Verfahren zum Betriebe von Gasturbinenanlagen und Gasturbinenanlage zum Durchführen desselben. Den Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zum Betriebe von Gasturbinen anlagen, durch welches die dem gasförmigen Arbeitsmittel zugeführte Wärme neben einem verhältnismässig niedrigen Herstellungspreis, unter Verwendung der zur Zeit zur Ver fügung stehenden Baustoffe, mit gutem wirt schaftlichem Wirkungsgrad in Arbeit um gewandelt werden kann.
Die für Gasturbinen anlagen bis heute vorgeschlagenen Einrich tungen und Betriebsverfahren waren ohne Ausnahme mit dem Nachteil behaftet, dass ein annehmbarer Wirkungsgrad nur mit einer sehr hohen Temperatur, und bei den mit konstantem Druck arbeitenden Vor schlägen nur mit einem sehr grossen Höchst druck und einer sehr hohen Temperatur er zielt werden kann. Die hohe Temperatur stellt strenge Anforderungen an die zu ver wendenden Baustoffe, und der hohe Druck verlangt teure und schwere Konstruktionen mit gesteigerter Widerstandsfähigkeit.
Bei den mit konstantem Druck arbeiten den Vorschlägen ist die hohe Temperatur deshalb notwendig, weil der Wirkungsgrad des für die Turbine das Gas verdichtenden Kompressors, sowie der Wirkungsgrad der mit dem heissen Gas betriebenen Turbine nicht befriedigend war. Aus diesem Grunde war es vorteilhaft, den Arbeitsbedarf des Kompressors in bezug auf den Arbeitsbedarf der Turbine niedrig zu halten, ,
damit -der Unterschied zwischen der Arbeitsleistung der Turbine und dem Arbeitsbedarf des Kom- pressors - welcher der Nutzarbeit propor tional ist - grösser werden kann.
Der hohe Druck war aus dem Grunde erforderlich, weil bei den bisherigen Vor schlägen die Zurückgewinnung der Wärme der die Turbine verlassenden Gase (Regene ration, Rekuperation) zur Vorwärmung der in die Turbine eintretenden frischen Gase nicht in hinreichendem Masse verwendet wurde.
Die Wärme der die Turbine durch- strömenden hocherhitzten Gase konnte schliess lich nur auf die Weise befriedigend aus genutzt werden, dass diese Gasse in der Tur bine in grossem Masse expandieren und sich demzufolge abkühlen konnten, damit diesel ben die Turbine mit einer verhältnismässig niedrigen Temperatur verlassen konnten. Dieser Umstand musste aber auch auf die an gewendete Höchsttemperatur zurückwirken, da in der Turbine eine hohe durchschnitt liche Temperatur, nebst einer niedrigen Aus trittstemperatur, nur bei einer sehr hohen Höchsttemperatur erreicht werden konnte.
Das Verfahren zeichnet sieh dadurch aus, dass das in die Turbine zwecks Arbeitsver richtung einzuführende Gas zuerst mit Hilfe eines mehrstufigen umlaufenden Kompres- sors höchstens auf das Achtfache seines An fangsdruckes verdichtet, darnach in einem durch die aus der Turbine austretenden Ab gase beheizten Wärmeaustanscher, in dem diese Abgase und das im Kompressor ver dichtete Gas abwechselnd den gleichen Arbeitsraum durchströmen,
auf mindestens 70 ö der höchsten Absoluttemperatur des Arbeitsprozesses erhitzt und schliesslich dem Arbeitsraum der Turbine zugeführt wird, und dass dieses Gas in der Turbine bei gleich zeitiger Wärmezufuhr der arbeitsleistenden Expansion unterworfen wird.
Das den Gegenstand der Erfindung bil dende Verfahren beseitigt die eingangs er wähnten Nachteile und ermöglicht die An wendung einer solchen Gasturbine, in wel cher der herrschende Höchstdruck und die Höchsttemperatur niedrig, dabei der Wir kungsgrad befriedigend und die Herstellungs kosten ermässigt sind.
Dies wird mit dem erfindungsgemässen Verfahren dadurch erreicht, dass: 1. zur Abkühlung der die Turbine ver lassenden Abgase und zur Vorwärmung der verdichteten Frischgase der genannte Wärme- austauscher verwendet wird. Bei einem der artigen Wärmeaustauscher findet die Wärme aufnahme und -abgabe abwechselnd an der selben Arbeitsfläche, unmittelbar mit sehr guter Wirksamkeit statt, so dass es nicht nötig ist, eine grosse Druckstufe zu verwen den.
2. das Frischgas im Wärmeaustauscher auf mindestens 70% der grössten Absolut temperatur des Arbeitsprozesses erhitzt wird. Hierdurch wird erreicht, dass die durch schnittliche Temperatur in der Turbine der zulässigen Höchsttemperatur am nächsten kommt, was mit Rücksicht auf den Wir kungsgrad günstig ist.
3. das Gas mit Hilfe eines mehrstufigen umlaufenden Kompressors höchstens auf das Achtfache seines Anfangsdruckes verdichtet wird.
