Einrichtung zur raschen Regelung und Inbetriebsetzung von Wärmekraftanlagen, in welchen ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt. Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur raschen Regelung und Inbetriebsetzung von Wärmekraftanlagen, in welchen ein gas förmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt, wobei das durch äussere Wärmezufuhr erhitzte Arbeitsmittel in min destens zwei Turbinen, wovon die eine ihre Leistung mindestens zum Teil nach aussen abgibt und die andere einen Verdichter an treibt, expandieren gelassen und hierauf wie der auf höheren Druck gebracht wird,
sowie in einem Wärmeaustauscher ein Wärmeaus tausch zwischen dem expandierten und dem wieder verdichteten, noch nicht von aussen erhitzten Teil des Arbeitsmittelstromes statt findet.
Zur Regelung von länger andauernden Änderungen in der Belastung von Wärme kraftanlagen dieser Art ist bereits vorge schlagen worden, bei unveränderter Dreh- zahl sämtlicher Maschinen die Dichte des umlaufenden Arbeitsmittels angenähert pro portional zur jeweiligen äussern Leistungs abgabe einer oder mehrerer Turbinen zu än dern. Dies kann beispielsweise bei einer Er niedrigung des Leistungsbedarfes dadurch geschehen, dass Arbeitsmittel, welches ja unter Überdruck steht, dem sonst geschlos senen Kreislauf durch geeignete Auslassvor- richtungen, z. B. gesteuerte Ventile, entzogen wird.
Sinkt jedoch der Leistungsbedarf plötzlich, beispielsweise infolge Abschaltens des Generators, so ist es unter Umständen nicht möglich, zu erreichen, dass die Dichte des Arbeitsmittels in dessen Kreislauf ge nügend rasch zurückgeht, weil das Ausströ men des dem Kreislauf zu entziehenden Ar beitsmittels eine gewisse Zeit erfordert. Zu dem bedingt das Ablassen von Arbeitsmittel aus dem sonst geschlossenen Kreislauf, dass bei einer nachfolgenden Zunahme des Lei- stungsbedarfes neues Arbeitsmittel in den Kreislauf eingeführt werden muss, was auch einige Zeit benötigt.
Zweck vorliegender Erfindung ist, solche Übelstände, welche bei raschen Schwankun gen in der Belastung von Anlagen der er wähnten Art auftreten, zu beheben. Zu die sem Behufe zweigt bei einer solchen Anlage gemäss vorliegender Erfindung von einer Überströmleitung, die von einer zur andern Turbine führt, vor dem Eintritt in die Lei stung nach aussen abgebende Turbine eine Umführungsleitung (bypass) mit Absperr- drosselorgan und eingebautem Hilfskühler ab.
Durch diese Umführungsleitung kann das Arbeitsmittel unter Umgehung der Lei stung nach aussen abgebenden Turbine strö men, um hinter dieser wieder in den nor malen Kreislauf des Arbeitsmittels zu ge langen. Zweckmässig kann die Umführungs- leitung in die Leitung münden, welche die letztgenannte Turbine mit dem Wärmeaus tauscher verbindet, in welchem ein Wärme austausch zwischen dem expandierten und dem wieder erhitzten Teil des Arbeitsmittel stromes stattfindet.
Das in der Umfüh- rungsleitung vorgesehene Absperrdrossel organ kann mit Organen verbunden sein, durch die es in Abhängigkeit von den.in der Anlage auftretenden Leistungsschwankun gen selbsttätigt verstellt werden kann, zum Zwecke, die Durchflussmenge durch die Um führungsleitung selbsttätig der abzugeben den Leistung anzupassen.
Auf der Zeichnung ist eine Ausführungs form des Erfindungsgegenstandes in verein fachter Darstellungsweise beispielsweise ver anschaulicht.
