CH229280A - Gasturbinen-Anlage. - Google Patents

Description

  Gasturbinen-Anlage.    Der Wirkungsgrad der Luftverdichtung  ist für die Verwirklichung der Gasturbine  von massgebendem     Einfluss.    Man     verwendet     hierfür mit Vorteil Turboverdichter, insbe  sondere solche axialer     Bauart,    da diese  Mlaschinengattung einen besonders hohen  Wirkungsgrad erreicht.  



  Es ist ferner bekannt, die Luft in einem  sogenannten Zellenrad-Druckaustauscher zu  verdichten, der     Verdichtung    der Luft und  Entspannung der Verbrennungsgase vereint.  Die Zellen des Druckaustauschers schleusen  die zu verdichtende Luft in einen Raum  höheren Druckes ein und schleusen an einer  andern Stelle das zu entspannende Arbeits  gas aus.  



  Die Gasturbinen-Anlage gemäss der Er  findung besteht in einer Vereinigung von  Turbomaschinen mit mindestens einem     Zel-          lenrad-Druckaustauscher    als Oberstufe. Der  Vorteil dieser Vereinigung ist der, dass mit  dem Zellenrad-Druckaustauscherhöhere Ver  dichtungsdrücke auf wirtschaftlichere Weise  erreicht wverden, als wenn die volle Ver  dichtung allein durch Turbogebläse erfolgt.  Zellenrad-Druckaustauscher haben nämlich  den Vorteil, dass sie Verdichtung und Ent  spannung in einer Maschine vereinen, mecha  nisch einfacher sind als Turboverdichter,  ferner viel höhere     Temperaturen    zulassen  als gewöhnliche Gasturbinen und auch ver  hältnismässig kleine Volumina mit gutem  Wirkungsgrad umzusetzen gestatten, so dass  sie sich als Hochdruckstufe gut eignen.

      In der     Zeichnung    sind einige beispiels  weise Anlagen gemäss der Erfindung veran  schaulicht.  



  Fig. 1 stellt, vorwiegend im Längsschnitt,  in schematischer Weise eine Gasturbinen-An  lage dar, in welcher 1 ein als vielstufiges  Axialgebläse ausgeführter Vorverdichter  und 2 der Läufer dazu ist. 3 ist die erste  Schaufelreihe. Die Luft tritt bei 4 ein und  gelangt bei 5 in den     Zellenrad-Druckaus-          tauscher    6, nachstehend kurz     Druckaus-          tauscher    genannt.     Fig.    2 zeigt einen Quer  schnitt durch diesen. Der     Druckaustauscher     besteht aus dem Gehäuse 7 und einem Zellen  rad B. Das Rad kann durch     die    Welle 9  angetrieben sein, kann aber auch durch den  Luft- oder Gasstrom selbst in Drehung er  halten werden.

   Die bei 5     eintretende    Luft  wird von den Zellen erfasst und auf die       Gegenseite    des Gehäuses gefördert, wo sie       da,s    Gehäuse bei 10 verlässt.  



  Ein Teil der verdichteten Luft wird     nun     zu Nutzzwecken     entnommen    und bei 11 z. B.  der     Turbine    20 zwecks     Arbeitsleistung    zu  geführt, während der übrige Teil     durch    den  Ventilator 12 in die     Brennkammer    13 ge  fördert     wird,    teils um dem bei 14 eintreten  den Brennstoff als Brennluft den nötigen  Sauerstoff zu     liefern,    teils um als Kühlluft  den eigentlichen     Brennraum-    zu     umströmen     und sich am Ende der     Brennkammer    erst       mit    den Abgasen zu vermischen.

   Dieser  Strom     tritt    bei 15 in den     Druckaustauscher     6, wird darin     vorentspannt,    verlässt ihn bei      16 und wird in der Turbine 18 nachent  spannt, um dann bei 19 ins Freie zu ent  weichen oder in einem Wärmeaustauscher  weiter ausgenutzt zu werden.  