Der Wärmeaustauscher besitzt hinsicht lich des Gesamtwirkungsgrades der Anlage eine sehr .grosse Wichtigkeit. Die Hitze- beständigkeit der Konstruktionsteile der Tur bine stellt mit Rücksicht auf die zulässige Höchsttemperatur eine gewisse obere Grenze fest, und der Wirkungsgrad ist natürlich um so besser,
je weniger die Temperatur des Austrittes aus dem Wärmeaustauscher und die durchschnittliche Temperatur des Arbeits- prozesses voneinander abweichen. Es ist des halb, wie unter 2.
erwähnt wurde, erfin dungsgemäss besonders wichtig, das Gas im Wärmeanstauscher wenigstens auf<B>70%</B> der Höchsttemperatur des Arbeitsprozesses, vor teilhafter jedoch auf einen von der Höchst temperatur noch weniger abweichenden Tem- peraturwert zu erhitzen.
Anderseits ist es im Zusammenhang mit dem hinsichtlich des Kompressors auch wichtig, dessen Arbeit klein zu halten. Aus diesem Grunde. da. die Kompression :im Kompressor immer mit ge wisser Temperatursteigerung verbunden ist, ist es in Übereinstimmung mit dem unter 1. und B. Gesagten vorteilhaft, das Kompres sionsverhältnis höchstens 8 zu wählen.
In dem Falle, dass während. der Kompression keine Kühlung angewendet wird, .ist es zweckmässig, bei noch kleinerem Druckver hältnis zu bleiben; so wird zum Beispiel der Wert 4 oder kleiner als 4 gut entsprechen. Falls Zwischenkühlung oder nach oder wäh rend der Kompression Wasserverdampfung gewendet wird, angewendet wird, kann das Druekver@ältnis grösser als 4 sein.
Wie oben unter 3, bereits hervorgehoben wurde, ist es für den Kompressor auch wich tig, eine hohe Durchströmungsgeschwindig keit für die Frischgase zuzulassen. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform wird dies bei dem mehrstufigen umlaufenden Verdichter ohne Verschlechterung des Wirkungsgrades und ohne besondere Mehrkosten am zweck mässigsten dadurch gesichert, dass der Kom pressor - ähnlich der Anordnung der Schaufelkränze der Dampfturbinen - so konstruiert wird, dass in ihm der mittlere Durchmesser irgend eines Schaufelkranzes mindestens angenähert das arithmetische Mittel der mittleren Durchmesser der un mittelbar benachbarten Schaufelkränze be trägt.
Dies hat zur Folge, dass im Kom pressor zufolge der Energieübermittlung im wesentlichen nur die in die Umlaufsrich tung fallende Komponente der Strömungs geschwindigkeit einer Änderung unterliegt, hingegen in einer durch die Kompressorwelle gelegten Ebene (Meridianschnitt) betrachtet, die Strömung ohne wesentliche Richtungs änderung vor sich geht, wodurch grosse Durchströmungsgeschwindigkeiten, praktisch verlustlos, ohne weiteres möglich sind.
Ein solcher Kompressor ist der rein achsial oder der rein radial durchströmte Kompressor (beim ersteren ist der für diese Kompressor type kennzeichnende mittlere Durchmesser irgend eines Schaufelkranzes praktisch dem Durchmesser der benachbarten Schaufel kränze gleich) ; es ist jedoch auch die Kom bination dieser Grenzfälle möglich, bei wel cher die Durchströmung zum Beispiel an einer Kegelfläche stattfindet. Im allgemeinen sind diese Kompressoren dadurch ausgezeichnet, dass die aufeinanderfolgenden Kränze wenig stens für einzelne Kranzgruppen, an Zonen des Kompressorläufers bezw. des Kompressor gehäuses befestigt sind, welche Rotations flächen mit vorteilhaft nur geringer Krüm mung darstellen.
In der Zeichnung sind zwei beispiels weise Ausführungsformen des Erfindungs- gegenstandes und das Verfahren erläuternde Figuren dargestellt.
Fig.la und 1b zeigen zusammen einen schematischen Schnitt eines Ausführungsbei spiels der Erfindung; Fig. 2 zeigt das Druckvolumdiagramm des Arbeitsprozesses dieses Beispiels; Fig. 3 zeigt das Wärmesteueruugs- diagramm des Wärmeaustauschers; Fig. 4 und 5 sind eine Ansicht und ein Schnitt des Wärmeaustauschers, und zwar eine Ansieht parallel zur Durchströmungs richtung und ein Schnitt senkrecht hierzu; schliesslich zeigt Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes.
Gemäss Fig. la, 1b ist der in den Lagern 3-3' gelagerte und mit Hilfe der Stopf büchsen 4--4' abgedichtete Läufer 5 der Tur bine, welcher die in mehreren Stufen an geordneten Turbinenschaufeln 6 trägt, im Turbinengehäuse 1 untergebracht. Im Ge häuse 1 sind feststehende :Schaufelkränze 7 zur Führung :der Gase vorgesehen. Die Gase treten in das Gehäuse 1 durch den Kanal 8 ein und verlassen es durch .den Kanal 9.
