DE2443362B2 - Gasturbinentriebwerk mit einer Wärmetauscheranlage - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk, welches einen Verdichter, eine Brennkammer, mindestens eine Turbine sowie eine Wärmetauscheranlage aufweist, durch welche mittels eines Teiles der im Abgasstrom des Gasturbinentriebwerks enthaltenen Wärme eine Aufheizung des zur Brennkammer geführten Verdichterluftstromes herbeiführbar ist.

Bei einem solchen bekannten Gasturbinentrieb- 4^r> werk nach der GB-PS 710959 ist ein Regenerativ-Wärmetauscher in Ringscheiben-Ausführung vorgesehen, welcher wechselseitig vom Heißgas- und Frischluftstrom so durchströmbar ist, daß die Verbrennungsluft vor dem Eintritt in die Brennkammer w mit einem Teil der im Abgas enthaltenen Wärme aufgeheizt wird.

Die der Brennkammer zuzuführende Verdichterluft soll hierbei entgegen der Hauptströmungsrichtung in der Brennkammer seitlich an dieser entlanggeführt v, werden, so daß eine verhältnismäßig geringe Vorwärmung dieser Verdichterluft vor deren Eintritt in den Regenerativwärmetauscher zugrundegelegt werden kann.

Ein derartiges Gasturbinentriebwerk soll in der wi Regel im Interesse einer leistungsfähig und wirtschaftlich arbeitenden Anlage mit einer verhältnismäßig hohen Prozeßtemperatur gefahren werden können.

Es werden demnach bei diesem bekannten Trieb- μ werk verhältnismäßig große Temperaturdifferenzen bzw. -Sprünge des auf der einen Seite noch verhältnismäßig »kalt« und auf der anderen Seite verhältnismäßig »heiß« durchströmten Regenerativwärmetauschers zu erwarten sein, wodurch auch mit Rücksicht auf die naturgemäß unverhältnismäßig groß ausfallenden Baugruppen einer solchen Wärmetauscheranlage relativ hohe Bauteilspannungen kaum zu umgehen sein dürften.

Weiterhin muß bei einem derartigen Regenerativwärmetauscher infolge der zum Betrieb notwendigen mechanischen Einrichtungen (Dichtungen, Lagerung und Antrieb) ein nicht unbeachtliches, großes Temperaturgefälle berücksichtigt werden.

Weiterhin dürfte die beim vorliegenden bekannten Gasturbinentriebwerk vorgesehene Wärmetauscheranlage wegen ihres relativ hohen Gewichts und Einbauvolumens kaum den Anforderungen genügen können, die für einen wirtschaftlichen Betrieb einer derartigen Antriebsanlage, z. B. für Kraftfahrzeuge, gefordert werden.

Durch die GB-PS 688656 ist weiter eine Dampfkesselanlage für ein Kraftwerk bekannt, bei der u. a. Rekuperativwärmetauscher sowie ein mit drehbarer Matrix versehener Ljungström-Wärmetauscher in den Kreisprozeß zwischen mittels Gebläse angesaugter Feuerungsluft einerseits und den über eine Feuerung erhitzten Abgasstrom andererseits geschaltet sind, um eine möglichst günstige Abwärmenutzung zu erzielen.

Die Ljungström-Wärmetauscher soll im vorliegenden bekannten Fall im wesentlichen der Zu- und Abführung von Schwefelsäure am Ende dieses Wärmetauschers dienen, wobei die am Wärmetauscherende, also am luftseitigen Eintritts- bzw. gasseitigen Austrittsende nach Erreichen des Taupunktes sich aus dem Abgas abscheidende schwefelige Säure dann abgesaugt werden soll.

Anhand dieses vorstehend erläuterten bekannten Falles nach der GB-PS 688656 ist demnach kein Lösungsweg aufgezeigt, um bei einer Gasturbinenanlage mit Wärmetauscher die im Hinblick auf eine hohe Prozeßtemperatur auftretenden verhältnismäßig hohen Temperaturdifferenzen am bzw. im Wärmetauscher im Interesse einer wirtschaftlich arbeitenden Anlage möglichst gering zu halten.

Dies gilt auch in Verbindung miv der Literaturstelle aus dei Zeitschrift »Mechanical Engeneering«, Band 87 (1965) Nr. 6, Juni, Seite 51, wonach es lediglich für sich bereits bekannt ist, Wärmetauscher für Gasturbinentriebwerke, insbesondere Regenerativ-Wärmetauscher, aus Keramik herzusteilen.

Ein derartiger Wärmetauscher aus Keramik zeichnet sich u. a. durch folgende verhältnismäßig günstige Kriterien aus, nämlich hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit, der Thermoschockbeständigkeit sowie hinsichtlich eines im Interesse hoher Prozeßtemperatur hohen Wärmeaustauschgrades sowie eines relativ geringen Gewichts.

