DE1276970B - Gasturbinenanlage, insbesondere mit geschlossenem Kreislauf des Arbeitsmittels, und mit einem Kernreaktor als Erhitzer - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES #KI PATENTAMT Int. Cl.:

FOIk

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 46 h-

Nummer: 1276 970

Aktenzeichen: P 12 76 970.9-13 (E 29892)

Anmeldetag: 12. August 1965

Auslegetag: 5. September 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage, insbesondere mit geschlossenem Kreislauf des Arbeitsmittels, mit einem Verdichter, einer mindestens eine Stufengruppe aufweisenden Turbine, einem vom Arbeitsmittel durchflossenen Kernreaktor als Erhitzer und mindestens einem weiteren vom Arbeitsmittel durchflossenen einer Stufengruppe der Turbine vorgeschalteten Wärmetauscher.

Es ist bereits eine derartige Anlage mit Wasserdampf als Arbeitsmittel bekannt, das direkt im Reaktor erhitzt wird (s. die USA.-Patentschrift 3 047 479), wobei das Arbeitsmittel aus dem Reaktor zunächst in eine erste Stufengruppe der Turbine fließt. Bevor es dann in eine weitere Stufengruppe der Turbine gelangt, wird es in einem Wärmetauscher wieder erwärmt. Dieser Wärmetauscher ist wärmezufuhrseitig in eine Rückführungsleitung eingeschaltet, die von der dem Kernreaktor wegführenden Arbeitsmittelleitung abzweigt und in die zum Kernreaktor hinführende Arbeitsmittelleitung mündet, und es ist auch eine Fördervorrichtung zur Rückführung des abgezweigten Arbeitsmittelstromes vorgesehen. Mit Rücksicht auf die sich aus der Druck-, Wärme- und Strahlungsbeanspruchung zusammensetzende Beanspruchung der Kanalwände der Reaktorkühlkanäle können in dieser Dampfturbinenanlage nur mäßig hohe Frischdampftemperaturen erreicht werden, wodurch der Gesamtwirkungsgrad klein bleibt.

Es ist weiter eine Gasturbinenanlage zur Ausnutzung der in einem Kernreaktor anfallenden Wärme mit geschlossenem Kreislauf des Arbeitsmittels bekannt (s. »Motortechnische Zeitschrift«, Jg. 21, H. 1, S. 20 bis 22). Dabei liegt der Wärmetauscher wärmezufuhrseitig in der von der Gasturbine wegführenden Arbeitsmittelleitung und dient dazu, in der Gasturbine nicht mehr ausgenutzte Restwärme an das vom Verdichter verdichtete, dem Reaktor zuzuführende Arbeitsmittel abzugeben.

Schließlich ist eine geschlossene Gasturbinenanlage mit Zwischenerhitzung bekannt (s. Sonderdruck 23 008 (d) der »Escher-Wyss-Mitteilungen«, 1942/43), wobei der Erhitzer mit konventionellen Brennstoffen beheizt wird. Die drei Wärmetauscher dieser bekannten dreistufigen Turbine sind separat voneinander beheizt. Würde man an Stelle der konventionellen Wärmeerzeugung die Erwärmung mittels eines Kernreaktors anwenden, so wären drei Reaktoren nötig. Abgesehen von dem großen baulichen Aufwand, ergeben sich dabei auch Schwierigkeiten der Regelung der Reaktoren. Die in Frage stehenden drei Arbeitsmittelströme durch einen gemeinsamen Reaktor zu leiten, wäre nur dann möglich, wenn für die

Gasturbinenanlage, insbesondere mit
geschlossenem Kreislauf des Arbeitsmittels,
und mit einem Kernreaktor als Erhitzer

Anmelder:

Escher Wyss Aktiengesellschaft, Zürich (Schweiz)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Albrecht, Patentanwalt,

1000 Berlin 28, Edelhofdamm 26

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Masch.-Techn. Hansulrich Frutschi,
Zürich (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 7. Oktober 1964 (13 018),
vom 5. November 1964 (14 317)

drei Arbeitsmittelströme voneinander getrennte Wege im Reaktor vorgesehen würden, weil die verschiedenen Arbeitsmittelströme unterschiedliche Drücke aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Turbinenanlage der eingangs erwähnten Art die Temperatur des der ersten Turbinenstufe zugeleiteten Arbeitsmittels zu erhöhen und dadurch den Gesamtwirkungsgrad der Anlage entsprechend zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Strömungsrichtung des die Turbine durchströmenden Arbeitsmittelhauptstromes der Kernreaktor hinter dem Wärmetauscher und der diesem folgenden Stufengruppe der Turbine liegt und daß in an sich bekannter Weise der Wärmetauscher wärmezufuhrseitig in einer von der von dem Kernreaktor wegführenden Arbeitsmittelleitung abzweigenden und in die zum Kernreaktor hinführende Arbeitsmittelleitung mündenden Rückführungsleitung liegt, wobei in letzterer eine Fördervorrichtung zur Zuführung des abgezweigten Arbeitsmittelstromes durch die Rückführleitung von der Kernreaktoraustrittsseite zur Kernreaktoreintrittsseite vorgesehen ist. Dadurch tritt der große Vorteil ein, daß der einzige Durchflußweg des Reaktors nicht unter dem höchsten Druck der Anlage, sondern unter einem wesentlich niedrigeren