Brenner 10 dienen zur Einführung :des Brennstoffes bezw. der in Arbeit umzuwan delnden Wärme, und führen den Brennstoff bezw. die Wärme an mehreren Stellen un mittelbar zu :den strömenden Gasen zwischen den einzelnen Turbinenschaufeln ,in .die Tur bine ein. Eine Leitung 11 dient zur Füh rung des Brennstoffes, eine Leitung 12 :da gegen zur Führung der zur Verbrennung be nötigten komprimierten Luft.
Mit ,der Welle 1.3 des Turbinenläufers 5 ist die Welle 15 des Kompressorläufers 14 gekuppelt, welche Welle in den Lagern 16, 16' gelagert und in dem Kompressorgehäuse 17 mittels .der :Stopf- bÜchsen 18, 18' abgedichtet ist. Der Kom pressor ist ein achsial durchströmter Kom pressor.
Sein Läufer 14 besitzt die in meh reren Stufen angeordneten umlaufenden Schaufeln 19, und im Gehäuse 17 befinden sich die Leitsehaufeln 20, welche .in achsialer Richtung derart aufeinanderfolgen, dass der mittlere Durchmesser eines Schaufelkranzes wie bei einer Dampfturbine das arith metische Mittel der mittleren Durchmesser der zwei unmittelbar benachbarten (stehen den oder umlaufenden) Schaufelkränze be trägt, so dass die Durchströmung in achsialer Richtung ohne wesentliche Richtungsände rung vor sich geht.
Jede Hälfte des in Fig. 1a durch die Linie M-M angedeuteten Achsial schnittes einer zwischen den die Strömung des Arbeitsmittels in radialer Richtung be grenzenden Wänden gedachten mittleren Fläche verläuft wenigstens annähernd gerad linig. Das zu komprimierende Gas (Luft) tritt durch den Kanal 21 in den Kompressor hinein und verlässt denselben in komprimier tem Zustand durch den Kanal 22. Das kom primierte Gas gelangt nach Durchströmen der Leitung 23 und irgend einer der drei wärmeaustauschenden Einheiten 24', 24" und 24''' des Wärmeaustauschers durch Vermitt lung der Leitung 25 in die Turbine.
Der Leitung 23 schliessen sich die Ventilräume 26'. 26" und 26"' an, welche von den wärme austauschenden Einheiten des Wärmeaus- tauschers mit Hilfe der Ventile 27', 27" bezw. 27"' abgeschlossen sind, und falls irgend eines dieser Ventile geöffnet ist, kann das Gas in die entsprechende Austauscher einheit einströmen. An dieser Seite des Wärmeaustauschers sind auch die Ventile 28', 28" und 28"' vorgesehen, welche die Ventilräume 29', 29" und 29"' von den einzelnen Austauschereinheiten abschliessen; diese Räume stehen mit dem Kanal 30 in Verbindung. durch welchen sich die Abgase entfernen.
Die auf der andern Seite des Wärmeaustauschers vorgesehenen Ventile 31', 31" und 31"' schliessen die mit der Leitung 25 verbundenen Ventilräume 32', 32" bezw. 32"', von den Austauschereinheiten ab, wäh rend die Ventile 33', 33" und 33"' die mit der Leitung 34 verbundenen Ventilräume 35', 35" bezw. 35"' von den einzelnen Aus tauschereinheiten abschliessen. Die Arbeits räume der wärmeaustauschenden Einheiten 24', 24" und 24"' sind voneinander vollkom men abgesondert, so dass das Arbeitsmittel in jeden derselben nur durch die mit der glei- chen Strichzahl bezeichneten Ventile ge langen kann.
In diesem Ausführungsbeispiel sind sämt liche Ventile gesteuert, und zur Steuerung derselben dienen die an den Wellen 36 und 36' (Fig. 18) angeordneten Daumen. Diese Wellen sind mit Hilfe des Elektro motors 37 angetrieben; ihr Antrieb ist von einander nicht unabhängig, und die Kette 38 sichert die entsprechende gegenseitige Ein stellung der steuernden Daumen bezw. die entsprechende richtige Steuerung der Ven tile mit Hilfe der Kettenräder.
Die wärmeaustauschenden Einheiten 24', 24" und 24"' sind so beschaffen, dass die selben die Gase in beiden Richtungen (in den Richtungen der eingezeichneten Pfeile) durchlassen.
Die Wirkungeweise dieser Turbinen anlage ist mit Bezugnahme auf das Druck- volumdiagramm Fig. 2 die folgende: Das Arbeitsmittel, z. B. Luft, tritt bei absoluter Temperatur To und Druck po (Fig. 2) durch den Kanal 21 hindurch in das Kompressorgehäuse 17 hinein, wird an die ser Stelle durch den Läufer 14 verdichtet, wobei sein Druck bis p1 und seine Tempera tur bis T1 ansteigt. Diese Temperaturen sind absolute Temperaturen.
Es sei zum Beispiel po = 1, To = 293 abs., dann beträgt zum Beispiel bei p, = 4 atm. T1 = 440' abs. Hier ist also die untere Druckgrenze des Arbeitsprozesses gleich dem Atmosphären- druck, wobei die Luft aus der Atmosphäre in den Kanal 21 gesaugt wird.