Trotz dieser aus dem Kcramikmatcrial resultierenden Vorteile beim Einsatz derartiger Wärmetauscher für Gasturbinentriebwerke bleiben jedoch die bei einem Regenerativ-Wärmetauscher temperaturbedingt, also aufgrund verhältnismäßig hoher Abgastemperatur auftretenden Probleme an den Dichtungen, sowie der Lagerung und dem Antrieb der Scheiben nahezu unverändert bestehen.

Während andererseits bei einem z. B. aus Keramik gefertigten Rekuperativwärmetauscher die temperaturbedingten technologischen Antriebs-, Dichtungsund Lagerungsprobleme entfallen, so ergeben sich jedoch bei letzterer Bauart Nachteile hinsichtlich des

angestrebten Wärmeaustauschgrades sowie des beanspruchten Bauvolumens und Gewichts. Sucht man das Gewicht des Rekuperators zu senken, so kann dieses Problem allenfalls nur unter Inkaufnahme erhöhter Druckverluste kompensiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasturbinentriebwerk mit einer W'ärmetauscheranlage mit verhältnismäßig hoher Prozeßtemperatur zu fahren und diese Antriebsanlage gegenüber Bekanntem leistungsfähiger und wirtschaftlicher zu gestalten.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung durch die Kombination folgenderMerkmalegekennzeichnet:

a) Die Wärmetauscheranlage besteht in an sich bekannter Weise aus einem Regenerativ- und einem Rekuperalivwärmetauscher, welche beide aus Keramik gefertigt sind;

b) die Wärmetauscheranlage ist dem Kreisprozeß des Gasturbinentriebwerks in der Weise zugeordnet, daß der heiße Abgasstrom nach dem Austritt aus der Gaserzeuger- bzw. Nutzleistungsturbine zuerst den Rekuperalivwärmetauscher und anschließend den Regenerativwärmetauscher durchströmt, während gleichzeitig der Verdichterluftstrom in umgekehrter Reihenfolge die Wärmetauscheranlage durchströmt.

Der hierdurch gegenüber Bekanntem erzielbare wesentliche technische Vorteil liegt zum einen darin, daß bei einer Gasturbinenanlage mit Wärmetauscherbetrieb eine nicht unwesentlich höhere Prozeßtemperatur gefahren werden kann, weil die gegenüber ausschließlicher Verwendung eines Regenerativwärmetauschers verhältnismäßig hohe Abgastemperatur bereits im Rekuperativwärmetauscher auf ein erträgliches Niveau abgebaut werden kann.

Vorteilhafterweise dürften weiter die technologischen Probleme hinsichtlich einwandfreier Abdichtung, der Lagerung und des Antriebes, wie sie beispielsweise im Falle einer ausschließlichen Regenerativwärmetauscherausführung unter Zugrundelegung einer relativ hohen Abgastemperatur zu erwarten wäre, ihre ursprüngliche Bedeutung weitgehend verloren haben.

Nachdem weiter die Verdichterluftströmung so geführt werden kann, daß sie vor dem Eintritt in die Brennkammer zuerst den Regenerativ- und daran anschließend den Rekuperativwärmetauscher durchströmt, sollen hierdurch ein besserer Wärmeaustauschgrad erzielt und relativ starke Temperaturdifferenzen weitgehend vermieden werden können.

Im Interesse einer relativ hohen Abgas- und Prozeßtemperatur ist es weiter vorteilhaft, daß beide Wärmetauscher aus Keramik gefertigt sind.

Hierdurch sowie aufgrund der angegebenen Zusammenschaltung beider Wärmetauscher ergibt sich weiter eine gewichtlich leichte sowie relativ kompakte Wärmetauscheranlage zugunsten einer wirtschaftlichen Antriebsanlage.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Gasturbinentriebwerk mit Wärmetauscheranlage als Schaltschema,

Fig. 2 ein Gasturbinentriebwerk mit einem Teil der Wärmetauscheranlage (Regenerator) teilweise in Seitenansicht sowie als Mittellängsschnitt dargestellt und Fig. 3 eine Ansicht in Blickrichtung A der Fig. 2.

Das in Fig. 1 dargestellte Gasturbinentriebwerk besteht aus einem Verdichter 1, einer Brennkammer 2 sowie einer Verdichterantriebsturbine 3, der

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eine Nutzleistungsturbine 4 thermodynamisch nachgeschaltet ist. Die von der Nutzleistungsturbine 4 erzeugte Leistung wird über ein Getriebe 5 abgenommen.

Die Wärmetauscheranlage besteht aus einem Regeneraiivwärmetauscher 6 und einem Rekuperativwärmetauscher 7. Beide Wärmetauscher sind dem Kreisprozeß des Gasturbinentriebwerks in der Weise zugeordnet, daß der heiße Abgasstrom (Leitung 10) nach dem Austritt aus der Nutzleistungsturbine 4 zuerst den Rekuperativwärmetauscher 7 und anschließend über die Leitung 8 den Regenerativwärmetauscher, 6 durchströmt und dann über eine Auspuffleitung 9 ins Freie abströmt.

