DE841377C

DE841377C - Gasturbinenanlage mit teilgeschlossenem Kreislauf

Info

Publication number: DE841377C
Application number: DEP26026D
Authority: DE
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1945-11-03
Filing date: 1948-12-22
Publication date: 1952-06-16

Description

Gasturbinenanlage mit teilgeschlossenem Kreislauf

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinen-

anlage, bei welcher in einem Kreislauf umströmende

Luft durch einen Kreislaufverdichter verdichtet, in

einem Lufterhitzer erhitzt, in einer den Kreislauf-

verdichter antreibenden Kreislaufturbine entspannt

und wieder zum Kreislaufverdichter zurückgeführt

wird, wobei ständig dem Kreislauf eine Teilmenge

von Luft entnommen und als Verbrennungsluft dem

Lufterhitzer zugeführt wird und als Ersatz eine

Luftmenge aus der Atmosphäre in den Kreislauf

eingeführt wird, während das Verbrennungsgas des

Lufterhitzers in einer Nutzleistungsturbine ent-

spannt wird. Die Erfindung ist dadurch gekenn-

zeichnet, daß zur Einführung der Ersatzluft nicht

nur ein Ladeverdichter, sondern auch eine den

Ladeverdichter überbrückende Umgehungsleitung

vorgesehen ist, daß ferner der Ladeverdichter mit einer durch Luft aus dem Kreislauf beaufschlagbaren Ladeturbine gekuppelt ist und daß schließlich Umschaltorgane angeordnet sind, welche ermöglichen, entweder die Ersatzluft durch die Umgehungsleitung einzuführen und die Zufuhr von Luft aus dem Kreislauf zur Ladeturbine zu unterbrechen oder die Ersatzluft dem Ladeverdichter zuzuführen und die Ladeturbine mit Luft aus dem Kreislauf zu beaufschlagen.

Gasturbinenanlagen nach der Erfindung eignen sich besonders für alle Fälle, wo neben einer Dauerleistung von höchstem Wirkungsgrad auch Höchstleistungen bei ebenfalls gutem Wirkungsgrad verlangt werden, die ein Mehrfaches der Dauerleistung betragen. Solche Anlagen kommen hauptsächlich

für Wasserfahrzeugantrieb, insbesondere für

Kriegsschiffe, zur Anwendung, welche für forcierte

Fahrt eine Leistung benötigen, die ein :Mehrfaches

der Leistung für Marschfahrt beträgt.

Zweckmäßig wird die Abluft der Ladeturbine

wieder in den Kreislauf zurückgeführt. Die Kreis-

laufturbine und die Ladeturbine können im Strom

der Kreislaufluft parallel geschaltet sein. Die Kreis-

laufturlrine könnte aber auch als Hochdruckturbine

in Reihe mit der als Niederdruckturbine ausgebil-

deten Ladeturbine geschaltet sein.

Es empfiehlt sich, einen Rekuperator zu verwen-

den, in welchem das Abgas der Nutzleistungs-

turbine die Verbrennungsluft des Lufterhitzers vor-

wärmt, der insbesondere bei Betrieb ohne Ladever-

dichter den Wirkungsgrad der Anlage wesentlich

verbessert. Die Nutzleistungsturbine kann eine ab-

schließbare, einenTeil ihrer Hochdruckstufen über-

brückende Umgehungsleitung besitzen, um die

Abgase des Lufterhitzers bei abgeschalteter Lade-

turbitie durch die Umgehungsleitung strömen zu

lassen. Durch diese Vorkehrung kann das Eintreten

von Pumperscheinungen am Kreislaufverdichter

infolge zu starker Rückstauung verhindert werden.

Die gleiche Wirkung kann auch erzielt werden,

wenn die Nutzleistungsturbine einen getrennten

Hochdruckteil besitzt und dieser Hochdruckteil bei

abgeschalteter Ladeturbine durch eine Umgehungs-

leitung überbrückt wird. Es empfiehlt sich dann,

die Welle des Hochdruckteils durch eine lösbare

Kupplung mit der Abtriebswelle zu kuppeln.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand von Aus-

führungsbeispielen, welche die Zeichnung darstellt,

näher erläutert.