Das kompri mierte Gas ,gelangt nachher durch die Kanäle 22, 28 in die Ventilräume 26', 26" und 2,6"' und strömt durch diejenigen der Ventile 27', 27" und 27"', welche gerade geöffnet sind, in die entsprechenden Aus- tauschereinheiten des Die Ventile des Wärmeaustauschers werden so gesteuert,
da.ss an beiden Seiten desselben gleichzeitig in der Weise gewisse Ventile geöffnet sind, dass die Gase entweder nach Durchströmung der Wärmeaustauscherein- heit aus der Leitung 23 in den Einströmungs- kanal 25 der Turbine strömen, oder nach Durchströmung der Wärmeaustauschereinheit in der der vorigen Strömungsrichtung ent gegengesetzten Richtung aus dem Austritts kanal 34 der Turbine in den Kanal 30 ge langen.
In Fig. 1b sind die Ventile 27' und 31' geöffnet, die Ventile 28' und 33' dagegen geschlossen, gleichzeitig sind auch die Ven tile 33" und 33"' und 28" und 28"' ge öffnet, die Ventile 31" und 31"', sowie 27" und 27"' dagegen geschlossen. In diesem Falle durchströmt das komprimierte Gas die Austauschereinheit 24' in der Richtung des Pfeils I und tritt durch die Kanäle 25 und 8 in das Turbinengehäuse 1 ein. Während des Durchströmens der Wärmeaustauschereinheit ändert sich der Gasdruck, von dem infolge der Reibung im Wärmeaustauscher ent stehenden kleinen Spannungsabfall abgesehen, nicht, hingegen steigt die Temperatur des Gases von T 1 abs. bis T 2 abs., z. B. von 440' abs. bis 660' abs., da das Gas von der Wärmeaustauschereinheit Wärme über nimmt. Während dieses Vorganges kühlt sich die Wärmeaustauschereinheit in gewissem Masse ab.
Durch die Zufuhr von Wärme mit Hilfe des ersten Brenners 10 wird die Temperatur des Gases, welche vordem Eintritt in die Tur bine mit der Temperatur T2 des aus dem Wärmeaustauscher austretenden Gases gleich ist, in der Turbine über diesen Wert, auf T3 (z. B. auf 750' abs.) erhöht (Fix. 2). Es ist jedoch möglich, und sogar mit Rücksicht auf den guten Wirkungsgrad auch zweckmässig, die vor dem ersten Schaufelkranz statt findende Wärmezufuhr vollkommen wegzu lassen, für welchen Fall T2 = T3 ist.
Mit Hilfe des Turbinenläufers wird dem Gas Arbeit entzogen, wodurch das Gas wäh rend des Durchströmens der Turbine von dem Druek p1 wieder auf den Druck p0 expan diert und die Temperatur T4 annimmt. Wäh rend dieser arbeitsleistenden Expansion des Gases wird demselben durch die zwischen den einzelnen Stufen angeordneten drei Brenner Wärme zugeführt. Im Interesse des guten Wirkungsgrades ist es zweckmässig, die Zu fuhr der frischen Wärme durch die regel baren Brenner allmählich in der Weise zu bewerkstelligen, d ass die Expansion der Gase in der Turbine nahezu isothermisch verläuft, in welchem Falle T3 = T4 ist. Dies kann durch die entsprechende Anordnung der Brenner 10 und durch die entsprechende.
Regulierung der durch die Brenner ein geführten Wärme erreicht werden. Falls also vordem ersten Schaufelkranz der Tur bine keine Wärmeeinführung stattfindet, kann auf diese Weise erreicht werden, dass die Temperatur T2 des Austrittes aus dem Wärmeaustauscher angenähert der Tempe ratur T4 des Austrittes aus der Turbine gleich ist.
Nach Austreten aus der Turbine durch die Kanäle 9 und 34 durchströmen die Ab- gasse bei der Stellung der Ventile gemäss Fig. 1b die Wärmeaustauschereinheiten 24", 24"' durch die geöffneten Ventile 33", 33"' in der Pfeilrichtung II, währenddessen ihr Druck, von dem zufolge der Reibung in den Wärmeaustauschereinheiten verursachten kleinen Druckabfall abgesehen, sich nicht ändert, ihre Temperatur jedoch von T4 auf T5 (z. B. im Falle von T4 = T3 von 750 abs.
auf 370 abs.) fällt, da sie den Wärmeaus- tauschereinheiten 24", 24"' Wärme über geben, wodurch diese Wärmeaustausoherein- heitenallmählich erwärmt werden. Durch die Ventile<B>28",</B> r8"' gelangen die Gase .in den Kanal 30 und treten schliesslich mit der Temperatur T, aus der Anlage aus.
Falls der Wirkungsgraddes Kompressors und der :der Turbine nicht berücksichtigt wird, wird der Arbeitsbedarf des Kompres sors durch die Fläche po, <I>To, T</I> il p,, die Arbeitsleistung der Turbine dagegen durch ,die Fläche p1, T3, T4, podargestellt. Die nützliche Arbeit der ganzen Anlage wird durch die Differenz der beiden Flächen be stimme.