  Die Turbine 20 ist mit einer Anzapfstelle  21 versehen, die mit dem Gasaustrittskanal  16 aus dem Druckaustauscher 6 verbunden  ist. Zum Zwecke einer -richtigen Energie  verteilung kann Luft entweder aus der Nutz  turbine 20 in die Verdichterturbine oder  Gas in     umgekehrter    Richtung strömen, wie  der Doppelpfeil andeutet.  



  Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungs  möglichkeit der Erfindung. Die Anlage be  steht wieder aus einem Turboverdichter 1,  einem Druckaustauseher 6, einer     Brennkam-          mer    13, einer Turbine 18. Statt, wie bei  Fig. 1, Nutzluft bei 11 zu entnehmen, wird       Verbrennungsgas    bei 28 angezapft und einer  Vorstufe 22 der Turbine 18 zugeführt. Im  Raume 23 mischt sich das bei 28 ange  zapfte Gas mit dem durch den     Druckaus-          tauscher    fliessenden Teil und arbeitet mit  ihm in der Unterstufe. Die Nutzleistung der  Anlage wird an der Welle 24 gewonnen.  



  Durch eine Luftentnahme bei 25 kann  die Temperatur der bei 28 entnommenen  Gase auf einen für die Turbine zulässigen  Wert herabgesetzt werden. Die Tempera  tur kann z. B. mit Hilfe einer Klappe 26  geregelt werden, durch die auch die Luft  entnahme vollständig oder zum Teil ge  sperrt werden kann. Dasselbe gilt für die  Klappe 29 bezüglich der Gasentnahme     bei     28. Beide Einstellorgane 26 und 29 ermög  lichen, die Vorstufe 22 entweder nur mit       Druckluft    oder nur mit     Brenngasen    oder  einem beliebigen Gemisch beider zu     beauf-          schla.gen.    Die bei 16 zuströmenden Gase.

    dürfen heisser sein als die     aus    dem Hoch  druckteil 22 strömenden, so dass die Gase der  Vorstufe zwischenerwärmt werden.  



  Die durch den Hochdruckteil der Turbine  strömende Teilmenge kann durch Organe 27,  wie z. B. Drosselklappe, Düsenventile, dreh  bare Leitschaufeln oder dergleichen gerebelt:  werden. Der Hochdruckteil der Turbine kann  aus einer oder mehreren Stufen bestehen.    Er kann im Hauptgehäuse oder in getrenn  tem Gehäuse untergebracht sein.  



  Man kann auch die N utzluftentnahme 11  der Fig. 1 neben den Entnahmen 28 und  25 der Fig. 3 bestehen lassen. Dann wird  die Nutzleistung nicht mehr ausschliesslich  an der Welle 24 gewonnen, sondern teil  weise oder ganz in Form der Nutzluft bei  11, oder als Arbeit der durch diese Nutz  luft angetriebenen Maschine. Die Entnahmen  21, 28 und 25 können dann zum Leistungs  ausgleich und zur Regelung der Turbine 18  und des Gebläses 1 dienen.  



  In Fig. 4 sitzen Gebläse 1,     Druckaus-          tausclier    6 und Turbine 18 auf derselben  Welle. Fig. 5 stellt einen Schnitt an der  Stelle A-A der Fig. 4 dar. Die Luft tritt  durch drei Kanäle 5 vom Vorverdichter 1  in das Rad des Druckaustauschers 6 über.  Zum Unterschied von dem vorigen Beispiel  durchläuft eine Zelle des Druchaustauschers  während einer Umdrehung dreimal den     Ver-          dichtungs-    und Entspannungskreislauf. Die  Luft tritt in die Brennkammer 13 und die  Gase oder ein Teil derselben gelangen durch  drei Kanäle 15 zurück zum     Druckaustau-          #eher    6.

   Die Unterteilung des Umfanges im       Druckaiistauscher    in mehrere     Arbeitszyklen     hat den Vorteil.     da.ss    die radialen Kräfte  auf den Läufer ausgeglichen sind.  



