DE868806C - Teilweise im Kreislauf arbeitende Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

• Teilweise im Kreislauf arbeitende Gasturbinenanlage Die Erfindung bezieht sich auf teilweise im Kreislauf arbeitende Gasturbinenanlagen derjenigen Art, bei der ein Teil des arbeitenden Mediums beständig aus dem Kreislauf ausgeschieden und eine entsprechende Luftmenge in den Kreislauf eingeführt wird, und zwar mittels mindestens eines Ladeverdichters für atmosphärische Luft.
• Es sind bereits teilweise im Kreislauf arbeitende Gasturbinenanlagen bekannt, bei denen das arbeitende Medium des geschlossenen Kreislaufteils entweder aus den gegebenenfalls gefilterten Verbrennungserzeugnissen oder aus reiner Luft besteht.
• Im ersten Fall sind die Verbrennungsgase des Verbrennungsraum#es mit dem Kühlmedium gemischt, um das endgültige Arbeitsmittel zu bilden, welches auf diese Weise durch Mischung der heißen Gase mit den kühlen Gasen erwärmt wird. Diese Lösung hat den Nachteil, daß es schwierig ist, eine große Menge des Gases zu filtern, selbst bei Verwendung von komplizierten und umständlichen Filteranlagen, so daß die Elemente des gleschlossenen Kreislaufes beschmutzt und zerstört werden.
• In dem zweiten Fall besteht das Medium in dem geschlossenen Kreislauf aus reiner Luft, die von den Verbrennungsgasen getrennt ist und durch Wärmeleitun- erhitzt wird ' beispielsweise in Kanä,len, deren entgegengesetzte Oberfluche in Kontakt mit den heißen Gasen steht. Diese Lösung hat den Nachteil, daß die Erhitzerkanäle schwer herzustellen sind, den hohen Temperaturen keinen ausreichenden Widerstand leisten und von den Verbrennungsgasen beschmutzt werden.
• Die vorliegende Erfindung schafft nun eine teilweise im Kreislauf arbeitende Gasturbinenanlfage, in der das arbeitende Medium in den Erhitzer in zwei parallelen Schichten eintritt, welche rniteinander in Kontakt bleiben, wobei die erste Schicht dadurch erhitzt wird, daß Brennstoff in ihr verbrannt wird, und die zweite Schicht durch strahlende Wärmeübertragung erhitzt wird, und zwar durch geeignete Oberflächen, die in der erwähnten zweiten Schicht parallel zu ihrer Strömung angeordnet werden und die strahlende Hitze der ersten Schicht absorbieren, ohne mit dieser ersten Schicht in Verbindung zu stehen. Dabei besteht das Arbeitsmittel des geschlossenen Kreislaufes aus reiner Luft oder aus einem Gemisch von Luft und Verbrennungsgasen, die zum Teil bereits gefiltert sind und zu einem kleinen Teil in einer Nebenleitung gefiltert werden, bevor sie in den geschlossenen Kreislaufteil eintreten.
• Andere Zwecke der Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung des Ausfährungsbeispieles nebst den zugehörigen Zeichnungen zu ersehen, welche zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen.
• Abb. i der Zeichnung zeigt schematisch das erste Ausführungsbeispiel; Abb. 2 zeigt einen abgewickelten Querschnitt der Erhitzerflächen nach Abb. i, und Abb. 3 zeigt schematisch das zweite Ausf ührungsbeispiel.
• Das erste Ausf.ührungsbeispiel nach Abb. i zeigt eine teilweise im Kreislauf arbeitende Gasturbinenanlage, bei welcher der Luftladekompressor i, der Kreislaufverdichter 2, die Kreislaufturbine 3, die offene Abgasturbine 4 und die zu betreibende Maschine 5 auf derselben Welle angeordnet sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Anlage mit einer einzigen Welle beschränkt, beispielsweise kann die zu betreibmende Maschine mit ein oder mehreren Turbinen auf einer besonderen Welle an-, ge -ordnet werden. Das Medium, welches aus der Kreislaufturbine 3 mit einem Druck austritt, der normalerweise höher als Atmosphärendruck ist, besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus reiner Luft. Sie geht durch eine Leitung 6, einen Wä#rmeaustanscher 7 und einen Kühler 8 und wird durch den Kreislaufverdichter 2 wieder auf den Arbeitsdruck komprimiert, zusammen * mit der Luft, die von dem Luftladekompressor i geliefert und durch einen Kühler 9 geleitet ist.. Das Medium, das von dem Kreislaufverdichter2 geliefert ist, durchstrümt den Wärmeaustauscher 7, wo es durch die Austrittsgase