Damit diese Differenz :gross genug sein kann, ist es sehr wichtig, dass sowohl die Turbine, als auch .der Kompressor einen möglichst .guten Wirkungsgrad besitzen. Aus der letzteren Hinsicht, aber auch mit Rück- sieht auf die Beschaffungskosten der Anlage ist der Erkenntnis eine entscheidende Wich tigkeit beizumessen, dass diesem Zwecke am besten der beschriebene, umlaufende, mehr stufige Kompressor entspricht, in welchem die Strömungsrichtung der Gase, von den zur Energieübermittlung erforderlichen tangen tialen Richtungsänderungen abgesehen, ge radlinig oder wenigstens angenähert gerad linig ist,
da bei solchen Richtungsänderungen überflüssige Ablenkungsverluste in den durch die Kompressorwelle gelegten Schnitten nicht auftreten und selbst bei hohen Durchströ mungsgeschwindigkeiten ein günstiger Wir kungsgrad erreicht werden kann.
Die wärmeaustauschenden Einheiten küh len sich ab, falls das Gas sie in der Rich tung des Pfeils I durchströmt, da sie das Gas erwärmen, dagegen werden sie erhitzt, falls die Gasströmung in der Richtung II stattfindet, indem sie die abzuführenden Gase abkühlen. Aus diesem Grunde sind die wärmeaustauschenden Einheiten des Wärme- austauschers bis zu einer gewissen Zeit zur Erwärmung des komprimierten Gases vor den Eintritt in die Turbine, dann eine ge wisse Zeit zur Abkühlung der Abgase hinter den Austritt der Turbine geschaltet.
In die sen zwei Phasen findet die Durchströmung der wärmeaustauschenden Einheiten in ein ander entgegengesetzten Richtungen (Gegen- stromaustauscher) statt. Der Wärmeaus- tauscher besteht aus drei wärmeaustauschen- den Einheiten 24', 24", 24 "'; die Steuerung der Ventile derselben ist einzeln im Dia gramm der Fig. 3 gezeigt, wo die Abszisse die Zeit und die Ordinaten (die von der Abszissenachse aufgetragenen Masse h) in einem gewissen Massstab die Öffnungen der einzelnen Ventile darstellen.
Wegen der Stetigkeit der Durchströmung wenden min- destens zwei wärmeaustauschende Einheiten benötigt. Wenn zwei Einheiten da sind, wird jede abwechselnd eine Zeitlang vor dem Ein tritt und dann hinter dem Austritt aus der Turbine geschaltet. Beim Beispiel gemäss Fig. 1a, 1b sind zwei von den dargestellten drei Einheiten 24', 24", 24"' (z. B. die Ein- heiten 24", 24"') ständig hinter die Tur bine und die jeweilige dritte Einheit 24' vor die Turbine geschaltet.
Es ist im all gemeinen, wenn mehr als zwei Einheiten da sind, wichtig, immer eine grössere Anzahl von Einheiten hinter, als vor die Turbine zu schalten, da in diesem Falle der aus dem Reibungswiderstand des Wärmeaustauschers entstehende Spannungsabfall kleiner ist. Der Wärmeaustauscher könnte im allgemeinen auch statt aus drei aus einer beliebigen An zahl von Einheiten bestehen, deren Steue- rung nicht nur mit Hilfe von Ventilen, son dern auch auf andere Weise, z.
B. mittels Schiebern, oder teils mit Hilfe von auto- matischen Ventilen bewerkstelligt werden könnte.
Wenn eine wärmeaustauschende Einheit bereits längere Zeit ununterbrochen in der selben Richtung durchströmt worden ist, so tritt infolge der merklichen Abkühlung bezw. Erwärmung der Einheit eine Verschlechte- rung des Gesamtwirkungsgrades ein, so dass es zweckmässig ist, die Strömungsrichtung der Einheit nach einer nicht zu grossen Zeit spanne zu wechseln. Es bedeutet in Fig.3 T die Zeitdauer einer vollen Betriebsperiode.
nach deren Ablauf die Einheiten des Aus- tauschers wieder in derselben Phase sind. In der Fig. 3 sind - übereinander gezeich net - drei Diagramme (für jede wärmeaus tauschende Einheit je ein Diagramm) ersicht lich und sind die Hübe der Ventile, welche das frische Arbeitsmittel durch den Wärme- austauscher durchlassen, mit voller Linie, die Hübe der Ventile dagegen, welche die Ab gase der Turbine durch den Wärmeaus tauscher durchlassen,
mit gestrichelter Linie dargestellt. Jederzeit sind ein Ventil der ersteren Art und die zugehörige wärmeaus tauschende Einheit, und die Ventile der letz teren Art und die übrigen zwei zugehörigen wärmeaustauschenden Einheiten geöffnet. Das Mass der Temperaturänderung ist bei dem Austauscher des Beispiels von der Zeit dauer T abhängig und ist bei einem grösseren Wert derselben grösser.
