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Verfahren zum Betriebe von Verbremmugstnrbinen mit mehreren Drnkstufeu.
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bei der mehrstufigen Dampfturbine mit Zwischenüberhitzung, ist dann auch bei solchen Verbrennungs- turbinen mit mehreren Druckstufen die Möglichkeit gegeben, die Temperatur des bereits teilweise expandierten Treibmittels je zwischen zwei aufeinanderfolgendenDruckstufen oder Druckstufengruppen wieder zu steigern, wodurch der thermische Wirkungsgrad der Turbine eine weitere Verbesserung erfahren muss.
Das bei der Dampfturbine mit Zwisehenüberhitzung angewendete Mittel der Oberflächenbeheizung
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grades nötigen hohen Temperaturen nicht erzielen.
Es ist deshalb schon der Vorschlag gemacht worden, in die erste Druekstufe der Verbrennungstur- bine ein Treibmittel mit so grossem LuftÜberschuss einzuführen, dass dieser Luftüberschuss nachher genügt, um neuen flüssigen oder festen Brennstoff, welcher je zwischen zwei aufeinanderfolgende Druckstufen oder Druekstufengruppen in das bereits teilweise expandierte Treibmittel eingeleitet wird, zu verbrennen.
Abgesehen von anderen Mängeln hat aber dieses bekannte Verfahren den schweren Nachteil, dass sich der Brennstoff, welcher-zwischen zwei aufeinanderfolgenden Druckstufen oder Druekstufengruppen in das bereits teilweise expandierte Treibmittel eingeleitet wird, mit der erforderlichen Verbrennungslutt
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stufe oder Druekstufengruppe der Verbrennungsturbine ein Treibmittel eingeführt wird, welches einen Überschuss an brennbaren Bestandteilen, dabei aber Luft'angel hat, und bei dem dann je zwischen zwei aufeinanderfolgenden Druckstufen oder Druckstufengruppen in das bereits teilweise expandierte Treib- mittel nur noch neue Verbrennungsluft eingeleitet wird, die an jeder solchen Stelle einen weiteren Teil der brennbaren Bestandteile des Treibmittels verbrennt.
Um die Temperatur des bereits teilweise axpandierten Treibmittels je zwischen zwei aufeinanderfolgenden Druckstufen oder Druckstufengruppen einer Turbine mit mehreren Druekstufen wieder zu steigern, ist auch noch folgendes Verfahren in Vorschlag gekommen. Der gesamte für die Turbine verwendete Brennstoff wird mit der erforderlichen Verbrennungsluft bei einem Drucke verbrannt, welcher gleich dem vor der ersten Druckstufe herrschenden Drucke ist. Ein Teil der erzeugten Verbrennungsgase kann dann als Treibmittel in die erste Druekstufe der Verbrennungsturbine eingeführt werden, wogegen der übrige Teil der heissen Verbrennungsgase zur stufenweisen Einführung in das bereits teilweise expan- dierte Treibmittel verwendet wird.
Dieses bekannte Verfahren hat aber neben andern Mängeln den schweren Nachteil, dass bei der Einführung der zur Temperatursteigerung verwendeten Verbrennungsgase in das bereits teilweise expandierte Treibmittel bedeutende Drosselungsverluste entstehen, die den Wirkungsgrad der Verbrennungsturbine in unzulässiger Weise herabdrücken.
Die Nachteile der bekannten Verfahren werden nun durch vorliegende Erfindung vermieden und es wird dabei ein hoher thermischer Wirkungsgrad angestrebt. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass wenigstens zwei Brennstoff-Luftgemische unter verschieden hohen Drücken gebildet und je bei gleichbleibendem Drucke verbrannt werden, und dass von den so entstandenen Verbrennungsgasen das Gas mit dem höchsten Drucke der ersten Druckstufe und jedes Gas mit niedrigerem Drucke einer seinem Drucke entsprechenden späteren Druekstufe als Treibmittel zugeführt wird, wobei die Temperatur des einer späteren Druckstufe zuzuführenden Verbrennungsgases hoher gehalten wird, als die des bereits teilweise expandierten Treibmittels,
welches aus der vorhergehenden Druckstufe herstromt und zwischen diesen beiden Stufen mit dem von aussen zugeführten Verbrennungsgas gemischt wird, worauf die so entstandene Treibmittelmischung im folgenden Turbinenteil expandieren gelassen wird. Das Druektem- peraturdiagramm des expandierenden Treibmittels weist also wenigstens bei einer späteren, d. h. nach der ersten Druckstufe kommenden Druckstufe ein sprunghaftes Ansteigen der Temperatur auf.
