Wärmekraftanlage. Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmekraftanlage, bei der die Nutzarbeit durch mindestens eine Gasturbine geleistet wird und zur raschen Anpassung an Er höhungen der Belastung mindestens eine von einer separaten Energiequelle versorgte Hilfs maschine vorgesehen ist und besteht darin, dass die Hilfsmaschine mit,der die Nutzarbeit leistenden Gasturbine gekuppelt ist.
Die Hilfsmaschine kann als Dampf turbine ausgebildet sein. Zusätzlich kann auch ein die Treibgase bezw. die Verbren nungsluft verdichtender Verdichter, der zum Beispiel von einer Turbine angetrieben wird, zur Beschleunigung seiner Drehzahl bezw. zur Erhöhung seiner Förderleistung mit einer als Turbine ausgebildeten Hilfs maschine gekuppelt sein.
Zweckmässig wird der Abdampf der Hilfsturbine in einen Kon densator geführt. Dadurch entsteht die 1LTöglichkeit, bei Nichtbeaufschlagen der Hilfsturbine deren Rotor im Unterdruck des Kondensators laufen lassen zu können, wenn den Stopfbüchsen der Hilfsturbine Sperr dampf zugeführt wird. Zweckmässig erfolgt die Regelung der Hilfsturbine nach Massgabe des Unterschiedes zwischen dem Sollwert und dem tatsächlich zugeführten Wert der für den Gaserhitzer der Anlage bestimmten Brennstoffmenge. Zweckmässig wird die Hilfsturbine von einem Dampferzeuger der Wärmekraftanlage mit Dampf beliefert.
Der Dampferzeuger kann durch einen Speicher gebildet sein, der mit einem Heiz körper der Wärmekraftanlage, z. B. einem im Verbrennungsraum des Gaserhitzers an geordneten Heizkörper, im Kreislauf steht.
Zwei Beispiele des Erfindungsgegenstan des sind auf der Zeichnung vereinfacht dar gestellt.
Fig. 1 zeigt eine Wärmekraftanlage nach der Erfindung, bei der die Treibgase di-e An lage einmal durchströmen; Fig. 2 zeigt ein anderes Beispiel, bei dem ein Teil der Treibgase einen Kreislauf unter Überdruck ausführt; Fig. 3 veranschaulicht einen Speicher, wie er in den Anlagen nach Fig. 1 und 2 Anwendung finden kann.
Der Kreiselverdichter 1 (Fig. 1) saugt durch die Leitung 2 Luft an, verdichtet sie und fördert sie durch die Leitung 3 in den Verbrennungsraum 4 eines Gaserhitzers. Die bei der Verbrennung entstehenden Treibgase strömen zum Teil durch eine Leitung 5 in die Gasturbine 6, welche den Stromerzeuger 7 antreibt und damit. Nutzarbeit leistet. Die Abgase dieser Turbine gelangen durch die Leitung 8 ins Freie. Ein anderer Teil der Treibgase strömt durch die Leitung 9 aus dem Verbrennungsraum 4 in die Turbine 10 und gelangt nach Arbeitsleistung durch die Leitung 11 ins Freie. Die Turbine 1.0 treibt den Verdichter 1.
Die die Nutzarbeit leistende Gasturbine 6 ist mit einer als Dampfturbine ausgebil deten Hilfsmaschine 12 gekuppelt. Weiter ist auch der Verdichter 1 für die Verbrennungs luft mit einer als Turbine ausgebildeten Hilfsmaschine. 13 gekuppelt.
Ein Dampfspeicher 14 versorgt bei raschen Belastungssteigerungen die Hilfs turbinen 12 und 13 über die Leitung 15 mit Dampf. Der Abdampf der beiden Maschinen gelangt durch die Leitung 16 in den Konden sator 17. Eine Pumpe 18 fördert das Konden sat wieder in den Dampfspeicher 14 zurück.
Der Speicher 14 liegt mit dem im Ver brennungsraum 4 angeordneten Heizkörper 19 über die Leitungen 20 und 21 im Kreis lauf. Eine Pumpe 22 entnimmt dem Speicher Wasser und fördert es in den von dem Treibgas des Verbrennungsraumes 4 beheiz ten Heizkörper 19, aus welchem es in erhitz tem und unter Umständen teilweise ver dampftem Zustand wieder in den Speicher 14 zurückgelangt.