Wenn eine wärme- austauschende Einheit von der Durchströ- mung in einer Richtung auf die Durch strömung in der entgegengesetzten Richtung umgeschaltet wird, tritt in derselben auch eine Druckänderung ein, da die Einheit bei der Durchströmung in der einen Richtung vor die Turbine, bei der Durchströmung in der andern Richtung dagegen hinter die Tur bine geschaltet ist. Die mit dieser Druck änderung verbundene Auffüllung bezw. Ent leerung der Einheiten verursacht einen Arbeitsverlust, welcher bei einem gegebenen Austauscher um so grösser ist, je öfter die Umschaltung der Einheiten stattfindet.
Der wegen der Temperaturänderung der Ele mente entstehende Verlust ändert sich hin g o egen mit der Zeitdauer der Umschaltung in entgegengesetztem Sinne, ist also bei öfters stattfindenden Umschaltungen kleiner. Um einen guten Wirkungsgrad zu erreichen, ist es zweckmässig, die Zeitdauer einer Um schaltung so zu wählen, dass die erwähnten zwei Verluste angenähert die gleiche Grösse haben.
Damit der wegen der Temperaturände rung entstehende Verlust des Wärmespei chers nicht zu gross wird, ist es zweckmässig, die dargestellten Einheiten mit kleiner Tem peraturschwankung, das heisst mit genügen der Wärmekapazität auszuführen und die Zeitdauer der Umschaltungen dementspre chend zu wählen. So kann zum Beispiel die Wärmekapazität der Einheiten so gewählt werden, dass die Temperaturänderung zwi schen zwei Umschaltungen kleiner als 50'C ist, was zwecks Sicherung eines guten Wir- kungsgrades gleichfalls wesentlich ist.
Zur Erniedrigung der mit der Auffüllung verbundenen Verluste und auch im Interesse der Billigkeit sind die Wärmeaustauscher- einheiten gemäss Fig. 4 und 5 so hergestellt, dass sie nur einen kleinen Luftrauminhalt be sitzen. Gemäss Fig. 4 und 5 besteht jede Wärmeaustauschereinheit aus den parallel zur Strömungsrichtung gerichteten Metall bändern 40, z. B. aus Stahl oder Eisen, wel che voneinander mit den stellenweise an gebrachten Einlagen 41 in bestimmten Ab ständen gehalten sind.
Die Bänder sind, damit sie ihre Abstände zwischen den Ein lagen nicht vergrössern bezw. verringern kön nen, mit (in Fig. 1b nicht ersichtlichen) wellen förmigen Einpressungen 42 versehen, welche sich an die an beiden Seiten des gewellten Bandes angeordneten flachen Bänder 43 an- 'legen. Zwischen den Bändern strömen die Gase in der in Fig. 4 eingezeichneten Pfeil richtung durch. Die von den Bändern 40 und 43 gebildeten Kanäle weisen eine in Fig.5 durch Pfeile angedeutete Höhe auf, die nicht grösser als 2 mm ist.
In der Strömungsrichtung haben die Bän der geringe Abmessungen (Abmessungen kleiner als 20 mm), wodurch zwischen den in dieser Weise angeordneten Bandschichten (Stufen) dünne, senkrecht zur Strömungs richtung stehende Luftspalten 40' entstehen. Diese Luftspalten wirken in der Strömungs richtung wärmeisolierend, wobei zwischen je zwei Stufen eine solche Spalte angeordnet ist. Da jede Wärmeaustauschereinheit in der Strömungsrichtung wegen der Luftspalte die Wärme nicht fortleiten kann, kann zwischen den beiden Enden des Wärmeaustauschers eine bedeutende Temperaturdifferenz ent stehen.
Die in der Strömungsrichtung ge- messene Entfernung der Stufen voneinander ist nicht grösser als 20 mm. An der einen Seite des Wärmeaustauschers treten immer die frisch komprimierten Gase ein, welche dem Wärmespeicher Wärme entziehen, aus welchem Grunde diese Seite des Wärmeaus tauschers kälter sein wird als die andere Seite, wo die aus der Turbine austretenden und ,
dem Wärmeaustauscher Wärme über gebenden Abgase eintreten. Zwischen den beiden Enden des Wärmeaustausehers ändert sich die Temperatur stufenweise. Mit Hilfe des dargestellten Wärmeaustausohers, der ein sogenannter Gegenstrom-Wärmeaustauscher ist, kann das frisch komprimierte Gas mit geringen Verlusten erwärmt werden,
was mit Rücksicht auf den Gesamtwirkungsgrad der Turbine wichtig ist. Es ist vorteilhaft, in dem Wärmeaustauscher viele (z. B. mehr als 30) der genannten Stufen zu verwenden.
Die Forderung, die Temperatur T= des den Wärmeaustauscher verlassenden frischen Arbeitsmittels angenähert der grössten Ab soluttemperatur T, des Arbeitsprozesses gleich zu machen, bringt auch mit sich, dass die Temperatur T5 (Fix. 2) nahezu mit der Tem peratur T1 übereinstimmt. Aus diesem Grunde ist die in den den Wärmeaustauscher verlassenden Gasen enthaltene Wärmemenge gering und von den Druckverhältnissen nahezu unabhängig.