Dieses Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass als Treibmittel in die erste Druckstufe ein Gemisch aus dem mit dem höchsten Druck erzeugten Verbrennungsgas und aus Wasserdampf von ungefähr gleichem Druck eingeführt wird. Hiedurch erreicht man einerseits den Vorteil, dass die Temperatur des in die erste Druckstufe eingeführten Verbrennungsgases auf das für den Turbinenbetrieb zulässige Mass herabgesetzt wird, und anderseits ist auch der Nutzen einer Temperatursteigerung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Druckstufen um so grösser, je mehr Wasserdampf in dem bereits teilweise expandierten und dann wieder erwärmten Treibmittel enthalten ist.
Bei dem Verfahren nach vorliegender Erfindung führt nun zwar die aus der Turbine abziehende
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zu anderen Verbrennungsturbinenanlagen, nicht mehr nötig ist, weil die zur Verfügung stehende Abwärme allein schon genügt, um den erforderlichen Wasserdampf zu erzeugen.
Das Verfahren gemäss vorliegender Erfindung kann ferner so ausgebildet werden, dass das einer späteren Druckstufe zuzuführende heisse Verbrennungsgas in so grosser Menge zwischen dieser und der vorhergehenden Druckstufe eingeführt wird, dass die Temperatur der zwischen diesen Stufen gebildeten
Mischung ungefähr derjenigen des Treibmittels vor der ersten Druckstufe der Turbine entspricht.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, dass d : 1s Treibmittelgemisch im letzten Turbinenteil auf Vakuum expandieren gelassen wird. Diese letztgenannte Form des Verfahrens kann so ausgeführt werden, dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden Druckstufen, wo heisses Verbrennung- gas als Treibmittel in die Turbine eingeführt wird, etwa atmosphärische Spannung aufrecht erhalten wird.
In diesem Falle benötigt man bei dei Bildung der unter atmosphärischer Spannung stehenden Verbren- nungsgase keinen Verdiehter für die Verbrennungsluft.
Ein Beispiel für eine Turbinenanlage, die nach dem vorliegenden Verfahren arbeitet, ist in der Zeichnung durch Fig. 1 schematisch dargestellt. Fig. 2 zeigt das Drucktemperaturdiagramm dieser Tur- binenanlage. Als Abszissen sind von links nach rechts die in einem mittleren Stromfaden herrschenden
Drücke, als Ordinaten die zugehörigen Temperaturen aufgetragen.
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mittels des Hoehdruck-Luftverdichters 12 zugeführt.. Im Räume. 9 werden beide miteinander gemischt und verbrannt. Das gebildete Verbrennungsgas hat nun aber noch eine zu grosse Temperatur, als dass es unmittelbar in der mehrstufigen Turbine als Treibmittel verwendet werden könnte. Deshalb wird dem
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mittelmisehung von für die Turbine zulässiger Temperatur entsteht.
Diese soll im vorliegenden Ausfüh- rungsbeispiel 1200 abs. betragen. Der erforderliche Wasserdampf wird der : Mischkammer 8 durch das
Rohr 14 zugeführt unter einem Drucke, der ungefähr gleich gross ist, wie der Druck des Verbrennungsgases. Im vorliegenden Beispiel möge dieser Druck 16 Atm. abs. betragen. Dieser Zustand wird im Diagramm Fig. 2 durch den Punkt A dargestellt.
Das aus der Mischkammer 8 kommende Gasdampf < f emisch expandiert dann in der ersten StufenGruppe 1 der Turbine unter Arbeitsleistung auf einen Druck von 4 \tm. abs. Die Temperatur des Gemisches ist hiebei auf etwa 890 abs. gesunken (Punkt B in Fig. 2). Um auch für die folgenden Druckstufen den thermischen Wirkungsgrad hochzuhalten, wird nun zwischen den Stufengruppen 1 und 11 der in der Gruppe 1 bereits auf 4 Atm. expandierten Treibmittelmischung aus der Verbrennungskammer 15 so viel heisses Verbrennungsgas von ebenfalls 4 \tm. Druck beigemischt, dass ein Gemisch entsteht, welches eine Temperatur hat, die etwa gleich gross ist, wie die \nfangstel1lperittur vor der ersten Stufengruppe, also 1200 abs.