Fig. i zeigt eine Gasturbinenanlage nach der Er-

findung, während durch

Fig. 2 bis 4 Varianten einiger Einzelheiten der

Anlage nach Fig. i dargestellt sind.

Die durch den Kreislaufverdichter i (Fig. i) ver-

dichtete Luft wird zum einen Teil durch die Lei-

tung 2 und zum anderen Teil durch die Leitung 3

abgeführt. Der durch die Leitung 2 abgeführte Teil

gelangt durch den Rekuperator .4 und die Leitung 5

in denLufterhitzer6. BeimUmströmen derWärme-

austauschrohre 7 wird diese Luft erhitzt und kann

dann im erhitzten Zustand einesteils durch die Lei-

tung 8 in die Kreislaufturbine 9 und andernteils

durch die Leitung io in die Ladeturbine i i gelan-

gen. Durch die Leitung 12 strömt die Abluft der

Kreislaufturbine 9 in den Rekuperator 4 zurück, wo

sie beim Durchströmen der Wärmeaustauschrohre 13

einenTeilihrerRestwärmean die aus demKreislauf-

verdichter i ankommende verdichtete Luft abgibt.

Einen weiteren Teil ihrer Restwärme gibt sie im

Kühler 1.4 einem durch das Kühlsystem 15 strömen-

den Kühlmedium ab und gelangt dann abgekühlt

durch die Leitung 16 wieder in den Kreislaufver-

dichter i zurück, um den beschriebenen Kreislauf

von neuem zu beginnen. Die aus der Ladeturbine i i

anfallende Abluft strömt durch die Leitung 17

ebenfalls in den Rekuperator 4 zurück, wo sie sich

mit der aus der Leitung 12 ankommenden Abluft

vereinigt und anschließend gemeinsam mit ihr ge-

kühlt und wieder zum Kreislaufverdichter t zurückgeführt wird. ' Der im Kreislauf umströmenden Luft wird ständig eine Teilmenge durch die Leitung 3 entnommen. Diese Entnahmeluft gelangt nach Vorwärmung im Rekuperator 18 durch die Leitung i9 als Verbrennungsluft in den Brennraum 2o des Lufterhitzers 6. Durch die Leitung 21 wird dem Brenner 22 ein flüssiger Brennstoff zugeführt. Das in der Brennkammer 2o entstehende hocherhitzte Verbrennungsgas strömt durch die Wärmeaustauschrohre 7 und erhitzt dabei die im Kreislauf zirkulierende Luft. Das teilweise abgekühlte Gas strömt anschließend durch die Leitung 23 in die Nutzleistungsturbine 24 und nach Arbeitsleistung in entspanntem Zustand durch die Leitung 25 in den Rekuperator 18. Beim Durchströmen der Wärmeaustauschrohre 26 wird die dem Lufterhitzer zugeführte Verbrennungsluft vorgewärmt. Aus dem Rekuperator 18 können die Abgase endlich durch die Leitung 27 noch zu weiteren Wärmeverbrauchsstellen oder unmittelbar ins Freie abströmen.