Gleichzeitig durchströmt der Verdichterluftstrom die Wärmetauscheranlage in umgekehrter Reihenfolge, d. h. über die Leitung 11 zunächst in den Regenerativwärmetauscher 6, wodurch die Verdichterluft mittels eines Teils der vom Abgasstrom an die Wärmetauschermatrix abgegebenen Wärme aufgeheizt wird und hierauf über die Leitung 12 in den Rekuperativwärmetauscher 7, in welchem die Verdichterluft noch weiter mittels eines Teils der Abgasstrom enthaltenen Wärme aufgeheizt wird. Die in der beschriebenen Weise verhältnismäßig stark aufgeheizte Verdichterluft gelangt dann über die Leitung 13 in die Brennkammer 2. Aus der Brennkammer 2 gelangt das Verbrennungsgas über die Leitung 14 zur Verdichterantriebsturbine 3, deren Abgas über die Leitung 15 zur Nutzleistungsturbine 4 geführt wird.

Fig. 2 veranschaulicht ein Gasturbinentriebwerk in Einwellenausführung mit einem Radialverdichter 16, der mit einer zweistufigen Gaserzeugerturbine 17 auf einer Welle 17'sitzt, wobei am stirnseitigen Ende des Radialverdichters 16 ein Getriebe 18 angeflanscht ist. Eine Umkehrbrennkammer 19 ist dem Gasturbinentriebwerk achssymmetrisch so zugeordnet, daß die heißen Verbrennungsgase aus der Brennkammer 19 direkt in die Gaserzeugerturbine 17 eingespeist werden können. Die heißen Turbinengase strömen zwischen Radialverdichter 16 und Gaserzeugerturbine 17 über einen Sammelraum 27 radial nach oben ab, wobei sie gemäß Fig. 3 zuerst den Rekuperativwärmetauscher 27<j, 27/) und dann den darüber angeordneten Regenerativwärmetauscher 24 von unten nach oben in Richtung der Pfeile 20 durchströmen, bevor sie über einen Abgasstutzen 21 ins Freie gelangen. Gemäß Fig. 3 ist der Rekuperativwärmetauscher 27a, 27/) zum Zwecke einer strömungsgünstigen und kompakten Anordnung aus zwei Halbteilen aufgebaut, die zusammen dachförmig zwischen der Gaserzeugerturbine 17 und dem Regenerativwärmetauscher 24 oberhalb des Gasturbinentriebwerkes angeordnet sind.

Die Verdichterluft wird über den Radialverdichter 16 angesaugt und strömt über Kanäle 22, 23 in den Regenerativwärmetauschcr 24 und gelangt aus diesem gemäß Pfeilrichtung 25,26 über den Rekuperativwärmetauscher 27«, 276 zur Umkehrbrennkammer 19. Durch die aus Fig. 3 entnehmbare dachförmige Anordnung des Rekuperativwärmetauschcrs 27«, 276 läßt sich die über den Regenerativwärmetauscher 24 aufgeheizte und dem Rekuperativwärmetauscher 27«, 276 zuzuführende Verdichterluft gemäß der aufgezeigten Pfeilrichtung 25, 26 in zwei symmetrische Teilströme aufspalten und damit eine gleichmäßige Verdichterluftbeaufschlagung der Umkehrbrennkammer 19 erzielen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Gasturbinentriebwerk, welches einen Verdichter, eine Brennkammer, mindestens eine Türbine sowie eine Wärmetauscheranlage aufweist, durch welche mittels eines Teiles der im Abgasstrom des Gasturbinentriebwerks enthaltenen Wärme eine Aufheizung des zur Brennkammer geführten Verdichterluftstromes herbeiführbar ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Die Wärmetauscheranlage besteht in an sich bekannter Weise aus einem Regenerativ- und einem Rekuperativwärmetauscher (6, 7), welche beide aus Keramik gefertigt sind;

b) die Wärmetauscheranlage ist dem Kreisprozeß des Gasturbinentriehwerks in der Weise zugeordnet, daß der heiße Abgasstrom nach dem Austritt aus der Gaserzeuger- bzw. Nutzleistungsturbine (3 bzw. 4) zuerst den Rekuperativwärmetauscher (7) und anschließend den Regenerativwärmetauscher (6) durchströmt, während gleichzeitig der Verdichterluftstrom in umgekehrter Reihenfolge die Wärmetauscheranlage durchströmt.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rekuperativwärmetauscher aus zwei Halbteilen besteht, die zusammen dachförmig zwischen der Turbine (17) und dem Regenerativwärmetauscher oberhalb des Gasturbinentriebwerks angeordnet sind.

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