(Punkt ein Fig. 2.) Ds zur Mischung dienende heisse Verbrennungsgas wird in der Vorbrennungskammer 15 erzeugt, welcher durch ein Rohr 16 der Brennstoff und durch ein Rohr 17 mittels des Niederdruck-Luftverdiehters 13 aus die erforderliche Verbrennungsluft zugeführt wird. Das Gemisch dem Treibmittel der ersten Stufengruppe und den neu zugeführten heissen Verbrennungsgasen wird nun in die Stufengruppe 11 eingeführt und expandiert daselbst unter Arbeitsleistung auf einen Druck
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Fig. 2). Dabei ist die Temperatur der Treibmittelmischung auf etwa 880 abs. gesunken.
Nun wird zur Hochhaltung des thermischen Wirkungsgrades neuerdings so viel heisses Verbrennungsgas der teilweise expandierten Treibmittelmischung beigemischt. dass für die weitere Expansion in der Stufengruppe III eine neue Treibmittehnischung entsteht, deren Anfangstemperatur wieder etwa so hoch ist, wie die Anfangstemperatur des Treibmittels in der ersten Stufengruppe, also 12000 abs. (punkt F in Fig. 2.) Die Erzeugung des beizumischenden heissen Verbrennungsgases, das atmosphärischen Druck haben muss, geschieht in der Verbrennungskammer 18. Der Brennstoff wird derselben durch das Rohr 19 und die erforderliche Verbrennungsluft aus dem Freien durch das Rohr 20 zugeführt.
Ein besonderer Verdichter für die Verbrennungsluft ist hier nicht erforderlich, da in der Verbrennungskammer ein ganz geringer Unterdruck herrscht.
Das Gemisch aus dem Treibmittel der Stufengruppe 11 und des neu aus der Kammer 18 zugeführten heissen Verbrennungsgases wird nun in den die Stufengruppe III aufweisenden Turbinenteil, der hier
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den letzten Turbinenteil bildet, eingeführt und expandiert daselbst unter Arbeitsleistung auf einen Druck von 0-25 Atm., also 7500 Vakuum, d. i. in Fig. 2 gesehen nach der Kurve F
Dieses Vakuum wird durch eine Kondensationseinrichtung 20a und einen Abgasverdichter 21
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in der Verbrennungskammer 9 gebildete Verbrennungsgas mit überhitztem, statt mit gesättigtem Wasser- dampf gemischt werden kann.
Nachdem nun die aus der Turbine kommende Treibmittelmischung den grössten Teil ihrer Abwärme im Dampferzeuger 22 abgegeben hat, gelangt sie in den Oberflächenkondensator 20,, wo sie bis zur Kondensationstemperatur des Wasserdampfes abgekühlt und durch Kondensation von dem grössten Teil des beigemischten Wasserdampfes befreit wird. Diesem Oberflächenkondensator wird Kühlwasser durch das Rohr 24 zugeführt. Das warme Wasser strömt dann durch das Rohr 2a ab. Das niedergesehla- gene Kondensat wird durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Pumpe durch das Rohr 26 abgesaugt.
Der nicht kondensierte gasförmige Bestandteil der Treibmittelmischung wird durch den mehrstufigen Kreiselverdichter 21 auf Atmosphärendruck verdichtet und durch das Rohr 27 ins Freie geleitet. Die Kreiselverdichter 13 und 12 sind hintereinander geschaltet. Ersterer saugt Luft aus dem Freien duieh die Leitung 28 an. Von der in ihm verdichteten Luft gelangt ein Teil durch das Rohr 17 zur \erbrennungs- kammer 15. Der übrig bleibende Teil der Luft wird im Hochdruckverdiehter 72 weiter verdichtet und durch das Rohr 11 zur Verbrennungskammer 9 geleitet.
Der Abgasyerdichter 21 sowie der Niederdruek-Luftverdichter 1.) und der Hochdruek-Luftver- dichter 12 können durch beliebige Kraftmaschinen angetrieben werden. Als solehe können natürlich auch wieder Turbinen verwendet werden, deren Bauart und Arbeitsverfahren mit derjenigen der Turbine A übereinstimmt, oder es kann sogar die Turbine ¯t selbst zum Antrieb dienen.
PATENT-ANSPRUCHE :
1. Verfahren zum Betriebe von Verbrennungsturbinen mit mehreren Dl uekstufen und Zwbehen- heizung, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Brennstoff-Luftgemische unter verschieden hohen Drücken gebildet und je bei gleichbleibendem Drucke verbrannt werden, und dass von den so entstandenen Verbrennungsgasen das Gas mit dem höchsten Druck der ersten Druckstufe und jeder Gas mit niedrigerem Druck einer seinem Drucke entsprechenden späteren Druckstufe als Treibmittel zugeführt wird, wobei die Temperatur des einer späteren Druekstufe zuzuführenden Verbiennungsgases höher gehalten wird als die des bereits teilweise expandierten Treibmittels, welches aus der vorhergehenden Druckstufe her-
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lassen wird.