Als Ersatz für die dem Kreislauf entnommene Teilmenge wird durch die Leitung 28 Luft aus dem Freien dem Kreislauf wieder zugeführt. Diese Ersatzluft kann entweder durch die Leitung 29 unmittelbar in die Zufuhrleitung 16 des Kreislaufverdichters i oder durch den Ladeverdichter 30 und die Leitung 3 i in den Kühler 14 eingeführt werden.
Die durch Luft des Kreislaufs beaufschlagte Turbine 9 treibt den Kreislaufverdichter i und die ebenfalls durch Luft des Kreislaufs beaufschlagte Turbine i i den Ladeverdichter 3o. Die Turbine 24, welche durch das aus dem Kreislauf entnommene Arbeitsmittel beaufschlagt ist, erzeugt die Nutzleistunk der Anlage, welche über das Getriebe 32 und eine Abtriebswelle auf den Schiffspropeller 33 weitergeleitet wird. Zur Umkehr der Fahrtrichtung sind die Propellerflügel verstellbar ausgebildet.
Zur Inbetriebsetzung der Anlage und zum Ausgleich eines allfälligen Leistungsüberschusses oder eines Leistungsmangels dient eine elektrische Maschine 34, die mit der Welle des Kreislaufverdichters i und der Kreislaufturbine 9 gekuppelt ist und sowohl als Elektromotor wie auch als Generator arbeiten kann.

Die dargestellte, insbesondere zum Antrieb von Kriegsschiffen geeignete Gasturbinenanlage soll während des größten Teils der Betriebszeit Marschleistung bei höchstem Wirkungsgrad erzeugen können, sie muß aber auch für forcierte Fahrt ein Mehrfaches dieser Marschleistung ebenfalls bei noch guten Wirkungsgraden aufbringen können. Zum Übergang von Marschfahrt auf forcierte Fahrt und umgekehrt dienen die Umschaltorgane 35, 36, 37 und 38. Die in Fig. i eingezeichnete Stellung der Umschaltorgane entspricht dem Betrieb für M N arschfahrt. Die aus der Leitung 28 dem Kreislauf zuzuführende Ersatzluft gelangt unmittelbar durch die Leitung 219 bei atmosphärischem oder etwas geringerem Druck in die Leitung 16 des Kreislaufs. Die Leitung io ist hierbei durch das Organ 36 unterbrochen, so daß die Turbine i i und

der Ladeverdichter 30 stillstehen. Utn Pumperichei-

mingen am Kreislaufverdichter i zu verhüten, wird

die aus dein Lufterhitzer 6 anfallende Treibgas-

menge durch die Umführungsleitung 39 einer un-

teren Stufe der Nutzleistungsturbine 24 zugeführt,

wo sie einett genügenden Durchflußquerschnitt

findet. bei welchem eine das Pumpen des Verdich-

ters verursachende Rückstauung verhindert ist. Die

f_eistungsregelung erfolgt wie üblich zunächst

durch Ändern der zugeführten Brennstoffmenge

und im Zusammenhang damit durch Verändern der

1?intrittsquerschnitte in die Nutzleistungsturbine

und allfällige Drosselung der durch die Leitungen

-8 und 35 zugeführten 1?rsatzluft. wobei auch die

Drehzahl des Kreislaufaggregats 1. 9 verändert

wird.

Soll die _\nlage auf Betrieb für forcierte Fali:t

übergehen, so werden die Organe 35 und 38 ge-

schlossen und die Organe 36 und 37 geöffnet. Die

dein Kreislauf zuzuführende Ersatzluft wird nun-

mehr in vermehrter Menge und in verdichtetem

Zustand mittels des Ladeverdichters 30 durch <1'-

Leitung 31 in den Kühler t4 eingeführt. Hierdurch

wird der Druckverlauf im ganzen Kreislauf auf

einen mehrfachen Wert gegenüber dem Betriell hei

Marschfahrt erhöht. Beim .lostritt aus dem Luft-

erhitzer 6 wird eine Teilmenge der erhitzten Luft

durch die Leitung io der Ladeturbine i i zugeführt.

Die aus dem Lufterhitzer 6 anfallenden Treibgase

gelangest nicht mehr über die Umgehungsleitung 39,

sondern unmittelbar am Flochdruckende in die

Turbine 24, wodurch ein -Mehrfaches der bei

Marschfahrt erzeugten Leistung über das Ge-

triebe 32 auf den Propeller 33 übertragen werden

kann. Die Regelung bei forcierter Fahrt kann wie

üblich durch Veränderung der Brennstoffmenge und

der Drehzahl -des Ladeaggregats I I, 3o erfolgen,

hierdurch wird auch die Drehzahl des Kreislauf-

aggregats 1.9 entsprechend verändert.