       Fig.    6 stellt als Ausführungsbeispiel  gemäss der Erfindung eine als Kraftanlage  für eine Lokomotive     geeignete    Gasturbinen  Anlage dar. Die Luft wird im Gebläse 1  vorverdichtet, in einem     Zwischenkübler    30       (Pekühlt,    im     Druckaustauscher    6 nachver  dichtet und im     Abgasvorwärmer    31 erwärmt.  Die Luft kann durch die Gase, die vom       Druckaustauscher    austreten, bei 32 weiter  erwärmt werden,     abermals        dank    den hohen  Gastemperaturen, die der     Druckaustauseher     zulässt.

   Ein Teil der Gase oder der Luft  wird     wahlweise    bei 28     bezw.    25 entnommen  und den Arbeitszylindern 33 der Lokomotive  zugeführt. Die entnommene Menge kann       beispielsweise    durch eine Füllungsregelung  der Arbeitszylinder geregelt werden. Die       Arbeitszylinder    können durch ein Gestänge      34 die Treibräder 35 antreiben. Jede     Treib-          achse    kann aber auch ihren eigenen Motor  haben.  



  Die Verwendung eines     Druckaustauschers     in einer Gasturbinen-Anlage ergibt noch fol  gende Vorteile:  Ein Kennzeichen des Druckaustauschers  ist, dass die verhältnismässig kalte Luft und  das heisse Gas im selben Läufer verdichtet  bezw. entspannt werden. Dieser Läufer  nimmt somit eine mittlere Temperatur zwi  schen beiden Medien an. Daraus ergibt sich  die überaus wichtige     Eigenschaft    des     Druck-          austauschers,    sehr heisse Gase verarbeiten zu  können. Eine Zwischenerwärmung der Gase  am Eintritt in die Unterstufe kann daher  vermieden werden.  



  Ein weiteres Kennzeichen des     Druckaus-          tauschers    ist, dass eine gewisse Wärmemenge  von den heissen Gasen an die kältere Luft  übertragen wird, während dieser Wärme  fluss bei der     Verdichtung    und Entspannung  in getrennten Maschinen, wie auf der Unter  stufe, praktisch unterbunden ist.  



  Eine Erwärmung der Luft auf der Unter  stufe ist aber wesentlich schädlicher als auf  der Oberstufe, denn sie erhöht entweder die  Arbeit der ganzen nachfolgenden Verdich  tung oder sie erfordert die Abfuhr dieser  Wärme in einen Zwischenkühler. Die auf  der Oberstufe aufgenommene Wärme bleibt  dagegen dem Kreislauf erhalten.  



  Die Wärmeabgabe der Gase im     Druck-          austauscher    erscheint auf den ersten Blick  als Nachteil, denn sie vermindert das Ar  beitsvermögen der nachgeschalteten Tur  bine. Die besonderen Eigenschaften des  Druckaustauschers erlauben aber die Tem  peratur der in den Druckaustauscher ein  tretenden Gase um soviel zu erhöhen, dass  sie trotz der an die Luft abgegebenen     Wärme     mit der vollen für die Turbine gewünschten  Temperatur in die Unterstufe übertreten.  Damit ist der Nachteil behoben.  



  Es können auch mehrere     Druckaustau-          scher    als Oberstufe vorgesehen sein, die unter  sich parallel oder hintereinander     geschaltet     sein können. Ihre Verbindung mit den    Turbomaschinen könnte beispielsweise durch  eine allen Druckaustauschern gemeinsame  Zu- und Ableitung oder durch mehrere sol  cher Leitungen geschehen, wobei wieder be  liebige Gruppen von Druckaustauschern zu  sammengefasst sein können.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Gasturbinen-Anlage mit mehrstufiger Verdichtung von Luft, gekennzeichnet durch die Vereinigung von Turbomaschinen mit mindestens einem Zellenrad-Druekaus- tauscher als Oberstufe. UNTERANSPRÜCHE: 1. Gasturbinen-Anlage nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Turbogebläse (1) Luft vorverdichtet und in einem Zellenrad-Druckaustauscher (6) nachverdichtet wird und mindestens ein Teil des Arbeitsgases im Zellenrad-Druck- austauscher (6) vorentspannt und in einer Turbine (18) nachentspannt wird.