1 bezeichnet einen Erhitzer, in welchem dem Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, von aussen Wärme zugeführt wird. Die erhitzte Luft gelangt vorerst in eine Hochdrucktur bine 2, welche einen Verdichter 3 antreibt und über ein Getriebe 4 auch mit der Welle einer zweiten Turbine 5 gekoppelt ist, die ihre Leistung mindestens zum Teil nach aussen abgibt. Bei der gezeigten Ausfüh rungsform treibt diese Turbine 5 einen Ge- nerator 6 an. 13 bezeichnet eine Überström- leitung, durch die das Arbeitsmittel von der Hochdruckturbine 2 zur Niederdruckturbine 5 gelangt.
Das aus der Turbine 5 strömende Arbeitsmittel tritt durch eine Leitung 7 in einen Wärmeaustauscher 8, wo es Wärme an den Teil des Arbeitsmittelstromes abgibt, der vom Verdichter 3 durch eine Leitung 9 in den Erhitzer 1 gefördert wird. Der von der Turbine 5 kommende und im Wärme- austauscher 8 abgekühlte Arbeitsmittelstrom- teil gelangt dann durch eine Leitung 10 in einen Kühler 11 und von diesem durch eine Leitung 12 in den Verdichter 3, wo dieser Teil des Arbeitsmittelstromes wieder ver dichtet wird.
Von der Überströmleitung 13 zweigt vor dem Eintritt in die Leistung nach aussen abgebende Turbine, das heisst also vor der Turbine 5, eine Umführungsleitung 14 ab, die in die Leitung 7 mündet. In diese Umführungsleitung 14 sind ein Absperr- drosselorgan 15 und eine als Kühler 16 aus gebildete Hilfswärmeaustauschvorrichtung eingebaut. Die Einstellung des Organes 15 in die jeweils erforderliche Lage erfolgt selbsttätig durch einen Drehzahlregler 17 der Turbine 5. Dabei wird die Wirkungsverbin dung zwischen den Teilen 15, 17 durch ein Hebelgestänge 18 hergestellt.
In die Über strömleitung 13 ist zwischen der Abzweig stelle der Umführungsleitung 14 und dem Eintritt in die Turbine 5 ein Absperrorgan 19 eingebaut, welches ebenfalls selbsttätig in Abhängigkeit von den Leistungsänderun gen der Turbine 5 verstellt wird, zu welchem Zwecke es mit dem Drehzahlregler 17 in Wirkungsverbindung steht. 20 ist ein Hilfs motor (elektrischer Motor, Verbrennungs-, Druckluftkolbenmotor oder Drucklufttur- bine), welcher zur langsamen Drehung der Maschinengruppe 3, 2, 5, 6 während des An fahrstadiums dient.
Dieser Hilfsmotor 20 wird bei höheren Drehzahlen mittelst einer Kupplung ausgeschaltet.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist folgende: Solange normale Betriebsverhältnisse bei gleichbleibender Last herrschen, sperrt das Drosselorgan 1.5 den Durchfluss von Arbeitsmittel durch die Umführungsleitung 14 ab. Sobald jedoch die Turbine 5 aus irgend einem Grunde plötzlich und voraussichtlich nur für eine derart kurze Zeit entlastet wird, dass ein verringerter Wirkungsgrad der Wärmekraftanlage in Kauf genommen werden kann, so erfolgt selbsttätig eine solche Verstellung des Ab- sperrdrosselorganes 15, dass Arbeitsmittel durch die Umführungsleitung 14 aus der Überströmleitung 13 in die Leitung 7 strö men kann.
Gleichzeitig wird das Absperr organ 19 in schliessendem Sinne betätigt. Das von der Hochdruckturbine 2 kommende Ar beitsmittel fliesst daher unter Umgehung der Niederdruckturbine 5, gleich durch die Um führungsleitung 14 in den Wärmeaustau- scher B. In dieser Umführungsleitung 14 er fährt das Arbeitsmittel durch Drosselung eine Druckverminderung und gleichzeitig wird es durch den Hilfskühler 16 auf un gefähr die Temperatur abgekühlt, auf die es bei normalen Betriebsverhältnissen durch die Expansion in der Niederdruckturbine 5 ab gekühlt würde.
