CH189727A - Wärmekraftanlage, in welcher ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt. - Google Patents

Description

  Wärmekraftanlage, in welcher ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft,  dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt.    Die     Erfindung    betrifft eine Wärmekraft  anlage, in welcher ein gasförmiges Arbeits  mittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen ge  schlossenen Kreislauf unter Überdruck be  schreibt, wobei das durch äussere Wärmezu  fuhr erhitzte     Arbeitsmittel        unter        äusserer          Leistungsabgabe    in mindestens einer Turbine  expandiert und hierauf in mindestens einem  Turboverdichter wieder auf höheren     Druck     gebracht wird.  



  Zweck der Erfindung ist, für die Turbine  bezw. Turbinen und den Turboverdichter  bezw. die Turboverdichter Betriebsverhält  nisse zu schaffen, bei denen jede dieser Ma  schinengattungen unter den Betriebsverhält  nissen arbeiten kann, die es erfordert, um  hohe Wirkungsgrade erreichen zu können. Zu  diesem Behufe arbeitet bei einer Wärme  kraftanlage der erwähnten Art der     Turbo-          verdichter    mit höherer Drehzahl als die Ma  schine, welche Leistung nach aussen abzu  geben hat.

      Weist die Turbine einer solchen Anlage  mindestens zwei Läufer auf, von denen der  eine den Turboverdichter und der andere eine  Leistung nach aussen abgebende Maschine an  treibt, so können die Läufer über Mittel mit  einander gekuppelt sein, welche ständig     einen     solchen Ausgleich zwischen den von den Läu  fern abgegebenen     Leistungen        bewirken,        dass     jeder dieser Läufer praktisch immer gerade  die Leistung abgibt, für die er     vorgesehen     worden ist.

   Ferner können der     bezw.    die     mit     hohem     Druck    und hoher Temperatur arbei  tenden Turbinenläufer höhere Drehzahlen  aufweisen als der andere     bezw.    die     übrigen     Turbinenläufer, sowie den     bezw.    die Turbo  verdichter antreiben.  



  Auf den beiliegenden Zeichnungen sind       verschiedene        Ausführungsbeispieledes    Erfin  dungsgegenstandes in zum Teil vereinfachter       Darstellungsweise    veranschaulicht, wobei     in     allen Fällen angenommen ist, dass als     Arbeits-          mittel    Luft verwendet wird.

   Dabei zeigt:      Fig. 1 eine Anlage, bei welcher eine Luft  turbine und ein Axialverdichter     verschieden-          axig    angeordnet und der Verdichter mit  höherer Drehzahl als die Turbine läuft, wo  bei letztere einen Generator antreibt;  Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei welcher  zwei hintereinander geschaltete Turbinenge  häuse vorgesehen sind, wobei der mit hohem  Druck und hoher     Temperatur    arbeitende Tur  binenläufer mit höherer Drehzahl läuft als  der zweite Turbinenläufer, sowie den Ver  dichter antreibt:  Fig. 3 zeigt eine Anordnung, bei welcher  der das Hochdruckgefälle verarbeitende Teil  der Turbine mehrgehäusig ausgebildet ist,  wobei diese Gehäuse parallel geschaltet sind;

    Fig. 4 zeigt eine Anlage, bei welcher der  das Niederdruckgefälle verarbeitende Teil der  Turbine mehrgehäusig ausgebildet ist, wobei  diese Gehäuse parallel geschaltet sind;  Fig. 5 zeigt eine Anlage, bei welcher so  wohl der das Hochdruckgefälle, als auch der  das Niederdruckgefälle verarbeitende Teil der  Turbine mehrgehäusig ausgebildet sind, wo  bei die Gehäuse des Hochdruckteils parallel  und die des Niederdruckteils in Reihe ge  schaltet sind;  Fig. 6 zeigt eine Anlage mit einer Tur  bine radialer Bauart, von welcher die Schau  felengen der beiden Läufer in bezug aufein  ander so ausgebildet sind, dass diese Läufer  dauernd mit gegenseitig wesentlich verschie  denen Drehzahlen laufen; dabei ist mit dem  einen der Läufer ein Motorgenerator gekup  gekup  pelt, der an dasselbe Netz wie ein von der  Turbine angetriebener Generator geschaltet  ist.  