der Kreislaufturbine 3 erhitzt wird. Darauf wird es durch die Leitung io abgeleitet und in zwei Teile geteilt. Der erste Teil, der aus reiner,-Luft besteht, tritt in die Verbrennungskanimer i i, um die Verbrennung des Brennstoffes aufrechtzuerhalten. Der zweite Teil, der ebenfalls aus reiner Luft besteht, bildet die Strömung uni den ersten Teil. Das Medium, welches durch den Strahlungswärmeerhitzer 21 fließt, bildet so zwei parallele Schichten, die miteinander in Berührung bleiben. Dabei wird die erste Schicht von dem Verbrennungsgas, das aus der Verbrennungskammer i i ausströmt, und die zweite Schicht durch die verdichtete zu erhitzende Luft gebildet, die durch strahlende Wärmeübertragung mittels in Längsrichtung angeordneter Elemente 12, erhitzt wird, die in dieser zweiten Schicht parallel zur Strömungsrichtung angeordnet sind. Die Elemente 1-2 besitzen eine sternförmige Oberflüche, die in Fig.:2 in einem abgewickelten Querschnitt gezeigt ist, und- stehen an ihrer inneren und äußeren Oberfläche mit der Luft der zweiten Schicht in Verbindung; die beiden Schichten haben Berührung miteinander. Die Menge komprimierter Luft, welche in die Verbrennungskammer ii eintritt, ist geringer als die Leistung des Luftladekompressors i. An seinem Auslaß ist der Erhitzergi mit einem Sammler, beispielsweise mit einer Leitung 13, versehen, der im Wege der Strömung der Verbrennungskammer liegt, um aus dem Kreislauf eine Menge des Mediums abzuziehen, die im wesentlichen der Leistung desLuftladekompressors i entspricht, wobei diese Menge des Mediums die offene Abgasturbine4 betreibt. Die beiden Strömungsschichten in dem Erhitzer sind also in gegenseitiger Berührung miteinander, so daß eine gemischte Schicht von Gas und Luft an der Grenze zwischen den beiden Schichten entsteht. Die Menge des Mediums, welche in die Verbrennungskammer eintritt, ist derart berechnet, daß die Menge des Mediums, welche durch den Sammler 13 abgeleitet wird, das gesamte Verbrennunggsgas und zum mindesten die erwähnte gemischte Schicht umfaßt. Das Medium, welches in die Leitung 15 gelangt, um die Kreislaufturbine 3 anzutreiben, besteht somit aus reiner Luft.
• Gegebenenfalls kann ein Teil der reinen Luft, die von den Elementen 1:2, welche die strahlende Hitze der Gase -aufnehmen, erhitzt wird, außerdem durch Leitflächen 14 erhitzt werden, die hinter den Elementen 12 angeordnet sind und von den Verbrennungsgasen durchströmt werden.
• Bei der abgewandelten Ausführungsform, die in gestrichelten Linien in Abb. i wiedergegeben ist, strömt das aus dem Kreislauf abgezogene Mediurn zum Teil über eine Leitung 17 zu einer besonderen Turbine 18, die mit einem Luftladevorverdichter ig gekuppelt ist, der den Luftladekompressor i beliefert, der auf der gleichen Welle wie der Kreislaufverdichter:2 angeordnet ist.
• In Abb. 3, die das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, bideuten die gleichen Bezugszeichen die gleichen Teile wie in Abb. i.
• Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Menge des Mediums, welches in die Verbrennungskammer eintritt, jeden beliebigen Wert haben; die Menge des Mediums, welche in den Sammler 13 am Auslaß des Erhitzers2i eintritt, ist jedoch größer als die Liefermenge des Luftladekompressors i und umfaßt das Verbrennungsgas und zum mindesten die gemischte Schicht an der Grenze der beiden Schichten innerhalb des Erhitzers, Ein Teil des Mediums, das in den Sammler 13 eintritt und der Liefermenge des Luftladekompressors i gleich ist, wird durch die Leitung 16 abgeführt, um die offene Abgasturbilie 4 anzutreiben. Der überschuß, der einen kleinen Bruchteil des Verbrennungsgases enth.-ä';it, wird durch. eine Nebenleitung:22 geführt, die zweckmäßigerweise aus einer runden Leitung be- steht, welche um die Leitung 16 herum angeordnet ist, so daß sie der Lage der gemischten Schicht der Strömung entspricht. Diese NebenleitUng 22 ist Mit einem Filter irgendeiner passenden Art versehen, um das Medium zu reinigen, welches anschließend die Kreislaufturbine 3 zusammen mit demjenigen Medium antreibt, welches durch die Leitung 15 gefü,hrt wird.