Auf diese Weise wird selbst bei Umgehung der Niederdruckturbine 5 vermieden, dass Arbeitsmittel von gefährlich hoher Temperatur in den Wärmeaustauscher 8 gelangt, der aus wirtschaftlichen Gründen aus Baustoffen hergestellt ist, welche keine zu hohen Temperaturen ertragen.
Da für den Durchfluss durch die Umführungslei- tung 14 ein Druckgefälle von einigen Atmo sphären zur Verfügung steht, so ergeben sich in dieser Leitung 14 grosse Geschwindigkei ten, die unter Umständen bis zur Schall geschwindigkeit und darüber ansteigen kön nen, so dass der Hilfskühler 16 infolge der sich ergebenden hohen Wärmeübergangszah- len auf der Arbeitsmittelseite klein bemessen werden kann.
Durch zusätzliche Steuerung der Absperrorgane 15, 19 in Abhängigkeit von den Drücken an bestimmten Stellen des normalen Kreislaufes kann erreicht werden, da.ss die Drücke und Temperaturen nach Öff nen der Umführungsleitung 14 im übrigen Teil der Anlage angenähert gleich bleiben, so dass beispielsweise beim plötzlichen, kurz- zeitigen Öffnen der Leitung 14 am Verdich ter 3 oder am Erhitzer 1 sich nichts ändert.
Die beim Umgehen der Turbine 5 vorhan dene überschüssige Energie wird einfach in der Umführungsleitung 14 und mit Hilfe des Hilfskühlers 16 vernichtet, statt über die Turbine 5 und den Generator 6 nach aussen abgegeben zu werden. Tritt wieder eine Be lastungszunahme der Turbine 5 ein, so wird das Absperrorgan 19 im öffnenden Sinne und das Absperrorgan 15 im schliessenden Sinne selbsttätigt betätigt, so dass der durch die Umführungsleitung 14 strömende Arbeits mittelteil nach Massgabe der Belastung der Turbine 5 geregelt wird.
Bei lang andauern der niedriger Belastung der Anlage wird dagegen die Einrichtung zum Verstellen des Absperrdrosselorganes 15 von Hand oder selbsttätig durch nicht gezeigte Mittel blok- kiert und dem Kreislauf in an sich bekann ter Weise durch eine absperrbare Auslass- vorrichtung 22 Arbeitsmittel entzogen. Da durch sinken dann der Druck und die Dichte im Kreislauf,
was ein entsprechendes Schlie ssen der Umführungsleitung 14 und Öffnen der Überströmleitung 13 ermöglicht, so dass beim neuen Dauerbetrieb mit verminderter Last die Anlage zufolge Ausschaltung der Drosselleitung 14 wieder mit gutem Wir kungsgrad arbeitet. Eine spätere Belastungs zunahme wird lediglich ermöglicht durch Einführen neuen Arbeitsmittels aus einem Speicher 21.
Der in die Umführungsleitung eingebaute Hilfskühler wird zweckmässig von so gro ssem Widerstande ausgebildet, dass in ihm mindestens ein Viertel des sonst von der um gangenen Turbine verarbeiteten Druckgefäl les durch Reibung und Wirbelung vernich tet wird.
Die beschriebene Einrichtung ermöglicht auch in einfacher Weise die schwierige Auf-. gabe zu lösen, die ganze Anlage anzufahren. Bei der Inbetriebsetzung ist das Absperr organ 19 geschlossen und das Absperrorgan 15 geöffnet. Es wird dann durch den Motor 20 bei vorerst reduzierter Drehzahl Arbeits mittel durch die Anlage umgewälzt und im Erhitzer.l erwärmt.
