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Verfahren zur Ausnützung hoher Gastemperaturen in einem Gasturbinenprozeß
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wandlung von Wärme in Arbeit unter Anwendung
eines Arbeitsmittels als Wärmeträger und einer Turbine als Wärmekraftmotor.
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Bekannt ist der Vorteil, dein hohe Eintrittstemperaturen des Arbeitsmittels
bei allen Wärmekraftprozessen bedingen. Besonders in Verbindung mit ein--r Steigerung
des: Druckes kann dadurch eine wesentliche Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades
erzielt werden. Die Dauerstandfestigkeit der Turbinenbaustoffe bei höheren: Temperaturen,
inisbesondere des Schaufelmaterials, begrenzt zur Zeit die Eintrittstemperatur auf
6oo bis 700° C, wenn man von. der Anwendung einer besonderen Kühlung wegen der damit
verbundenen bekannten Erschwernisse absieht. Versuche zur Verwendung keramischer
Schaufeln, mit dem Ziel, die Eintrittstemperatur wesentlich über die genannte Grenztemperatur
hiniaus zu steigern, haben bis heute noch zu keinem. befriedigenden Erfolg geführt.
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Bei den bekannten Verfahren, die mit offenem Kreislauf und stetiger
Verbrennung arbeiten, findet die Senkung der Feuergastemperatur auf die für die
Turbinen zulässige Eintrittstemperatur durch Beimischung von Überschuß,luft statt.
Durch diese Verdünnung der Verbrennungsgase wird nicht nur das theoretisch ausnutzbare
Wärmegefälle wesentlich vermindert, sondern auch die erforderliche Verdichterarbeit
erheblich vergrößert. Bezogen auf die Einheit der verarbeiteten Brennistoffmenge
muß ein
Vielfaches der theoretischen Luftmenge auf den festgelegtenAnfangsdruck
verdichtet werden. Neben anderen nachteiligen Einflüssen ergibt sich dadurch auch
ein erheblich gesteigerter innerer Arbeitsumsatz, bedingt durch die Aufbringung
der hohen Antriebsleistung für den Verdichter. Das hat zur Folge, daS die Turbine
in: ihrer Bemessung für ein Mehrfaches. der abgegebenen. Nubzlei-stung ausgelegt
werden muß. Nach bekannten Versuchen: an einer ausgeführten Anlage ergibt sich bei
der Nennleistung des untersuchten Aggregates; etwa der g,gfache Luftüberschuß. Dabei
können als, Nutzarbeit nur rund 33,7'/o der Turbinenleistung abgegeben werden.
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Bei solchen mit offenem Kreislauf arbeitenden Verfahren besteht des
weiteren bekanntlich der Nachteil, daß, feste Brennstoffe nicht verwendbar sind,
weil ihre Abgase mit wirtschaftlich tragbaren Mitteln nicht unmittelbar in der Turbine
verarbeitet werden können; denn die in diesen Abgasen enthaltenen Aschenteilchen
bedingten eine ständige Minderung des Wirkungsgrades dadurch, daß sie auf dem Wege
durch die Turbine eine andere Relativgeschwindigkeit annehmen als die Gase und damit
auf die Laufschaufeln bremsend wirkten. Der mit der Dauer des Betriebes sehr schnell
zunehmende Verschleiß, der Schaufeln durch. die schmirgelnde Wirkung der Aschenteilchen
würde zu einer Änderung derSchaufeleimtrittswinkel führen und dadurch eine weitere
mit der Betriebsdauer zunehmende Verschsechterung des Wirkungsgrades, bedingen.
Die Aschenteilchen lassen sich auch durch die Anwendung besonderer Abscheider nicht
gänzlich entfernen.
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Diese Verfahren, bei denen man an die Einhaltung verhültnismäßig niedriger
Eintrittstemperaturen gebunden ist, erfordern Turbinen und Verdichter mit sehr hohen
thermodynamischen Wirkungsgraden, um überhaupt einen erträglichen Gesamtwirkungsgrad
des Verfahrens zu erzielen. Schon eine geringe Minderung des Turbinenwirkungsgrades
führt zu dem Grenzfall, bei dem die Turbinenleistung gerade noch auBreicht, um den
Arbeitsbedarf des. Verdichters zu decken. Die bisher notwendige Temperaturbegrenzung
zwingt also zur Anwendung einer sehr hochwertigen, also auch teueren Turbine, d.
h. also einer Turbine mit einer größeren Zahl von Stufen. Die mitgerissenen Aschenteilchen
wirken sich aber gerade bei einer solchen Turbine besonders, nachteilig aus. Man
könnte nun, rein technisch gesehen, daran denken, dennoch bei den bekannten, mit
offenem Kreislauf arbeitenden Verfahren die Abgase vorn festen Brennstoffen zu verwerten,
indem man bis zu einem begrenzten Wirkungsgradabfall den Verschleiß der Schaufelar
in Kauf nähme, um nach einer verhältnismäßig kurzen: Betriebsdauer dann das Laufzeug
zu erneuern; aber gerade bei der erforderlichere teueren hochwertigen Turbine wäre
das wirtschaftlich ganz untragbar.