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Process for the operation of combustion plants with several pressure levels.
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In the case of the multi-stage steam turbine with reheating, there is then also the possibility of such combustion turbines with several pressure stages to increase the temperature of the already partially expanded propellant again between two successive pressure stages or pressure stage groups, whereby the thermal efficiency of the turbine has to experience a further improvement .
The means of surface heating used in the steam turbine with secondary superheating
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not achieve the necessary high temperatures.
The suggestion has therefore already been made to introduce a propellant with such a large excess of air into the first pressure stage of the combustion turbine that this excess of air is sufficient afterwards to transfer new liquid or solid fuel, which is already partially introduced between two successive pressure stages or groups of pressure stages expanded propellant is introduced to burn.
Apart from other deficiencies, however, this known method has the serious disadvantage that the fuel, which is introduced into the propellant that has already partially expanded between two successive pressure stages or groups of pressure stages, has the required combustion air
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stage or pressure stage group of the combustion turbine, a propellant is introduced which has an excess of combustible components, but at the same time has a lack of air, and in which only new combustion air is introduced into the already partially expanded propellant between two successive pressure stages or pressure stage groups, which burns a further part of the combustible components of the propellant at each such point.
In order to increase the temperature of the already partially expanded propellant between two successive pressure stages or pressure stage groups of a turbine with several pressure stages, the following method has also been proposed. All of the fuel used for the turbine is burned with the required combustion air at a pressure which is equal to the pressure prevailing before the first pressure stage. A part of the combustion gases generated can then be introduced as a propellant into the first pressure stage of the combustion turbine, whereas the remaining part of the hot combustion gases is used for the gradual introduction into the propellant, which has already been partially expanded.
This known method, however, has the serious disadvantage, along with other shortcomings, that when the combustion gases used to increase the temperature are introduced into the propellant, which has already been partially expanded, significant throttling losses occur, which inadmissibly reduce the efficiency of the combustion turbine.
The disadvantages of the known methods are now avoided by the present invention and a high thermal efficiency is aimed for. The essence of the invention is that at least two fuel-air mixtures are formed under differently high pressures and each burned at constant pressure, and that of the resulting combustion gases, the gas with the highest pressure of the first pressure stage and each gas with lower pressure is one of its Pressures corresponding later pressure stage is supplied as propellant, the temperature of the combustion gas to be supplied to a later pressure stage being kept higher than that of the already partially expanded propellant,
which flows from the previous pressure stage and is mixed between these two stages with the combustion gas supplied from the outside, whereupon the propellant mixture thus formed is allowed to expand in the following turbine section. The pressure temperature diagram of the expanding propellant therefore shows at least one later, i.e. H. after the first pressure stage coming pressure stage there is a sudden rise in temperature.
This method can also be carried out in such a way that a mixture of the combustion gas generated with the highest pressure and water vapor of approximately the same pressure is introduced into the first pressure stage as the propellant. This has the advantage, on the one hand, that the temperature of the combustion gas introduced into the first pressure stage is reduced to the level permissible for turbine operation, and on the other hand, the benefit of a temperature increase between two successive pressure stages is greater, the more water vapor is already in the partial expanded and then reheated propellant is included.
In the method according to the present invention, the one that is withdrawn from the turbine now leads
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to other combustion turbine systems, is no longer necessary, because the available waste heat alone is enough to generate the required water vapor.
The method according to the present invention can also be designed in such a way that the hot combustion gas to be fed to a later pressure stage is introduced in such a large amount between this and the preceding pressure stage that the temperature of that formed between these stages
Mixture approximately corresponds to that of the propellant before the first pressure stage of the turbine.
A further embodiment of the invention can consist in that the propellant mixture in the last turbine part is allowed to expand to a vacuum. This last-mentioned form of the method can be carried out in such a way that approximately atmospheric tension is maintained between two successive pressure stages, where hot combustion gas is introduced into the turbine as a propellant.
In this case, when the combustion gases which are under atmospheric tension are formed, there is no need for a condensed agent for the combustion air.
