeaustauschers
19 ist an den Einlaßkanal 18 der Hochdruckspülstufe des Druckaustauschers
angeschlossen.
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Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist in vieler Hinsicht ähnlich
derjenigen der in Fig. 1 der Zeichnung dargestellten Anordnung, wobei der
Hauptb unterschied zwischen den beiden Anordnungen darin begründet ist, daß bei
der Anordnung nach Fig. 2 an Stelle des Fliehkraftabscheiders 20 ein Wärmeaustauscher
19 vorgesehen ist. Im Betrieb der in Fig. 2 gezeigten Anordnung tritt Frischluft
durch den Einlaßkanal 14 der Niederdruckspülstufe in die Zellen des Zellenrades
ein und wird sodann durch die Druckwelle 24, welche sich längs der Zellen des Zellenrades
in an sich bei Druckanstauschern bekannter und üblicher Weise ausbreitet, verdichtet.
Eine weitere Verdichtung der eingelassenen Luft erfolgt im Zuge des Weiterlaufes
der Zellen des Zellenrades in Richtung des Pfeiles 13 durch die Druckwelle
25. Die verdichtete Luft wird sodann durch die in die Abgaskanäle 16 und
17 führenden Durchtrittsöffnungen in zwei Teilströme aufgeteilt. Derjenige
Teilstrom, welcher durch den Kanal 16 abgezogen wird, wird im Wärmeatistauscher
19 aufgeheizt und in der Gasturbine 20 unter Leistung äußerer Arbeit expandiert.
Die das Zellenrad 10 des Druckaustauschers über den Ab-
gaskanal
17 verlassende verdichtete Luft wird als Verbrennungsluft für die Unterhaltung
der Verbrennung in der Brennkammer 22 verwendet und folglich dort erhitzt, wonach
der größte Teil dieser zugeführten Wärme im Wärmeaustauscher 19 auf die in
die Gasturbine 20 weitergeleitete Heißluft übertragen wird. Da die Verbrennungsgase
selbst nicht durch die Gasturbine geführt werden, sondern statt dessen über den
Kanal 18 zu den Zellen des Druckaustatischers zurückgeführt werden, können
in der Anlage Brennstoffe verbrannt werden, die normalerweise in Gasturbinenanlagen
wegen der schädlichen Wirkungen der in den Verbrennungsgasen enthaltenen Asche und
anderen Schwebstoffen nicht verbrannt werden könnten. Die in den Druckaustauscher
zurückgeführten Gase stehen unter der Wirkung zweier Expansionswellen
26 und 27, bevor sie die Zellen des Zellenrades wiederum durch die
Abgasleitung 15 verlassen.
Der Ouerschnitt der Durchtrittsöffnungen,
durch welche die Kanäle 14 und 15 Anschluß an die Zellen des Zellenrades
haben, sind so gewählt, daß an dieser Stelle eine vollständige Spülung der Zellen
erfolgt, derart, daß die sich auf die Auslaßkanäle 16 und 17
für die
verdichtete Luft zu bewegenden Zellen mit Luft und nicht mit Verbrennungsgasen gefüllt
sind. Da außerdem über den Einlaßkanal 18 wiederum Frischluft in die Zellen
des Zellenrades eintritt, besteht keine Gefahr einer Gasmischung in den Zellen.
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E s wird darauf hingewiesen, daß die durch den kalten Ast des
Wärmeaustauschers 19 geführte verdichtete Luft gegenüber den heißen, die
Brennkammer 22 verlassenden Verbrennungsgasen ein erhebliches Temperaturgefälle
aufweist. Wegen dieses wesentlichen Temperaturgefälles kann bei Gegenstromanordnung
sogar ein Rekuperativ-Röhrenwärmeaustauscher voll sehr kleinen Abmessungen mit gutem
Erfolg Anwendung finden. Der Druckunterschied zwischen den beiden wärineaustatischenden
Flächen des Wärmeaustauschers ist nur gering, was in konstruktiver Hinsicht äußerst
günstig ist.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, wird die zur Speisung der Gasturbine
20 benötigte Luft an einer Stelle des Druckaustauschers entnommen, an welcher die
Zellen des Zellenrades ankommen, bevor aus dem Druckaustauscher Gas zur Speisung
der Brennkammer 22 entnommen wird. Diese Entnahmefolge kann jedoch auch vertauscht
werden. Im allgemeinen wird es zweckmäßig sein, die Austrittsöffnungen für die beiden
Luftströme derart anzuordnen, daß die zur Brennkammer 22 strömende Luft einen etwas
höheren Druck hat als die zur Gasturbine strömende Luft, wobei dieser geringe Drucküberschuß
zur Überwindung der Strömungswiderstände in der Brennkammer benötigt wird. Bei der
in der Zeichnung dargestellten Anordnung ist die Gefahr, daß durch Verbrennungsrückstände
verunreinigte Luft zur Gasturbine gelangt, sehr gering.
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Der Wärtneaustauscher kann konstruktionsmäßig mit der Brennkammer
verbunden sein. Falls eine derartige Anordnung getroffen wird, kann das Flammrohr
der Brennkammer als wärmeaustauschende Fläche benutzt werden, indem an seiner Außenseite
die zur Gasturbine strömende Luft vorbeigeführt wird. In diesem Fall muß dafür gesorgt
werden, daß unter allen Betriebsbedingungen mindestens eine geringe Luftmenge außen
am Flammrohr vorbeigeführt wird, damit das Flammrohrmaterial nicht überhitzt wird.