• Das im Kreislauf strömende Medium besteht in diesem Fall aus einer Mischun- von Luft mit -efiltertem Verbrennungsgas, aber der Filter 23 reinigt nur einen Bruchteil des Arbeitsmediums der Turbine 3. Die Leitung 22 kann am Auslaß des Erhitzers ?-i ebenfalls einen ringförmigen Sammler um den Sammler 13 bilden.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Teilweise im Kreislauf arbeitende Gasturbinenanlage mit mindestens einem Kreislaufverdichter, mifidestens einer Kreislaufturbine, mindestens einem Ladeverdichter, mindestens einer offenen Abgasturbine, einem Verbrennungsraum und einem Erhitzer, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibmittelstrom in dem Erhitzer (21) - aus zwei zueinander parallelen Treibmittelschichten bestellt, die miteinander in Berührung bleiben, von welchen die erste Schicht aus dem den Verbrennungsraum (i i) verlassenden Verbrennungsgas und die zweite Schicht aus reiner Luft oder einem Gemisch von Luft und gereinigtem, in einer Umgehungsleitung t> el (:22) filtriertem Verbrennungsgas besteht, wobei die zweite, Schicht von der Strahlungswärme der ersten Schicht über geeignete, die Strahlungswärme absorbierende, längs gerichtete Elemente (12) erhitzt wird, die in der zweiten Schicht parallel zu deren Strömungsrichtung angeordnet sind und von dieser zweiten Schicht an ihren beiden Flächen bestrichen werden. :z. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der größte Teil der ersten Schicht am Auslaß des Erliitzers (21) zum Antrieb der offenen Abgasturbine (4) entnommen wird, daß mindestens der größte Teil der zweiten Schicht in den Kreislauf eingeführt wird, um die Kreislaufturbine (3) anzutreiben, und daß mindestens der größte Teil der in ihrer Beriihrungszone gebildeten Mischung der beiden Schichten der Masse einer dieser Schichten zugegeben wird. 3. Gasturbinenanlagge nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Verbrennungsratim (i i) eintretende Treibmittelmenge kleiner als die vom Luftladekompressor (i) gelieferte Menge ist, während die dem Kreislauf entnommene Treibmittelmenge, die der vom Luftladekompressor (i) gelieferten Menge ungefähr gleicht, das Treibmittel der erstell Schicht und mindestens die Gänze der in der Berührungszone der beiden Schichten gebildeten Mischung enthält und das -in den Kreislauf ein-#eführte Treibmittel reine Luft ist. 4. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, dadadurch gekennzeichnet, daß das in den Kreislauf ein#ereführte Tr#eibmittel mindestens den größten Teil der zweiten Schicht und mindestens einen Teil der in der Berührungszone der beiden Schichten gebildeten Mischung enthält, wobei diese Mischung vor ihrem Eintritt in ' den Kreislauf durch einen in einer Unigehun'gsleitUllg (22) angeordneten Filter (23) geführt wird. 5. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die die Strahlungswärme der Verbrennun-s-ase absorbierenden Z5 el Elemente (12) in der zweiten Schicht einen sternförmigen Körper bilden. 6. Gasturbinenanlage nach jedwedem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeleitungserhitzer (14) in Hintereinanderschaltung mit dem Strahlungswärmeerhitzer (:21, 12) angeordnet ist. 7. Gasturbinenanlage nach Anspruch i oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das in den Verbrennungsraum (i i) eintretende als auch das in den Erhitzer (21) eintretende Treibmittel reine Luft ist und daß das dem Kreislauf zum Antrieb der offenen Abgasturbine (4) entnommene Treibmittel eine Mischunt- des Verbrennungsgases mit einem Teil der durch Wärmestrahlung erhitzten Luft ist. 8. Gasturbinenanlage nach Anspruch i oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das in den Verbrennungsratun (ii) eintretende als auch das in den Erhitzer (21) eintretende Treibmittel aus einer Mischung von Luft' und filtriertem Verbrennungsgas besteht und daß das den Erhitzer (21) verlassende, in den Kreislauf einzuführende Treibmittel aus einem Strom von filtriertem Gemisch und einem gesonderten Strom eines Gemisches besteht welches mittels eines in einer Umgehungsleitung (:22,) angeordneten Filters (23) zu:filtrieren ist. g. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß der Umgehungsleitung (22) eine mit einer der Auslaßleitungen (16) des Erhitzers (21) konzentrische Öffnung bildet. io. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel am Einlaß des Erhitzers (21) durch zwei Leitungen und dann durch eine einzige, vom Erhitzer (21) selbst gebildete Leitung strörnt, in welcher es in zwei parallele Schichten geteilt wird, die miteinander in Berührung bleiben, und daß das Treibmittel am Auslaß des Erhitzers (21) durch zwei gesonderte Leitungen (13, 15) strömt, deren erste (13) Mindestens die Gänze der Verbrennungsgase durchläßt, oder durch drei Leitungen (13, 15, 2,2), deren erste (13) mindestens den größten Teil der Verbrennungsgase und deren dritte (2.2), mit einem Filter (23) versehene mindestens den anderen Teil der Verbrennungsgase durchläßt. ii. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß si.e zwei hintereinandergeschaltete Luftladeverdichter (ig, i) besitzt, von welchen der erste (ig) mit einer offenen Abgasturbine (18) eine selbständige Gruppe (ig, 18) bildet, während der andere (i) mit einem Kreislaufverdichter (2) auf einer gemeinsamen Welle sitzt.