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Druck steht. Da sich nun die Belastung der Reaktorwand aus einer Wärme- und aus einer Druckbelastung zusammensetzt, kann das durch den Reaktor fließende Arbeitsmittel bei diesem niedrigeren Druck auf eine höhere Temperatur erhitzt werden, als das bei dem höheren Druck im bekannten Fall möglich wäre. Da der Reaktor die Wärmequelle der Anlage darstellt, bedeutet die Erhöhung der Arbeitsmitteltemperatur im Reaktor eine Erhöhung der Arbeitsmitteltemperatur des Kreislaufes der gesamten Anlage. Durch das höhere Temperaturniveau des Arbeitsmittels wird somit der Gesamtwirkungsgrad der Anlage wesentlich verbessert.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sich bei entsprechender Größe der Wärmetauscher das Arbeitsmittel in den Wärmetauschern auf nahezu die gleiche Temperatur wie im Reaktor selbst erhitzen läßt und daß in den Wärmetauschern wärme-Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform ist der wärmezufuhrseitig in der Rückführungsleitung liegende Wärmetauscher 9 in Strömungsrichtung des in den Leitungen 4, 5 und 6 fließenden Arbeitsmittelhauptstromes vor dem Kernreaktor 8 bzw. dieser in Strömungsrichtung des die Turbine 1 durchströmenden Arbeitsmittels hinter dem Wärmetauscher 9 angeordnet. Der Kernreaktor steht also zudem unter niederem Druck.

Die Fördervorrichtung 11,12 bringt den abgezweigten Arbeitsmittelteilstrom von dem in der Arbeitsmittelleitung 5² herrschendem Druck auf den um den im Kernreaktors erfolgenden Druckabfall höheren Druck in der Arbeitsmittelleitung S¹ und überwindet die Strömungswiderstände in der Rückführungsleitung 10 und dem Erhitzer 9. Es ist also von der Fördervorrichtung nur eine sehr kleine Arbeitsleistung aufzubringen.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform

abströmseitig wesentlich höhere Drücke als im Reaktor herrschen dürfen. Die Rohrwandbelastung im 20 liegt der Kernreaktor in der von der Stufengruppe I² Wärmetauscher setzt sich zwar gleichfalls aus einer zum Verdichter 2 führenden Arbeitsmittelleitung 6. Wärme- und einer Druckbelastung zusammen, die
resultierende Belastung kann im Wärmetauscher aber
ohne weiteres wesentlich höher als im Reaktor sein,
da der Wärmetauscher nicht wie der Reaktor unter
Strahlungseinfluß steht.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele unter Hinweis auf die

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Zeichnung. In dieser zeigen

F i g. 1 bis 5 Schemata von Gasturbinenanlagen der erfindungsgemäßen Art.

Die in F i g. 1 gezeigte Anlage weist eine Gasturbine 1 mit zwei Stufengruppen I¹ und I² auf, die mit einem Verdichter 2 und einem Generator 3 auf gleicher Welle liegen. Das Arbietsmittel fließt in einer Arbeitsmittelleitung 4 vom Verdichter 2 zur Stufengruppe I¹, in einer Arbeitsmittelleitung 5 von der Stufengruppe I¹ zur Stufengruppe I² und in einer In dieser liegt auch der Kühler 7 sowie ein Wärmetauscher 13, in dem das im Kernreaktor 8 erhitzte Arbeitsmittel Wärme an das in der vom Verdichter 2 zur Stufengruppe I¹ führenden Arbeitsmittelleitung 4 fließende Arbeitsmittel abgibt. In der von der Stufengruppe I¹ zur Stufengruppe I² führenden Arbeitsmittelleitung 5 liegt der Wärmetauscher 9, der wärmezufuhrseitig in der Rückführungsleitung 10 liegt, die von der vom Kernreaktors wegführenden Arbeitsmittelleitung 6² abzweigt und in die zum Kernreaktor 8 hinführende Arbeitsmittelleitung 6¹ mündet. Die drei Erhitzer 8, 9 und 13 der Gasturbinenanlage sind — 9, 13 wärmezufuhrseitig — von unter dem niedrigsten Druck der Gasturbinenanlage stehendem Arbeitsmittel durchflossen.