Hinsichtlich des Wir kungsgrades ist es also auch aus diesem Grunde nicht notwendig, das Druckverhältnis p1 : po hoch zu wählen; es ist sogar zweck mässig, dasselbe auf dem bereits erwähnten niedrigen Wert zu halten, wodurch auch sonst grosse Fabrikations-, Konstruktions- und Betriebsvorteile erzielt werden und die Her stellung verbilligt wird. Nach dem Beispiel ist T, = 660' C und T3 = 750' C, wobei also T2 grösser als 70 % von T3 ist.
Die Temperatur T2 des Frischgases ist am Austritt aus dem Wärmeaustauscher kleiner als die Temperatur T4 des Abgases am Eintritt in denselben. Damit die vor erwähnte Bedingung verwirklicht werden kann, ist es notwendig, die Temperaturdiffe renz T4-T2, welche dem Verlust des Wärme- austauschers proportional ist, klein zu halten, ferner die in der Turbine herrschende Höchst temperatur Tmax (gemäss Fig. 2 Tmax = T@ oder falls vor dem Eintritt in die Turbine keine Verbrennung stattfindet, Tmax=T3=T2) so zu wählen, dass dieselbe von der Tempe ratur T4 nicht sehr abweicht.
Um die Tem peraturdifferenz T4-T2 klein zu halten, ist der Wärmeaustauscher mit einer entspre chend grossen wärmeübertragenden Ober fläche zu versehen und ist dafür zu sorgen, dass derselbe viele Stufen besitzt.
Die in der Turbine auftretende Höchst temperatur T3 kann durch die Regelung der Einführung der frischen Wärme beherrscht werden. So ist zum Beispiel bei der vorteil haften isothermischen Expansion Tmax = T4.
Während der Durcbströmung des Wärme- austauschers nimmt der Gasdruck der Grösse der Reibung entsprechend ab. Bei sehr grossen Strömungsgeschwindigkeiten können aus der Reibung bedeutende Verluste entstehen, aus welchem Grunde es nicht ratsam ist, die Ge schwindigkeit übermässig zu steigern, sondern zweckmässig ist, dieselbe in beiden Strö mungsrichtungen unter dem Wert 20 m/sec. zu halten.
Ein sehr grosser Vorteil der beschriebenen Gasturbinenanlage ist, dass dieselbe besonders infolge des guten Wirkungsgrades des Kom pressors bereits bei verhältnismässig niedriger Höchsttemperatur einen sehr guten Wir kungsgrad gibt. Dies ist besonders hinsicht lich der Betriebssicherheit, das Preises und der Dauerhaftigkeit der Turbine wichtig.
So kann zum Beispiel bereits ein sehr .guter thermischer Wirkungsgrad erreicht werden, wenn die durchschnittliche Temperatur des Arbeitsmittels im Arbeitsprozess den Wert von 450C C nicht überschreitet.
Bei höherer Temperatur verbessert sich der Wirkungs grad noch mehr, es ist jedoch nicht zweck mässig, mit der Temperatur höher zu gehen als es für die Baustoffe der Turbine noch verträglich ist. Aus diesem Grunde ist es ratsam,
die mittlere Temperatur des Arbeits mittels im Arbeitsprozess unter<B>600'</B> C zu halten.
Sehr einfach wird diese Anlage dadurch, dass die untere Druckgrenze p" der Atmo sphärendruck ist. In diesem Falle kann das Ausströmen der Abgase durch den Kanal 30 in die Umgebung stattfinden, so dass die Ver lustwärme mit den Gasen entweicht und kein Kühlwasser benötigt wird;
ferner ist wegen der niedrigen Druckstufe such der grösste Überdruck sehr niedrig, wodurch eine sehr billige Konstruktion erhalten wird. Die obere Druckgrenze des Arbeitsprozesses p, ist ,gleich dem Enddruck des Gases im Kom pressor.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 ist der Anfangsdruck p" des in den Kompressor 44 einströmenden Gases höher als der Atmo sphärendruck.
Der Kompressor ist hier gleich beschaffen wie der des ersten Beispiels. Das Gas gelangt -durch den Kanal 45 in den Kompressor und verlässt denselben durch den Kanal 46 mit erhöhtem Druck, durchströmt den schematisch dargestellten Wärmeaus- tauscher 47 und gelangt durch den Kanal 48 in die Turbine 49, wo es bei gleichzeitiger Einführung frischer Wärme Arbeit ver richtet, auf den Enddruck expandiert und aus der Turbine durch den Kanal 50 aus tritt.
Darnach durchströmt das expandierte Gas den Wärmeaustauscher 47 in entgegen gesetzter Richtung als im vorigen Falle und gelangt durch den Kanal 51 in den Kühler 52, wo es unter der Wirkung des in den Röhren 53 strömenden Kühlmittels von der Temperatur T5 auf T0 abgekühlt wird, und schliesslich tritt es in den Kompressor wie der ein. Wegen der in der Turbine statt findenden Verbrennung russ der Sauerstoff gehalt des Arbeitsmittels erneuert werden, aus welchem Grunde ein Teil der Abgase vor dem Wärmeaustauscher 47 durch den punktiert gezeichneten Kanal 54 in eine Hilfsturbine 56 abgeleitet wird, wo diese Gasmenge auf den Atmosphärendruck expan diert und durch die Röhre 57 ins Freie ent weicht.