Die Welle des Maschinenaggregates 6, 7, 1.2 treibt einen Drehzahlregler 23, diejenige des Maschinenaggregates 1, 10, 13 einen Drehzahlregler 24. Der Drehzahlregler 23 beeinflusst das Regelorgan 25 in der Dampf leitung 15, so dass bei fallender Drehzahl bezw. fallender Hülse der Durchströmduer- schnitt vergrössert. und bei steigender Dreh zahl bezw. steigender Hülse der Querschnitt verkleinert wird.
Ferner wird durch den Drehzahlregler 23 mittels Übertragung durch das Gestänge 26, 27 und 28 der Steuer schieber 29 des Servomotors 30 beeinflusst. Der Kolben 31 wird bei steigender Drehzahl angehoben und bei sinkender Drehzahl nach unten gedrückt. Der Drehzahlregler 24 beein flusst über das Gestänge 32 den Steuerschie fer 33 des Servomotors 34. Der Kolben 35 wird bei steigender Drehzahl nach unten ge drückt und bei fallender Drehzahl angehoben.
Mit dem Kolben 31 des Servomotors 30 ist eine Kurvenscheibe 36 über einen Hebel 37 verbunden. Mit dem Hebel 37 steht wiederum über das Gestänge 38 das Regel organ 39 der Brennstoffleitung 40 in Ver bindung. Dein Brenner 41 des Brennraumes 4 wird durch diese Verbindung bei steigender Last mehr Brennstoff, bei sinkender Last aber weniger Brennstoff zugeführt. Der Kol ben 35 ist über den Hebel 42 mit einer Kur venscheibe 43 verbunden. Auf den beiden Kurvenscheiben 36 und 43 rollen die beiden Enden des Hebels 44, der über einen Hebel 4:5 und ein Gestänge 46 mit dem Steuer schieber 47 des Servomotors 48 in Verbin dung steht.
Der Kolben 49 des Servomotors 48 beeinflusst das Regelorgan 50 in der Dampfleitung 15 derart, dass die Hilfsturbi nen 12 und 13 Dampf zugeführt erhalten, wenn der Sollwert der für den Brennraum 4 des Gaserhitzers notwendigen Brennstoff- inenge grösser ist als die augenblicklich dem Brennraum zugeführte Brennstoffmenge. Zu grosse Regelausschläge werden durch die An schläge 98 und 99 vermieden.
Steigt die Belastung des Stromerzeugers 7 langsam, so wird durch den Regler 23 durch entsprechend langsame Beeinflussung des Organes 39 in der Brennstoffleitung 40 dem Brenner 41 allmählich mehr Brennstoff zugeführt, so dass die Drehzahl des Maschi nenaggregates 6, 7, 12 durch die vermehrte Treibgaserzeugung innerhalb des zulässigen Ungleichförmigkeitsgrades aufrecht erhalten bleibt. Entsprechend der vermehrten Treib gaserzeugung steigt die Drehzahl des Ma schinenaggregates 1, 10, 13, wodurch ein Sinken des Servomotorkolbens 35 eingeleitet wird.
Bei diesem Regelvorgang sinken so wohl die Kurvenscheibe 36 als auch die Kur venscheibe 43 ungefähr gleichzeitig nach unten, so dass am Gelenkpunkt zwischen den Hebeln 44 und 45 keine nennenswerte Ver schiebung entsteht und deshalb das Regel organ 50 in der Dampfleitung 15 nach wie vor geschlossen bleibt. Die Hilfsturbinen 12 und 13 erhalten also bei langsamem Anstieg der Belastung keinen Dampf zugeführt.