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Im Gegensatz dazu wird eis, mit dem Verfahren vorliegender Erfindung
wirtschaftlich möglich, auch feste Brennstoffe zur Energieerzeugung in einer einfachen
Gasturbine unmittelbar zu verwenden. Gemäß der Erfindung werden in einer Druckkammerfeuerung
vorzugsweise feste Brennstoffe verbrannt. Die Erfindung bezieht sich jedoch in gleicher
Weise auch auf die Verwendung flüssiger und gasförmiger Brennstoffe. Die obere Temperaturgrenze
ist dabei lediglich durch die noch zulässige Beanspruchung der Ofenbaustoffe gegeben.
Der günstigste Arbeitsdruck in der Verbrennungskammer ist auch bei diesem Verfahren
von den erreichbaren Teilwirkungsgraden der Turbine und des Verdichters abhängig.
Aus der Druckkammer, in der die Verbrennung vor sich geht, treten die Verbrennungsgase
durch eine Düse aus. Wahlweise kann dabei die Expansion bis auf den Außendruck oder
aber einen festgelegten höheren oder niedrigeren Druck erfolgen. Die in der Düse
expandierenden Feuergase dienen zunächst als Treibmittel in einem Gasstrahlgebläse.
Durch zusätzlich angesaugte Mittel, wie Außenluft oder Abgase, findet eine Vergrößerung
des Treibs.trahlvolumens auf ein Vielfaches statt.
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In einer nachgeschalteten einfachen Turbine wird der Arbeitswert,
den das Gasgemisch hinter dem Gasstrahlgebläse besitzt, einschließlich der Strömungsenergie
an den Turbinenläufer übertragen. Je nach der Wahl des Druckgefälles vor und hinter
der Turbine wird der Expansionsgrad des ersten Leitschaufelgibters ausgelegt. Findet.
dabei die Expansion der Verbrennungsgase aus der Druckkammerfeuerung angenähert
auf den. Druck statt, der hinter der Turbine vorherrscht, so erfährt das Arbeitsmittel
in dem ersten Leitschaufelgitter vor der Turbine lediglich eine Lenkung ohne Expansion.
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Besondere Sorgfalt bedarf bei dem Verfahren vorliegender Erfindung
die Ausbildung des Strahlgebläses, weil dessen Wirkungsgrad wesentlich mitbestimmend
für den Gesamtwirkungsgrad ist. Zweckmäßigerweise findet dabei ein vielstufiges
Strahlgebläse Anwendung.
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Bei demVerfahren vorliegenderErfindung genügt schon die Verwendung
einer einfachen Turbine mit einer geringen Anzahl von Geschwindigkeitsstufen, da
bei der gleichen Kompressionsarbeit. wie bei den bekannten Verfahren hier eine wesentlich
größeres Expansionsgefälle zur Verfügung steht. Entsprechend der geringeren Stufenzahl
ist hier die bremsende Wirkung der Aschenteilchen wesentlich geringer als bei einer
vielstufigen Turbine. Ein. Verschleiß,, mit dem trotz Einschaltung. einer guten
Vorentstaubung und trotz Anwendug von Baustoffen mit großer Oberflächenhärte gerechnet
werden muß, wird bewußt in, Kauf genommen. Durch die Wahl eines sehr einfachen:
und daher auch billigen Rades stellt der Ersatz des Laufzeuges nach einer bestimmten
Betriebszeit keine wirtschaftlich untragbare Belastung des Verfahrens dar. Von vornherein
wird bei der Konstruktion auf eine leicht durchzuführende Auswechslung des Läufers
Rücksicht genommen. Das ist bei dem Verfahren vorliegender Erfindung mit besonders,
einfachen Mitteln möglich, wenn die Auslegung so erfolgt, daß an keiner Stelle der
Turbine ein von dem Außendruck abweichender Druck auftritt, weil sich dadurch ein
leichtes Gehäuse ergibt. Da bei dem sehr viel höheren
theoretischen
Wirkungsgrad des Erfindungsverfahrens eine Verschlechterung des. Teilwirkungsgrades
der Turbine von geringerem Einfluß auf den Gesamtwirkungsgrad is.t als bei den bekannten
Verfahren mit niedrigeren Temperaturen., ergibt sich des weiteren die Möglichkeit,
mit dem hierbei zur Anwend .ung gelangenden einfachen: Turbinenläufer wesentlich
längere Betriebszeiten, bis zur erforderlichen Auswechslung zu erreichen.