Die in F i g. 3 gezeigte Gasturbinenanlage weist eine Turbine 1 mit einer einzigen Stufengruppe auf.

Der Kernreaktors liegt in der von der Turbine 1

Arbeitsmittelleitung 6 von der Stufengruppe I² zum 40 zum Verdichter 2 führenden Arbeitsmittelleitung 6, Verdichter 2. In die Arbeitsmittelleitung 6 ist ein in der wieder ein Kühler 7 und ein Wärmetauscher Kühler 7 eingebaut. In den Arbeitsmittelleitungen 4 13 angeordnet sind. Von der vom Kernreaktor 8 weg- und 5 liegt je ein Erhitzer für das Arbeitsmittel, und führenden Arbeitsmittelleitung 6² zweigt an einer in zwar in der Arbeitsmittelleitung 4 ein Wärme- Strömungsrichtung des Arbeitsmittels nach dem tauscher 9 und in der Arbeitsmittelleitung 5 ein Kern- 45 Wärmetauscher 13 liegenden Stelle eine Rückführeaktor 8. Wärmezufuhrseitig liegt der Wärme- rungsleitung 10 ab und mündet in die zum Kerntauscher 9 in einer Rückführungsleitung 10, die von
dem vom Kernreaktors wegführenden Teil5² der
Arbeitsmittelleitung 5 abzweigt und in dem zum
Kernreaktors hinführenden TeilS¹ der Arbeits- 50
mittelleitung 5 mündet. In der Rückführungsleitung
10 ist eine Fördervorrichtung, nämlich ein Gebläse
11, das von einem Motor 12 angetrieben ist, eingebaut, und zwar zur Rückführung eines Arbeitsmittelteilstromes durch die Rückführungsleitung 10 55
von der Kernreaktor-Austrittsseite zur Kernreaktor-Eintrittsseite.

Auf diese Weise ist es möglich, den vom Arbeitsmittel direkt durchflossenen Kernreaktor als Wärmequelle für die Erhitzung des Arbeitsmittels gleichzeitig auf verschiedenen Druckpegeln zu benutzen, ohne daß voneinander getrennte Wege im Kernreaktor nötig sind. Dabei kann die Erhitzung des Arbeitsmittels im in der Rückführungsleitung liegenden

60 reaktor 8 hinführende Arbeitsmittelleitung 6¹, wobei in der Rückführungsleitung 10 wieder ein Gebläse 11 liegt.

Weist die Gasturbinenanlage drei oder mehr Erhitzer auf, so kann für jeden von einem Wärmetauscher gebildeten Erhitzer eine eigene, von der Kernreaktor-Austrittsseite zur Kernreaktor-Eintrittsseite führende Rückführungsleitung vorgesehen werden, oder es können zwei oder mehr Erhitzer parallel oder in Serie geschaltet in einer solchen Rückführungsleitung angeordnet werden.

Die in F i g. 4 gezeigte Gasturbinenanlage besitzt eine Turbine 1 mit drei Stufengruppen V-, V- und I³, vor deren jeder ein Erhitzer liegt. In der vom Verdichter 2 zur Stufengruppe I¹ führenden Arbeitsmittelleitung 4 liegt ein Wärmetauscher 9¹, in der von der Stufengruppe I¹ zur Stufengruppe I² führenden Arbeitsmittelleitung 5 ein Wärmetauscher 9², und in

Wärmetauscher auf eine Temperatur erfolgen, die nur 65 der von der Stufengruppe I² zur Stufengruppe I³ füh-

wenig unterhalb der Temperatur liegt, die das den renden Arbeitsmittelleitung 14 liegt der Kernreak-

Kernreaktor unmittelbar verlassende erhitzte Arbeits- tor 8. Wärmezufuhrseitig liegt der Wärmetauscher 9¹

mittel der Gasturbinenanlage besitzt. in einer Rückführungsleitung 10¹, der Wärmetauscher

9² in einer Rückführungsleitung ΙΟ². Beide Rückführungsleitungen ΙΟ¹ und ΙΟ² zweigen von der vom Kernreaktor 8 wegführenden Arbeitsmittelleitung 14² ab, münden in die zum Kernreaktor 8 hinführende Arbeitsmittelleitung 14¹ und sind mit einem Gebläse II¹ bzw. II² versehen. In beiden Wärmetauschern 9¹ und 9² kann das Arbeitsmittel der Gasturbine auf eine nahe der Kernreaktor-Austrittstemperatur liegende Temperatur erhitzt werden.

Die in F i g. 5 gezeigte Anlage unterscheidet sich von der in F i g. 4 dargestellten dadurch, daß die Wärmetauscher 9¹ und 9² in zwei parallel durchflossenen Zweigen einer gemeinsamen Rückführungsleitung 10 mit einem einzigen Gebläse 11 liegen. An der Verzweigungsstelle ist eine Dosiervorrichtung 15 angebracht, mittels der man den Fluß des Arbeitsmittelteilstromes mehr nach dem einen oder anderen Zweig leiten kann.