Steigt die Belastung des Stromerzeugers rasch, so erfolgt ein stärkeres Absinken der Drehzahl, so dass das Regelorgan 25 in der Dampfleitung 15 zunächst geöffnet wird. Gleichzeitig wird auch der Kolben 31 des Servomotors 30 rasch nach unten gedrückt. Ein zu grosser Ausschlag wird aber durch die Anschläge 98 und 99 verhindert. Dem Brenner 41 wird dann eine im zulässigen Mass vermehrte Brennstoffmenge zugeleitet. Mit Hilfe der Kurvenscheibe 36 wird über die Hebel 44 und 45 und das Gestänge 46 der Steuerschieber 47 angehoben, so dass der Steuerschieber 49 nach unten gedrückt wird und damit das. Organ 50 in der Dampf leitung öffnet. Dadurch erhalten sowohl die Hilfsturbine 12 als auch die Hilfsturbine 13 Dampf zugeführt.
Die Hilfsturbine 12 unter stützt die Gasturbine 6, so dass die rasch ver grösserte Belastung des Stromerzeugers ohne unzulässigen Drehzahlabfall aufgenommen werden kann. Durch die Hilfsturbine 13 wird gleichzeitig der Verdichter 1 beschleunigt, so dass zur Verbrennung der vermehrten Brennstoffmenge eine vermehrte Luftmenge zur Verfügung steht.
Das, Ansteigen der Drehzahl des Maschinenaggregates 1, 10, 13 verursacht ein Sinken des Kolbens 35, so dass über die Kurvenscheibe 43 die Hebel 44 und 45 und das Gestänge 46 nach Massgabe des neuen, sich nunmehr einstellenden Gleich- gewichtes die Dampfzufuhr zu den Hilfs turbinen 12 und 13 durch Abdrosseln des Regelorganes 50 wieder vermindert wird. Bei Erreichung des neuen Gleichgewichts- zustandes ist das Organ 50 vollständig ge schlossen.
Bei der Wärmekraftanlage nach Fig. 2 wird dem Verdichter 1 durch die Leitun gen 51 und 52 Luft zugeführt, die im ver dichteten Zustand durch die Leitung 53, den Rekuperator 54 und die Leitung 55 in einen ersten Erhitzer 56 gelangt. Um die Verdich tung der Luft mit gutem Wirkungsgrad durchführen zu können, ist ein Zwischen kühler 57 an den Verdichter 1 angeschlossen.
Im Erhitzer 56 wird die Luft in zwei Teile aufgeteilt. Ein erster Teil dient als Verbrennungsluft für den Brenner 58, ein zweiter Teil gelangt in den Mantel 59. Die im Verbrennungsraum 60 entstehenden Ver brennungsgase stehen in den Erhitzerrohren 61 im Wärmeaustausch mit der in den Man tel 59 geführten Luft. Die Verbrennungsgase gelangen durch die Leitung 62 in eine Gas turbine 63, während die erhitzte Luft zum Antrieb der Gasturbine 10 verwendet wird.
Die Abluft der Gasturbine 10 strömt durch die Leitung 64 in einen zweiten Er hitzer 65. Gleichzeitig wird der Gasturbine 63 eine Teilmenge der noch einen erhebli chen Anteil an Sauerstoff enthaltenden Gase durch die Leitung 66 entnommen und eben falls in den Erhitzer 65 geleitet. Der Sauer stoff der Gase wird im Verbrennungsraum 67 zur Verbrennung des dem Brenner 68 zugeführten Brennstoffes ausgenützt. Die entstehenden Verbrennungsgase strömen in die Heizrohre 69 und erhitzen dadurch die in den Mantel 70 geführte Abluft der Gas turbine 10.
Die wieder erhitzte Luft gelangt in die die Nutzarbeit leistende Gasturbine 6, während die Verbrennungsgase durch die Leitung 71 wieder in die Gasturbine 63 zu rückgelangen. Die Abluft der Turbine 6 strömt durch die Leitung 72 in den Rekupe- rator 73 und von hier durch die Leitung 74 über den Kühler 75 wieder in den Verdich ter 1. Die Abgase der Gasturbine 63 werden durch die Leitung 76 in den Rekuperator 54 geleitet und strömen dann durch die Leitung 77 in die Gasturbine 78, aus der sie durch die Leitung 79 ins Freie entweichen.