Die Turbine 56 treibt einen Kom pressor 58 an, in welchen eine Luftmenge, die der aus dem Arbeitsprozess entweichen den Gasmenge bleich ist, eingeführt und hier auf den Druck p0 vorkomprimiert wird, und darnach durch die Röhre 59, den Kühler 60 und durch die Röhre 62 der Niederdruck leitung der Hauptanlage zugeführt wird. Die Luft könnte auch durch die Leitung 61 der Niederdruckleitung zugeführt werden. Die Wirkungsweise dieser gemäss dem sogenann ten Überdruckverfahren arbeitenden Anlage stimmt im übrigen ungefähr mit jener der in Fig. ja, 1b dargestellten Anlage überein.
Die Zufuhr des zur innern Verbrennung nötigen frischen Sauerstoffes kann anstatt in dem Niederdruckteil auch unmittelbar in die Turbine selbst stattfinden. Gemäss der hier für gleichfalls in der Fig.6 angegebenen Alternativlösung führt in diesem Falle der die Frischluft liefernde Kompressor 65 die zusätzliche Luftmenge durch die Leitung 66 und den Wärmeaustauscher 67 hindurch den Brennern 64 zu.
Die den Kompressor 65 antreibende Hilfsturbine 68 wird mit Hilfe der von der Leitung 48 abgezweigten Lei tung 69 gespeist; vor dieser Hilfsturbine geben die antreibenden Gase, welche in der Hilfsturbine bis zum Atmosphärendruck ent spannt werden, ihre überschüssige Wärme zur Vorwärmung der vorkomprimierten Frischluft im Wärmeaustauscher 67 ab.
Es kann auch möglich sein, dass die Lei stung der Hilfsturbine zum Antrieb des Kom- pressors nicht ausreicht. In einem solchen Falle kann .der Leistungsmangel durch einen sonstigen äussern Antrieb ersetzt werden oder die Leistung dieser Turbine dadurch erhöht werden, dass in derselben eine innere Ver brennung angewendet wird. Die hierzu nötige Frischluft kann durch die Leitung 70 zugeführt werden.
Hinsichtlich des Gesamtwirkungsgrades der Turbinenanlage ist .es vorteilhaft, die Luft im Kompressor während der Kompres sion zu kühlen. Dies kann am einfachsten. mittels Wassereinspritzung oder mit Hilfe einer Zwischenkühlung .stattfinden und kann sowohl bei Turbinen des atmosphärischen. <B>e</B> als auch bei Turbinen .des Überdruck systems verwendet werden. Zur Einführung des nötigen Kühlwassers dient das Rohr system 63.
Es ist möglich, bei der in der Fig. 1 oder 6 dargestellten Anlage die Druckleitung 22 bezw. 46 des Kompressors mit einer An zapfung zu versehen und hierdurch kompri miertes Gas abzuleiten, welches sowohl für den Antrieb einer Turbine, als auch für andere Zwecke verwendet werden kann. Es ist zweckmässig, die den hohen Temperaturen ausgesetzten Teile der Anlage ,gegen Wärme verluste mit Wärmeisolation zu versehen. Bei denjenigen Teilen, bei denen (z.
B. bei den Wä@rmeaustauschern) der Druck nicht kon stant ist, ist es vorteilhaft, ein einen kleinen Luftrauminhalt besitzendes, nicht poröses Isoliermittel zu verwenden.
Bei den dargestellten Anlagen kann die Turbine gemäss jedem beliebigen System aus geführt werden.
Es sind ausserdem in jedem :dem drei Hauptteile (Turbine, Austauseher, Kompres- sor) zahlreiche Abweichungen möglich. An Stelle des dargestellten Kompressors könnte zum Beispiel ein Kompressor verwendet wer den, der zwei in entgegengesetzten Richtun gen umlaufende Läufer besitzt, in welchem Falle die gemäss Fig. 1a im Kompressor gehäuse befestigten Leitschaufeln sich ent gegengesetzt zum Läuferdrehen.
DerWärme- austauscher kann auch aus porösem, die Wärme nicht oder nur wenig leitendem Stoff hergestellt sein, in welchem Falle er nicht lamelliert werden muss. Sehr einfache und billige Wärmeaustauscher können erhal ten werden, wenn Drahtgewebe, Netze usw. aufeinandergelegt und senkrecht zur Schicht ebene durchströmt werden. Der in Fig.1b dargestellte, vor dem Eintritt in die erste Turbinenstufe angeordnete Brenner kann ge gebenenfalls weggelassen werden.
Es könnten auch nur vor den Druck stufen Brenner vorgesehen sein, die eine sol ehe Brennstoffmenge zuführen, dass auch in der Turbine zwischen den Stufen noch nach träglich Brennstoff verbrennt, derart, dass eine isothermische Expansion stattfindet.