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In der Abb. z ist das Verfahren, in seiner einfachsten Anwendungsform
veranschaulicht. In, der Druckfeuerung a wird die Verbrennung durch Regelung des
Luftüberschusses. oder Zufühzung von zerstäubtem Wasser so geleitet, daß die Beanspruchung
der Ofenbaustoffe unterhalb der zulässigen Grenztemperatur bleibt. In der gekühlten
Düse bzw. Düsengruppe expandiert das, Verbrennungsgas auf den Außendruck und dient
in einem nachgeschalteten Strahlgebläse c als Treibmittel. Dabei wird ein Teil der
durch die Expansion frei gewordenen kinetischen Energie an die im; dem Strahlgebläse
c angesaugte Außenluft übergeführt. Die Masse des strömenden Arbeitsmittels wird
hierbei auf ein Vielfaches vergrößert. An das Strahlgebläse kann eine Verdichtungsdüse
d angeschlossen werden, in der eine teilweise Rückwandlung der kinetischen Energie
in Druck erfolgt in Fällen, in denen das im Hinblick auf die Auslegung der Turbine
zweckmäßig erscheint. In der Turbine e gibt das Arbeitsmittel seine aus:nutzbare
Energie als Arbeit an das Laufrad ab. Mit der Turbine e ist ein Verdichter
f
und ein Stromerzeuger g oder eine andere Arbeits, maschine gekuppelt. Der
Verdichter f hat bei diesem Verfahren lediglich die zur Verbrennung mit geringem
Luftüberschuß erforderliche Außenluft auf den Druck der Brennkammer zu verdichten.
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In der Abb. 2 ist eine sinngemäße Abwandlung des Verfahrens unter
Vorwärmung der Verbrennungsluft dargestellt, durch die der thermische Wirkungsgrad
unter Inkaufnahme zusätzlicher Einrichtungen noch erhöht werden kann. Die Buchstaben
a biss g bezeichnen die gleichen Teile wie in Abb. r. Die Abgase der Turbine e werden
dabei über einen Vorwärmer i geleitet, indem sie einen Teil der Restwärme an die
Verbrennungsluft abgeben. Hinter dem Vorwärmer können die abgekühlten Abgase entweder
ins Freie austreten oder zum Strahlgebläse c zurückgeführt werden; in letzterem
Fall muß das Strahlgebläse in einer geschlossenen Kammer h arbeiten. Dabei empfiehlt
es sich, vor dem Vorwärmer noch. einen Aschenabscheider k in den Abgasstrom zu schalten,
um eine Aschenanreicherung in dem umlaufenden Gas zu vermeiden.
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Abb. 3 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel des Verfahrens unter
noch weiter gesteigertem Aufwand an Einrichtungsteilen; mit dem Ziel, noch höhere
Wirkungsgrade zu erreichen. Die Buchstaben a bis k
bezeichnen die gleichen
Teile wie in Abb. 2. Das: wie in Abb. 2 im Kreislauf zwischen der Turbine e und
dem Strahlgebläse c geführte Abgas arbeitet bei diesem Verfahren in einem Druckgebiet,
dessen Druckpegel wesentlich von dem: Außendruck abweicht und dessen Höhe mit der
Belastung unterschiedlich eingeregelt wird. Das aus dem Krei.sprozeß austretende
Arbeitsmittel, das. mengenmäßig der in die Brennkammer zugeführten Luftmenge entspricht,
leistet vor dem Austritt in die Außenatmosphäre in einer nachgeschalteten Turbine
Z Arbeit. Hinter die Turbine e ist wie beim Abbildungsbeispiel 2 wiederum ein Aschenabscheider
k eingeschaltet, der neben der Aufgabe, die nm Kreislauf geführte Abgasmenge von
Aschenteilchen zu befreien., auch den Zweck hat, die Gase vor Eintritt in: die Turbine
1. weitestgehend zu reinigen. Die Nachschaltturbine Z treibt den Kompressor f und
einen Generator in oder eine Arbeitsmaschine an. Durch Fremdspeisung kann der Generator
in zum Anfahren des Systems Anwendung finden. Das im Kreislauf geführte Turbinenabgas
gibt einen Teilbetrag seiner Wärme wie im Abbild'unggssbeis:piel2 in dem Wärmeaustauscheri
an die der Brennkammer zugeführte Verbrennungsluft ab-. Dadurch, daß das wärmeabgebende
Mittel im Abgaskreislaufsystem unter einem höheren Druck steht, ergeben sich in
dem Wärmeaustauscher i günstigere Wärmeübertragungsverhältnisse, so daß es möglich
ist, mit kleineren Wärmeaustauschern gegenüber dem Anwendungsbeispiel gemäß Abb.
2 auszukommen. Die Leistungsverteilung auf die Turbinen e und l kann durch Regelung
des Druckpegels- im Abga-skreislaufsys:tem zwischen Turbine e und Strahlgebläse
c eingestellt werden. Blei Auslegung der Maschine m als Gleichstromerzeuger ist
es möglich, die Drehzahl der Turbine l so zu variieren, daß der von ihr an, getriebene
umlaufende Verdichter jeweils die den Belastungsverhältnissen entsprechende Verbren,
nungsluftmenge liefert. Eine weitere Abwandlung des Anwendungsbeispiels 3 besteht
darin,, daß Verdichter und Gleichstromgenerator durch die Turbine e angetrieben
werden und mit veränderlicher Drehzahl arbeiten, während die Turbine Z als Antriebsmaschiine
für einen Drehstromgenerator mit konstanter Umdrehungszahl betrieben, wird.