   2. Gas.turbmen-Anlage nach Patentan spruch und Unteranspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass die Turbine (18), in der mindestens ein Teil des Arbeitsgases nach entspannt wird, den Vorverdichter (1) an treibt. 3. Gasturbinen-Anlage nach Patentan spruch und Unteranspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass die Druckluft in zwei Teilströme getrennt ist, wovon einer über eine Brennkammer (13) mit den Verbren nungsgasen zum Zellenrad-Druekaustauscher (6) zurückströmt und der andere Nutzzwecken dient.

   4. Gasturbinen-Anlage nach Patentan spruch und Unteransprüchen 1 und 3, da durch gekennzeichnet, dass der über die Brennkammer (13) geführte Druckluft-Teil- strom weiter unterteilt ist in einen Brenn- luft- und in einen Kühlluftstrom für die Brennkammer.

   5. Gasturbinen-Anlage nach Patentan spruch und Unteranspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Arbeitsgas in zwei Teilströme getrennt ist, wovon, einer zum Zellenrad-Druchaustauecher strömt und der andere zu Nutzzwecken dient. 6. Gasturbinen-Anlage nach Patentan spruch und Unteransprüchen 1 und 3, da durch gekennzeichnet, dass die Nutzluft sich in mindestens einer Leistung abgebenden Maschine (20, 33) entspannt. 7.

   Gasturbinen-Anlage nach Patentan spruch und Unteransprüchen 1, 3 und 6, da durch gekennzeichnet, dass die Leistung ab gebende Maschine, in der sich die Nutzluft entspannt, eine Anzapfturbine (20) ist, die mit der Abgasleitung (16) des Zellenrad- Druckaustauschers (6) in Verbindung steht, derart, dass Nutzluft aus der Turbine in die Abgasleitung (16) oder Abgas aus dieser in eine Stufe (21) der Turbine strömen kann (Fig. 1). B. Gasturbinen-Anlage nach Patentan spruch und Unteransprüchen 1 und 5, da durch gekennzeichnet, dass Mittel vorge sehen sind, um die Temperatur der Teil ströme des Arbeitsgases voneinander ver schieden zu halten. 9.

   Gasturbinen .Anlage nach Patentan spruch und Unteranspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass die zur Entspannung mindestens eines Teils des Arbeitsgases be stimmte Turbine (18) eine regelbare Vor stufe (22) besitzt. 10. Gasturbinen-Anlage nach Patentan spruch und Unteransprüchen 1 und 9. da durch gekennzeiehnet, dass die Vorstufe (22) unier Umgehung des Zellenrad-Druckaus tausehers (6) an beiden Enden (25, 28) der Brennkammer angeschlossen ist, und dass in den Anschlussleitungen Einstellorgane (26, 29) vorgesehen sind, so dass die Vorstufe mit Druekluft oder mii Brenngasen oder einem beliebigen Gemisch beider beauf schlagt werden kann (Fig. 3). 11.

   Gasturbinen-Anlage nach Patentan spruch und Unteranspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildun g, dass wahlveise ein Teil der Drucklnft oder des Arbeitsgases in Kolbenmaschinen (33) entspannt werden kann (Fig. 6). 12. Gasturbinen-Anlage nach Patentan nach Patentan spruch und Unteranspruch 1, dadurch ge kennzeichnet. dass die Gase beim Übertritt aus dem Zellenrad-Drnckaustausc.her (6) in die U nter.tufc (18) Wärme an die Druekhift -,eben. <B>i</B> abt,