An example of a turbine system that works according to the present method is shown schematically in the drawing by FIG. Fig. 2 shows the pressure temperature diagram of this turbine system. The abscissas from left to right are those that prevail in a central stream filament
Pressures, plotted as ordinates the associated temperatures.
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supplied by means of the high pressure air compressor 12 .. In the rooms. 9 both are mixed together and burned. The temperature of the combustion gas that is formed is too high to be used directly as a propellant in the multi-stage turbine. That's why the
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Medium mix of the temperature permissible for the turbine arises.
In the present exemplary embodiment, this should be 1200 abs. be. The required steam is the: Mixing chamber 8 through the
Pipe 14 is fed under a pressure which is approximately the same as the pressure of the combustion gas. In the present example this pressure is 16 atm. Section. be. This state is represented by point A in diagram FIG.
The gas vapor coming from the mixing chamber 8 then expands in the first stage group 1 of the turbine with work to a pressure of 4 \ tm. Section. The temperature of the mixture is here to about 890 abs. decreased (point B in Fig. 2). In order to keep the thermal efficiency high for the following pressure levels, the level in group 1 is now set to 4 atm between level groups 1 and 11. expanded propellant mixture from the combustion chamber 15 so much hot combustion gas of also 4 \ tm. Pressure is mixed in so that a mixture is created which has a temperature that is roughly the same as the initial period before the first stage group, i.e. 1200 abs.
(Point a Fig. 2.) The hot combustion gas used for mixing is generated in the pre-combustion chamber 15, to which the fuel is supplied through a pipe 16 and the required combustion air is supplied through a pipe 17 by means of the low-pressure air compressor 13. The mixture of the propellant of the first stage group and the newly supplied hot combustion gases is now introduced into the stage group 11 and expands there while performing work to a pressure
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Fig. 2). The temperature of the propellant mixture is about 880 abs. decreased.
Now, in order to maintain the thermal efficiency, so much hot combustion gas has recently been added to the partially expanded propellant mixture. that a new propellant mixture is created for further expansion in stage group III, the initial temperature of which is again about as high as the initial temperature of the propellant in the first stage group, i.e. 12,000 abs. (Point F in FIG. 2.) The hot combustion gas to be admixed, which must have atmospheric pressure, is generated in the combustion chamber 18. The fuel is supplied to the same through the pipe 19 and the required combustion air from the open through the pipe 20.
A special compressor for the combustion air is not required here, as there is a very slight negative pressure in the combustion chamber.
The mixture of the propellant of stage group 11 and the hot combustion gas newly supplied from chamber 18 is now fed into the turbine part having stage group III, here
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forms the last part of the turbine, introduced and expanded there under work performance to a pressure of 0-25 atm., i.e. 7500 vacuum, i. i. seen in Fig. 2 after the curve F
This vacuum is generated by a condensation device 20 a and an exhaust gas compressor 21
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Combustion gas formed in the combustion chamber 9 can be mixed with superheated instead of saturated water vapor.
After the propellant mixture coming from the turbine has given off most of its waste heat in the steam generator 22, it enters the surface condenser 20, where it is cooled down to the condensation temperature of the water vapor and freed from most of the added water vapor by condensation. Cooling water is supplied to this surface condenser through the pipe 24. The warm water then flows out through the pipe 2a. The condensate that has been deposited is sucked off through the pipe 26 by a pump (not shown in the drawing).
The non-condensed gaseous component of the propellant mixture is compressed to atmospheric pressure by the multistage centrifugal compressor 21 and passed through the pipe 27 into the open. The centrifugal compressors 13 and 12 are connected in series. The former sucks in air from the open air through line 28. A part of the air compressed in it reaches the combustion chamber 15 through the pipe 17. The remaining part of the air is further compressed in the high pressure compressor 72 and passed through the pipe 11 to the combustion chamber 9.
The exhaust gas compressor 21 and the low-pressure air compressor 1.) and the high-pressure air compressor 12 can be driven by any engine. Turbines can of course also be used as such, the design and working method of which corresponds to that of turbine A, or the turbine itself can serve as the drive.
PATENT CLAIMS:
1. A method for operating combustion turbines with several Dl uekstufe and Zwbehen- heating, characterized in that at least two fuel-air mixtures are formed under different pressures and are burned at constant pressure, and that of the combustion gases thus created, the gas with the highest Pressure of the first pressure stage and each gas with lower pressure of a later pressure stage corresponding to its pressure is supplied as propellant, the temperature of the connecting gas to be supplied to a later pressure stage being kept higher than that of the already partially expanded propellant, which is produced from the previous pressure stage
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will let.