Die Nntllei-;ltiiig"tttt-1)iii(' katlit, wie in Fig. 2 gf-

zeigt, auch in zwei Gehäuse 4o und 41 aufgeteilt

sein, vors denen der Hochdfuckteil über eine lös-

bare Kupplung 42 und der Niederdruckteil un-

mittelbar auf (las Getriebe 43 arbeitet. Bei Marsch-

fahrt wird die durch die Leitung 23 anfallende

Treibgasinenge Tiber die L-tngehungsleitung 39 un-

inittelbar (lein N iederdruckteil 41 zugeführt, wäh-

rend die Hochdruckturbine durch das Organ 37 von

des- Treibgaszufuhr und mittels der lösbaren Kupp-

lung 4 2 vorn Getriebe 43 abgeschaltet ist. Die Tur-

bine 4o bleibt dann stehen, wodurch Ventilations-

verluste verhütet sind. Für forcierte Fahrt wird

das Umschaltorgan 37 geöffnet, dafür (las Umschalt-

organ 38 geschlossen und die Kupplung 42 einge-

rückt. Hierdurch wird sowohl voni Hochdruckteil

4o als auch vorn N iederdrnckteil 41 Leistung auf

(las Getriebe 43 und den Propeller 33 übertragen.

Die Kupplung 42 kann als hydraulische Kupplung

ausgebildet sein, welche zum Einrücken mit Flüs-

sigkeit gefüllt und zum :ltisrücken wieder entleert

wird.

Bei der ist Fig. 3 dargestellten Variante ist nur das

lircislaufaggregat s. 9 und (las Ladeaggregat 11, 30

mit den entsprechenden Leitungsanschlüssen

dargestellt. Die übrigen Teile der Anlage sind

gleich ausgebildet wie bei der Anlage nach Fig. i.

Die Anlage nach Fig. 3 unterscheidet sich. von der-

jenigen nach Fig. i dadurch, daß die Kreislauf-

turbine 9 und die Ladeturbine i i nicht parallel in

den Kreislauf eingeschaltet, sondern hinterein-

andergeschaltet sind. Durch die Leitung 8 wird die

im Lufterhitzer erhitzte Luft in ganzer Menge der

Kreislaufturbine 9 zugeführt. Nach Entspannen ge-

langt diese Luft durch die Leitung 12 entweder bei

verminderter Leistung über das offene Umschalt-

organ 44 unmittelbar in den Rekuperator .4 oder

bei forcierter Leistung über die Leitung io in die

Ladeturbine i i. Zur Umstellung des Betriebs von

verminderter Leistung auf forcierte Leistung die-

nen die Umschaltorgane 36, 44. In der in Fig. 3

eingetragenen Stellung gelangt die .Abluft der

Kreislaufturbine 9 unmittelbar in den Rekupera-

tor 4, so daß das Ladeaggregat 11, 30 stillsteht und

die Ersatzluft über das geöffnete Umschaltorgan

35 unmittelbar durch die Leitung 29 in den Kreis-

lauf gelangt. Für forcierte Fahrt wird das Um-

schaltorgan 36 geöffnet und die Umschaltorgane 35

und 44 werden geschlossen. Die als Niederdruck-

turbine ausgebildete Ladeturbine i i treibt dann

den Ladeverdichter 30, so daß die Ersatzluft in

verdichtetem Zustand durch die Leitung 31 in den

Kreislauf eingeführt wird.