  Bei der in Fig. 1 gezeigten Anlage be  schreibt das Arbeitsmittel, als welches Luft  verwendet wird, einen geschlossenen Kreis  lauf     unter    Überdruck. Diese Luft wird in  einer als Erhitzer 1 ausgebildeten Zufuhr  stelle äusserer Wärme erhitzt. Die eigent  liche Erhitzung erfolgt in einem Oberflächen  wärmeaustauscher 2, welcher von den Feuer  gasen umspült wird; die Erhitzung wird vor  teilhaft auf mindestens 500' C getrieben.  Die so erhitzte Luft gelangt in eine mehr-    stufige Luftturbine 3 axialer Bauart, wo sie  unter Leistungsabgabe expandiert.

   Die Tur  bine 3 treibt     unmittelbar    einen Generator 4  an und über ein Übersetzungsgetriebe 51  einen als mehrstufiger Axialverdichter 5 aus  gebildeten Kreiselverdichter, der somit mit  höherer Drehzahl arbeitet als die Turbine 3,  welche über den Generator 4 Leistung nach  aussen abgibt. Die erhitzte Luft expandiert  in der Turbine 3 auf mindestens die Hälfte  des Druckes, den sie am Eintritt in dieselbe  hat.

   Die aus der Turbine 3 strömende Luft  gelangt durch eine Leitung 6 in einen als  Gegenstromapparat ausgebildeten     Wärmeaus-          tauscher    7, wo sie Wärme an Luft höheren  Druckes abgibt, die vom Axialverdichter 5  durch eine Leitung 9 in den     Wärmeaustau-          scher    7 gefördert wird und     diedurch    eine  Leitung     8,dem        Oberflächenwärmeaustauscher     2     zuströmt.     



  Der     Vollständigkeit    halber sei noch er  wähnt, dass 19 .eine Leitung bezeichnet, durch  die von einem Gebläse 20 in einen     Wärme-          austauscher    18 geförderte     Luft    in den Er  hitzer 1 gelangt.

   Dem     Wärmeaustauseher    18  strömen durch eine Leitung 17 Heizgase aus  dem Erhitzer 1 zu. 25 bezeichnet einen Küh  ler, in welchem die aus dem     Wärmeaustau-          scher    7 in den Verdichter 5 überströmende  Luft vorgekühlt wird. 12 bezeichnet eine  Pumpe,     Welche    Kühlwasser in den     Axialver-          dichter    5     fördert.    Schliesslich     bezeichnet    45  einen Hilfsmotor, welcher zum Anlassen der  Anlage dient.  



  Bei der in     Fig.    2 gezeigten Ausführungs  form     ist,die    Turbine     zweigehäusig    ausgebil  det. Die zwei Turbinenteile     3a,        3b    sind hin  tereinander geschaltet. Der mit höherem  Druck und höherer Temperatur arbeitende  Läufer des Turbinenteils 3a, der den mehr  stufigen     Axialverdichter    5 antreibt, weist  höhere Drehzahlen auf als der Läufer -des       Niederdruckteils    3b, welch letzterer den ihm  zugeordneten Generator 4     unmittelbar    an  treibt. Die Läufer der zwei     Turbinenteile     3a, 3b sind überein     Getriebe    52 miteinander  gekoppelt.

   Dieses Getriebe dient nicht zur  eigentlichen     Leistungsübertragung,        sondern         es fällt ihm vor allem die Aufgabe zu, stän  dig einen solchen Ausgleich zwischen den  von den Läufern der Turbinenteile     3a,        3b    ab  gegebenen Leistungen zu bewirken, dass jeder  dieser Läufer     praktisch    immer gerade die  Leistung abgibt, welche die von ihm direkt  angetriebene Maschine erfordert und für die  er berechnet worden ist.

   Die vom Getriebe  52 zu übertragende Ausgleichsleistung be  trägt immer nur einen     Bruchteil    der verschie  denen Maschinenleistungen, so dass die Ver  luste in diesem Getriebe, im Vergleiche zur  Gesamtleistung der Anlage, einen äusserst  geringen Prozentsatz ausmachen. Mit 45 ist  wieder ein Hilfsmotor zum Anlassen der An  lage bezeichnet.  



  Fig. 3 zeih eine Anlage, bei welcher der  das Hochdruckgefälle verarbeitende Teil der  Turbine zweigehäusig ausgebildet ist. Dazu  weist die Turbine noch ein Niederdruckge  häuse 3b auf, dessen Läuferdirekt den Gene  rator 4 antreibt. Die zwei Gehäuse 3a, 3aa  des     Hochdruckteils    sind parallel     geschaltet     und es treibt jeder der Läufer dieses Hoch  druckteils einen Verdichter 5a bezw. 5b an.  Die zwei Verdichter 5a, 5b sind hinterein  ander geschaltet. Die Läufer des Hochdruck  teils     arbeiten    mit höherer     Drehzahl    als der  den Generator 4 antreibende Läufer des Nie  derdruckteils.  



  Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei welcher  der das Niederdruckgefälleverarbeitende Teil  der Turbine mehrgehäusig ausgebildet ist,  wobei die Gehäuse 3b, 3bb parallel geschaltet  sind. Der Niederdruckteil 3b, 3bb ist mit dem  Hochdruckteil 3a in Reihe geschaltet. Die  Läufer der Teile 3b, 3bb treiben einen ge  meinsamen Generator 4 an und arbeiten mit  kleinerer Drehzahl als der Läufer des Hoch  druckteils.  



  Fig. 5 zeigt eine Anlage, bei welcher so  wohl der Hochdruckteil, als auch der     Nieder-          druckteilder    Turbine     zweigehäusig    ausgebil  det sind. Die Gehäuse 3a, 3aa des Hoch  druckteils sind parallel und die Gehäuse 3b,  3bb des Niederdruckteils in Reihe geschaltet.  Die gesamte Luftmenge gelangt somit aus  dem Hochdruckteil vorerst in das Gehäuse 3b    des Niederdruckteils. Der Läufer der Tur  bine     3a    treibt einen Verdichter 5a und der  Läufer der Turbine 3aa einen Verdichter 5b  an. Die Verdichter 5a, 5b sind parallel ge  schaltet. Der Läufer der Turbine 3b treibt  direkt einen Generator 4a und ,der Läufer der  Turbine 3bb direkt einen Generator 4b an.

   Die  Läufer der Turbinen 3a, 3aa arbeiten mit hö  heren Drehzahlen als die Läufer der Turbi  nen 3b, 3bb.  



  Bei der in Fig. 6 gezeigten Anlage ist  eine gegenläufig arbeitende Turbine radialer  Bauart vorgesehen. Die Schaufelungen der  Läufer 3a, 3b dieser Turbine sind in bezug       aufeinander    so ausgebildet,     dass    diese Läufer  dauernd mit gegenseitig wesentlich verschie  denen Drehzahlen laufen, und zwar     der    Läu  fer 3a, welcher .den Axialverdichter 5 an  treibt, mit höherer Drehzahl als der     Läufer     3b, welcher den Generator 4 antreibt.

   Mit  dem Läufer     3b    ist noch     ein        Motorgenerator     53 gekuppelt, der in nicht gezeigter Weise  an dasselbe Netz wie der Generator 4 ge  schaltet ist und der bewirkt (indem er je  nach Erfordernis als Generator oder als Mo  tor läuft), dass jeder der     Turbinenläufer    3a,  3b praktisch immer die Leistung abgibt, für  die er berechnet worden ist.  



  Der Turbinenteil, welcher Leistung nach  aussen abzugeben hat, kann diese, anstatt über       einen    Generator, auch     unmittelbar        abgeben,     indem er eine Transmission, eine Arbeits  maschine oder     dergl.        antreibt.    An Stelle von       Axialverdichtern    können     selbstverständlich     auch     Zentrifugalverdichter    vorgesehen wer  den. Ferner kann man auch bei den Aus  führungen nach     Fig.    3, 4 und 5 in nicht ge  zeigter Weise, Läufer verschiedener Dreh  zahl über Mittel, z.

   B.     Zahnrädergetriebe    oder       Motorgeneratoren,    miteinander koppeln, da  mit durch solche     Mittel    ständig ein solcher  Ausgleich     zwischen    d en von den     betreffenden;     Läufern abgegebenen     Leistungen        bewirkt     wird,     dass    jeder dieser Läufer gerade die     Lei-          stung    abgibt, für .die er     vorgesehen    worden  ist.  



       In        a,11    den Fällen, wo die     Turbine        mehr-          gehäusig        ausgebildet    ist,     empfiehlt    es     sieh,         die rascher laufende Maschine oder Maschi  nen, d. h. also den oder die     Verdichter,    von  den Teilender Turbine antreiben zu lassen,  welche die hohen Temperaturen     und    hohen  Drücke verarbeiten. In einem solchen Falle  können dann die Läufer der     betreffenden          Turbinenteile    infolge ihrer hohen Drehzahl  verhältnismässig klein bemessen werden.