Die durch die Leitung 72 ankommende Heissluft und die durch die Leitung 77 zugeführten heissen Verbrennungsgase werden in den Re kuperatoren 54 und 73 zur Vorerhitzung der aus dem Verdichter 1 nach dem Erhitzer 56 geführten Luft verwendet, Die Gasl:urbine 6 leistet Nutzarbeit durch. Antreiben des Stromerzeugers- 7, auf deren gemeinsamer Welle eine Hilfsdampfturbine 12 sitzt. Die Gasturbine 63 ist mit Hilfe des Getriebes 811 mit der Gasturbine 10 gekup pelt, -elche den Verdichter 1. antreibt.
Die Gasturbine 78 treibt einen Vorverdiehter 81 an, der durch die Leitung 82 Luft ansaugt. und diese in verdichtetem und durch den Zwischenkühler 83 und den Endkühler 84 gekühltem Zustand über die Leitung 52 dem Hauptverdichter 1 zuführt. Mit der gemein samen Welle der Gasturbine 78 und des Ver dichters 81 ist eine Hilfsturbine. 13 gekup pelt. Ein weiterer Hilfsmotor 85 kann zur Inbetriebsetzung der Anlage dienen.
Die beiden im Dampfstrom hinterein ander geschalteten Hilfsda.mpfturbinen 12 und 13 erhalten aus dem Speicher 14 über die Leitungen 15 und 86 Dampf zugeführt, der nach Arbeitsleistung durch die Leitung 16 in den Kondensator 17 gelangt. Das Kon densat wird - dem Kondensator durch die Pumpe 18 entnommen und wieder in den Speicher 1.4 zurückgeführt. Zur Entlüftung bezw. Evakuierung ist eine Strahlpumpe 87 vorgesehen, welche mittels des unter Druck eingeführten Kühlwassers die im Kondensa tor 17 sieh ansammelnde Luft absangt.
Zur Beheizung des Speicherinhaltes wird mittels der Pumpe 22 über die Leitung 20 dem Heizkörper 19 Dampf zugeführt, der in überhitztem Zustand über die Leitung 21 wieder in den Wasserinhalt des Speichers 14 eingeleitet wird. Durch eine Leitung 88 wird den Stopfbüchsen 89 der Hilfsdampfturbinen 1.22 und 13 Sperrdampf zugeführt, so dass keine Luft durch die Stopfbüchsen in die Gehäuse der Turbinen l.2 und 13 eindringen kann.
Es ist damit möglich, die Rotoren der Turbinen 12 und 13 auch dann im Unter- druck laufen lassen zu können, wenn die Tur binen nicht durch Dampf beaufsehlagt sind.
Zur Regelung des Betriebes der Anlage ist ein Fliehkraftregler 23 und ein Druck regler 90 vorgesehen. Die beiden Regler be einflussen das Regelorgan 39 in der Brenn stoffleitung 40, und zwar so, dass bei sinken- der Drehzahl oder steigendem Druck die Brennstoffmenge vergrössert und umgekehrt bei steigender Drehzahl oder sinkendem Druck die Brennstoffmenge verkleinert wird. Der Regler 23 beeinflusst über den Hebel 91 das Crestänge 92 und den Hebel 93 und ferner über das Gestänge 94, 95 und 96 auch das Regelorgan 50 in der Dampfleitung 15.
Wächst die Belastung des Stromerzeu gers, so sinkt zunächst die Drehzahl des 3laschinenaggregates 6, 7, 12, wodurch die Hülse des Reglers 23 im Sinne des -Pfeils verschoben wird; dadurch wird das Regel organ 50 im Sinne des +Pfeils verschoben. Den Turbinen 13 und 12 wird aus dem Speicher 14 Dampf zugeführt, so dass nicht nur die Welle der Gasturbine 78 und des Verdichters 81 beschleunigt wird, sondern auch der zunächst noch bestehende Unter schied zwischen der Belastung des Stromer zeugers 7 und der Leistung der Gasturbine 6 durch die Turbine 12 mindestens zum Teil ausgeglichen wird.
Die Beschleunigung der Drehzahl des Verdichters 81 verursacht eine Erhöhung des Druckes der Vorverdichtung. Dadurch wird in dem aus dem Verdichter 1 über den Erhitzer 56, die Gasturbine 10, den Erhitzer 65, die Gasturbine 6 und den Rekuperator 73 führenden Kreislauf das Druckniveau erhöht. Durch die Erhöhung des Druckniveaus in dem Luftkreislauf wird mittels des Impulsgebers 90 und des Regel organes 39 eine vergrösserte Brennstoffmenge für die Brenner 58 und 68 eingestellt. Durch diese Vermehrung der Brennstoffmenge wird sowohl die Leistung der die Nutzarbeit ab gebenden Gasturbine 6 als auch die Leistung der Gasturbine 10 erhöht.