Bei der in Fig.4 dargestellten Variante ist die

Ladeturbine i i als Hochdruckturbine ausgeführt

und der als N iederdruckturbine ausgebildeten Kreis-

laufturbine 9 vorgeschaltet. Bei der in Fig.4 ein-

getragenen Stellung der Umschaltorgane 35, 36, 45

gelangt die erhitzte Luft des Lufterhitzers un-

mittelbar in die Niederdruckturbine 9. Das Lade-

aggregat 11, 30 bleibt außer Betrieb und die Er-

satzluftmenge strömt aus der Leitung 28 in unver-

dichtetem Zustand über das Umschaltorgan 35 und

die Leitung 29 in den Kreislauf. Für forcierten

Betrieb wird das Uritsclialtorgan 36 geöffnet und

die Umschaltorgane 35 und 45 werden geschlossen.

Die erhitzte Luft des Gaserhitzers strömt dann

durch die Leitung io zunächst in die Ladeturbine

i i und aus dieser durch die Leitungen 17 und 8

in die Kreislaufturbine 9, üm dann durch die Lei-'

tung 12 in den Rekuperator .4 zu gelangen. Die

Ersatzluft wird in diesem Fall durch den Lade-

verdichter 30 verdichtet und durch die Leitung 31

dem Kreislauf zugeführt.

Claims

PATEN TA, SPRÜCHE: i. Gasturbinenanlage, bei welcher in einem Kreislauf umströmende Luft durch einen Kreislaufverdichter verdichtet, in einem Lufterhitzer erhitzt, in einer den Kreislaufverdichter antreibenden Kreislaufturbine entspannt und wieder zum Kreislaufverdichter zurückgeführt wird, wobei ständig dem Kreislauf eine Teilmenge von Luft entnommen und als Verbrennungsluft dem Lufterhitzer zugeführt wird und als Ersatz eine Luftmenge aus der Atmosphäre in den Kreislauf eingeführt wird, während das Verbrennungsgas des Lufterhitzers in einer Nutzleistungsturbine entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einführung der Ersatzluft nicht nur ein Ladeverdichter, sondern auch eine den Ladeverdichter überbrückende Umgehungsleitung vorgesehen ist, daß ferner der Ladeverdichter mit einer durch Luft aus dem Kreislauf beaufschlagbaren Ladeturbine gekuppelt ist und daß schließlich Umschaltorgane angeordnet sind, welche ermöglichen, entweder die Ersatzluft durch die Umgehungsleitung einzuführen und die Zufuhr von Luft aus dem Kreislauf zur Ladeturbine zu unterbrechen oder die Ersatzluft dem Ladeverdichter zuzuführen und die Ladeturbine mit Luft aus dem Kreislauf zu beaufschlagen. a. Gasturbinenanlage nach Anspruch .i, dadurch gekennzeichnet, daß die Abluft der Ladeturbine wieder in den Kreislauf zurückgeführt wird. 3. Gasturbinenanlage nach Anspruch a, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreislaufturbine und die Ladeturbine im Strom der Kreislaufluft parallel geschaltet sind. 4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreislaufturbine als Hochdruckturbine in Reihe mit der als Niederdruckturbine ausgebildeten Ladeturbine geschaltet ist. 5. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, gekennzeichnet durch einen Rekuperator, in welchem das Abgas der Nutzleistungsturbine die Verbrennungsluft des Lufterhitzers vorwärmt. 6. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzleistungsturbine eine abschließbare, einen Teil ihrer Hochdruckstufen überbrückende Umgehungsleitung besitzt, um die Abgase des Lufterhitzers bei abgeschalteter Ladeturbine durch die Umgehungsleitung strömen zu lassen zwecks Verhütung von Pumperscheinungen am Kreislaufverdichter. 7. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzleistungsturbine einen getrennten Hochdruckteil und eine diesen Hochdruckteil überbrückende Umgehungsleitung besitzt, um bei abgeschalteter Ladeturbine die Abgase des Lufterhitzers durch die Umgehungsleitung dem Niederdruckteil zuführen zu können. 8. Gasturbinenanlage nach Anspruch 7,- dadurch gekennzeichnet, daß die Welle des Hochdruckteils durch eine lösbare Kupplung mit der Abtriebswelle gekuppelt ist.