Das Arbeitsmittel durch strömt jetzt lediglich die den Verdichter antreibende Hochdruckturbine 2 und fliesst hierauf durch die Umführungsleitung 14 in den Wärmeaustauscher 8, um von diesem durch die Leitungen 10 und 12, den Verdich ter 3 und die Leitung 9 wieder in den Er hitzer 1 zu gelangen. Die Turbine 5 wird somit umgangen. Durch allmähliches Ein führen neuen Arbeitsmittels, beispielsweise aus einem Reservoir 21, in den beschriebenen Kreislauf, wird dann die Dichte des umge wälzten Stromes erhöht.
Eine allfällige über schüssige Leistung der Turbinen wird nach Massgabe der Drucksteigerung in der Um führungsleitung 14 durch Drosselung vorläu fig vernichtet. Erst wenn die Drücke im Kreislauf von Turbine 2 und Verdichter 3 die nötige Höhe erreicht haben und die ge wünschten Temperaturen vorhanden sind, wird das Absperrorgan 15 geschlossen und das Organ 19 geöffnet, so dass nun das aus der Hochdruckturbine 2 kommende Arbeits mittel auch die Niederdruckturbine 5, welche mindestens zum Teil ihre Leistung nach aussen abgibt, durchströmt. Die Belastung der Turbine 5 kann jetzt sehr rasch erfol gen, weil ja die dadurch bedingte Energie bereits im Kreislauf vorhanden ist.
Wäre keine Umführungsleitung 14 vorhanden, so würde die Belastung der Niederdruckturbine 5 gleichzeitig und abhängig von der In betriebnahme der ganzen Anlage erfolgen. Sobald die Maschinengruppe 3, 2, 5, 6 mit einer bestimmten Drehzahl läuft, wird der Motor 20 abgekuppelt.
Für das Wesen der Erfindung spielt es keine Rolle, wie das Absperrdrosselorgan der Umführungsleitung 14, sowie der darin ein gebaute Hilfskühler ausgebildet sind. Als Kühlmittel für den letzteren kann eine Flüs sigkeit oder ein. Gas verwendet werden, wo bei die vom betreffenden Kühlmittel auf genommene Wärme allenfalls irgendwie wei ter ausgenutzt werden kann.
Der Fluss ,des Kühlmittels durch den Hilfskühler 1,6 wird zweckmässig erst dann auf selbsttätige Weise ausgelöst, wenn Arbeitsmittel durch die Umführungsleitung 14 zu fliessen be ginnt. Er kann ferner in Abhängigkeit von der durch die Leitung 14 strömenden Ar beitsmittelmenge geregelt werden.
Auch kann. die selbsttätige Einstellung des in dieser Umführungsleitung eingebau ten Absperrdrosselorganes in Abhängigkeit von der Belastung der Niederdruckturbine in anderer Weise erfolgen als gezeichnet ist.
Indem das Absperrdrosselorgan vorzugs weise hinter dem in die Umführungsleitung eingebauten Hilfskühler vorgesehen wird, ergeben sich die Vorteile, dass dieses Organ nur von bereits gekühltem Arbeitsmittel durchströmt wird, und dass ferner im Küh ler ein höherer Arbeitsmitteldruck herrscht, was den Wärmeübergang verbessert.
Ferner lässt sich die Erfindung ohne wei teres auch dann anwenden, wenn hinter der Stelle der Überströmleitung, von welcher die Umführungsleitung abzweigt, mehr als eine Turbine vorhanden ist. Im weiteren lässt sich vielfach ohne Absperrorgan 19 auskommen. Die Regelung der verschiedenen Drossel- bezw. Absperrorgane kann auf mechani schem oder hydraulischem Wege erfolgen.
Die Umführungsleitung kann zwischen der oder den Leistung nach aussen abgeben den Turbine bezw. Turbinen und dem Ver dichter an irgend einer Stelle des normalen Kreislaufes in diesen münden.