Gleichzeitig wird durch die Vermehrung der Brennstoffmenge über den Hebel 93 die anfänglich einge- l"itete Regelung dadurch wieder rückge führt, dass über das Gestänge 94, 95 und 96 die Dampfzufuhr zu den Turbinen 13 und 12 wieder vermindert bezw. vollständig ab gestellt wird.
Der Speicher 14 (Fig. 1 und 2) kann, wie in Fig. 3 gezeigt, einen Behälter 100 auf weisen, in welchen ein Gefäss 101 eingebaut ist. tin Teil des Wasserinhaltes befindet sich im Behälter 101, ein anderer Teil wird unmittelbar von der Behälterschale 100 auf genommen, so dass zwei voneinander unab- hängigeWasserspiegel 102 und 103 entstehen. Durch die Leitung 104 wird dem Speicher mittelst der Pumpe 105 Wasser entnommen und einem Heizkörper der Wärmekraft anlage zugeleitet. Das erhitzte Wasser ge langt durch die Leitung 106 wieder in den Speicher zurück.
Die Pumpe 105 wird durch einen Motor 107 angetrieben, dem die elek trische Energie durch eine Leitung 108 zu geführt wird. Ein Regelorgan 109, welches durch denn Impulsgeber 110 beeinflusst ist, regelt die Drehzahl des Motors 107 bezw. die Förderleistung der Pumpe 105 nach Mass gabe des Druckes im Speicher. Bei steigen dem Druck wird die Umwälzung des Was sers vermindert, während bei fallendem Druck die Umwälzung vergrössert wird.
Eine weitere Pumpe 111 sorgt für einen ständigen Umlauf des Wassers im Speicher. Sie saugt das Wasser unten im Speicher durch die Leitung 104 an und drückt es durch die Leitung 112 in das Gefäss 101. Das überlaufende Wasser das Gefässes<B>101</B> strömt dann durch die Rohre<B>113</B> wieder in den untern Teil des Wasserinhaltes. Da durch wird für beide Teile des Wasser- inhAtes eine gleichmässige Temperatur ge sichert.
Bei einer stossweisen Dampfentnahme aus dem Speicher kann sowohl das Wasser auf der Fläche 102 als auch auf der Fläche 103 ausdampfen. Ein Mitreissen des Wassers durch den Dampf wird durch das Prellblech 14 verhindert. Allfällig mitgerissene Wasser reste können weitgehend in der Mulde des Prellbleches aus dem Dampf noch ausfallen. Das sich in der Mulde ansammelnde Wasser kann dann durch das Rückschlagventil 115 wieder in den Wasserinhalt des Speicher inhaltes zurückgelangen.
Das Speisewasser wird durch die Leitung 116 gleich in die Leitung 104 geführt, so dass es zunächst in dem nicht gezeichneten Heizkörper erhitzt wird und erst dann zu- lammen mit dem übrigen, ebenfalls auf- geheitzten Umlaufwasser durch die Leitung <B>106</B> in den Speicher eintritt.
Die Gasturbinen, insbesondere die die Nutzarbeit nach aussen abgebende Gas turbine, können wie ersichtlich von heisser Luft oder von andern heissen Gasen beauf- schlagt werden. Sie können zum Beispiel insbesondere bei der Anwendung von Gas- erhitzern, bei denen die Gase im Wärme austausch erhitzt werden, von inerten Ga sen beaufschlagt sein. Als Gaserhitzer bezw. Treibgaserzeuger könnten zum Beispiel auch Kolbenmaschinen, Flugkolbenmaschinen usw.
verwendet werden. Die Treibgase der Anlage können auch durch Wärmeaustausch von be sonderen Heizgasen beheizt werden. Diese Heizgase können dann auch zur Beheizung des mit dem Speicher 14 verbundenen Ileiz- körpe-rs 19 herangezogen werden.