    Kleine Raddurchmesser der Turbine führen  ihrerseits zu niedrigen     Beanspruchungen    der       Läufer,    was mit Rücksicht auf die hohen       Temperaturen,    denen die     betreffenden    Läu  fer ausgesetzt sind, vom Festigkeitsstand  punkt aus gesehen, günstig ist. In diesem  Zusammenhang ist auch wichtig, dass infolge  des kleinen     spezifischen    Volumens der ver  dichteten Luft in allen Fällen vor allem die  Abmessungen der     Turbine,    aber auch die des  Kreiselverdichters, selbst für grosse Leistun  gen sehr klein werden.

   Dies ist besonders  erwünscht, weil man zwecks möglichst hoher  Wärmeausnützung in Zukunft mit möglichst  hohen     Eintrittstemperaturen    an der Turbine  arbeiten wird.  



  Bei mehrgehäusiger Ausbildung der Tur  bine kann der     thermische        Wirkungsgrad    noch  dadurch verbessert werden, dass die in einer  Stufe durch Arbeitsabgabe abgekühlte Luft  nach der Expansion jeweils wieder bis in die  Gegend der Anfangstemperatur zwischen  überhitzt wird.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Wärmekraftanlage, in welcher ein gasför miges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt, wobei das durch äu ssere Wärmezufuhr erhitzte Arbeitsmittel unter äusserer Leistungsabgabe in mindestens einer Turbine expandiert und hierauf in min- destens einem Turboverdichter wieder auf höheren Druck gebracht wird, dadurch ge kennzeichnet, dass der Verdichter mit höhe rer Drehzahl arbeitet als die Maschine, welche Leistung nach aussen abzugeben hat. UNTERANSPRÜCHE: 1.

   Wärmekraftanlage nach Patentanspruch, deren Turbine mindestens zwei Läufer auf- weist, von denen der eine den Turbover dichter und der andere eine Leistung nach aussen abgebende Maschine antreibt, da durch gekennzeichnet, dass die Läufer über Mittel miteinander gekoppelt sind, die ständig einen solchen Ausgleich zwischen den von den Läufern abgegebenen Lei stungen bewirken, dass jeder dieser Läufer praktisch immer gerade die Leistung ab gibt, für die er vorgesehen worden ist. 2.

   Wärmekraftanlage nach Patentanspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Turbine als mehrgehäu- sige Axialturbine ausgebildet ist und dass deren Läufer verschiedener Drehzahl über wenigstens ein Zahnrädergetriebe mitein ander gekoppelt sind. 3.

   Wärmekraftanlage nach Patentanspruch, dadurch .gekennzeichnet, dass mindestens eine gegenläufig arbeitende Turbine ra dialer Bauart vorgesehen ist, bei der die Schaufelungen der beiden Läufer in bezug aufeinander so ausgebildet sind, @dass diese Läufer dauernd mit gegenseitig wesent lich verschiedener Drehzahllaufen.

   4. Wärmekraftanlage nach Patentanspruch und :den Unteransprüchen 1 und 3, da durch gekennzeichnet"dass mit einem Läu fer ein Motorgenerator gekoppelt ist, der an dasselbe Netz wie ein von der Turbine angetriebener Generator geschaltet ist und der den Leistungsausgleich zwischen den Turbinenläufern bewirkt. 5.

   Wärmekraftanlage nach Patentanspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass der bezw. die mit hohem Druck und hoher Temperatur arbeitenden Turbinenläufer höhere Drehzahlen aufwei sen als der andere bezw. die übrigen Tur binenläufer, sowie :den bezw. die Turbo verdichter antreiben. 6. Wärmekraftanlage nach Patentanspruch und Unteranspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, dass .der bezw. die Turboverdich ter als mehrstufige Axialverdichter aus gebildet sind.

   7. Wärmekraftanlage nach Patentanspruch und Unteranspruch 5, :dadurch gekenn- zeichnet, dass der das Hochdruckgefälle verarbeitende Teil der Turbine mehrge- häusig ausgebildet ist, wobei die Gehäuse dieses Teils parallel geschaltet sind. B. Wärmekraftanlage nach Patentanspruch und Unteranspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, dass der das Niederdruckgefälle verarbeitende Teil der Turbine mehrge- häusig ausgebildet ist, wobei die Gehäuse dieses Teils parallel geschaltet sind. 9.

   Wärmekraftanlage nach Patentanspruch und Unteranspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, dass der das Niederdruckgefälle verarbeitende Teil der Turbine mehrge- häusig ausgebildet ist, wobei die Gehäuse dieses Teils hintereinander geschaltet sind.