Die Gabläse 11, II¹ und II² oder deren Antriebsmotoren sowie die Dosiervorrichtung 15 werden vor- teilhafterweise mit Regelvorrichtungen zum Regeln der Durchflußmenge der durch die Rückführungsleitungen bzw. durch die Wärmetauscher fließenden Arbeitsmittelteilströme versehen, so daß die in den Wärmetauschern an das zu erhitzende Arbeitsmittel abgegebene Wärmemenge geregelt werden kann.

Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Fördervorrichtungen 11, II¹ und II² als Umwälzgebläse ausgebildet und von einem Elektromotor 12 angetrieben. Sie könnten aber auch von einer vom Arbeitsmittel der Gasturbinenanlage beaufschlagten Hilfsturbine angetrieben werden, wobei das Arbeitsmittel nach Durchströmen dieser Hilfsturbine wieder in den Kreislauf der Gasturbinenanlage zurückfließen könnte. Die Fördervorrichtung für den in der Rückführungsleitung fließenden Arbeitsmittelteilstromes könnte aber auch als eine an der Mündungsstelle der Rückführungsleitung in die zum Reaktor hinführende Arbeitsmittelleitung liegende Strahlpumpe mit dem aus dem Arbeitsmittelhauptstrom kommenden Arbeitsmittel als Strahlmittel oder als eine an der Mündungsstelle liegende Druckaustauschvorrichtung ausgebildet sein.

Beim Verdichter! wird zweckmäßigerweise Zwischenkühlung vorgenommen. Für die Wärmeabgabe von dem in der Turbine 1 entspannten Arbeitsmittel an das im Verdichter 2 verdichtete Arbeitsmittel werden zweckmäßigerweise Wärmetauscher vorgesehen, die in den Arbeitsmittelleitungen 4, 5, 6 und 14 und den Rückführungsleitungen 10,10¹ und 10² liegen können.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Gasturbinenanlage, insbesondere mit geschlossenem Kreislauf des Arbeitsmittels, mit einem Verdichter, einer mindestens eine Stufengruppe aufweisenden Turbine, einem vom Arbeitsmittel durchflossenen Kernreaktor als Erhitzer und mindestens einem weiteren vom der Turbine vorgeschalteten Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung des die Turbine (1) durchströmenden Arbeitsmittelhauptstromes der Kernreaktor (8) hinter dem Wärmetauscher (9,13) und der diesem folgenden Stufengruppe der Turbine liegt und daß in an sich bekannter Weise der Wärmetauscher (9,13) wärmezufuhrseitig in einer von der von dem Kernreaktor (8) wegführenden Arbeitsmittelleitung (5²) abzweigenden und in die zum Kernreaktor (8) hinführende Arbeitsmittelleitung (5¹) mündenden Rückführungsleitung (10) liegt, wobei in letzterer eine Fördervorrichtung (11,12) zur Rückführung des abgezweigten Arbeitsmittelstromes durch die Rückführungsleitung von der Kernreaktor-Austrittsseite zur Kernreaktor-Eintrittsseite vorgesehen ist.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr jeweils durch einen Wärmetauscher (9¹, 9²) führende, parallel zueinander geschaltete Rückführungsleitungen (10¹, 10²) vorgesehen sind (Fig. 4).

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Rückführungsleitung (10¹,10²) eine eigene Fördervorrichtung (II¹, II²) vorgesehen ist.

4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückführungsleitung (10) durch zwei oder mehr Wärmetauscher (9!,9^fUhIt(FIg. 5).

5. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördervorrichtung Regelvorrichtungen zum Regeln der Durchflußmenge des Arbeitsmittelteilstromes aufweist.

6. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördervorrichtung von einer vom Arbeitsmittel der Gasturbinenanlage beaufschlagten Hilfsturbine angetrieben ist.

7. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördervorrichtung als eine an der Mündungsstelle der Rückführungsleitung in die zum Kernreaktor hinführende Arbeitsmittelleitung liegende Strahlpumpe mit dem aus dem Arbeitsmittelhauptstrom kommenden Arbeitsmittel als Strahlmittel ausgebildet ist.

8. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördervorrichtung als ein an der Mündungsstelle der Rückführungsleitung in die zum Kernreaktor hinführende Arbeitsmittelleitung liegender Druckaustauscher ausgebildet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 3 047 479;
»Motortechn. Zeitschrift«, 21. Jahrgang, Heft 1 (Jan. 1960), S. 20 bis 22;
Sonder-Druck 23 008 (d) aus »Escher-Wyss-

Arbeitsmittel durchflossenen einer Stufengruppe 60 Mitteilungen, 1942/43«, S. 5.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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