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 Hilfsdampfturbine vorgesehen ist, und ist ge kennzeichnet durch einen Dampfspeicher, aus welchem Dampf zum Antrieb der Hilfs turbine während der Zeit von Belastungs erhöhungen entnommen wird.
Der Speicher kann über eine Umlauf leitung mit einem Heizkörper der Wärme kraftanlage im Kreislauf stehen. Zweck mässig wird der Heizkörper von den Treib gasen oder den Heizgasen der Wärmekraft anlage beheizt, wobei er zum Beispiel im Verbrennungsraum des Gaserhitzers angeord net sein kann. Es empfiehlt sich, die Dampf erzeugung durch Veränderung der Umlauf geschwindigkeit in dem durch den Dampf speicher und den Heizkörper führenden Kreislauf zu regeln.
Es kann zum Beispiel ein vom Dampfdruck des Speichers beeinfluss- ter Impulsgeber vorgesehen sein, welcher die Förderleistung einer in den durch den Dampfspeicher in den Heizkörper führenden Kreislauf eingeschalteten Umwälzpumpe bei Steigen des Druckes vermindert und bei Sin ken des Druckes vergrössert.
Der Wasser inhalt des Speichers kann in mindestens zwei Teile mit je einer Wasseroberfläche unter teilt sein, um mittels der dadurch entste henden Vergrösserung der Wasseroberfläche eine stossweise vergrösserte Entladung des Speichers zu ermöglichen.
Zwei Beispiele des Erfindungsgegenstan des sind auf der Zeichnung vereinfacht dar gestellt.
Fig. 1 zeigt eine Wärmekraftanlage nach der Erfindung, bei der die Treibgase die An lage einmal durchströmen; Fig. 2 zeigt ein anderes Beispiel, bei dem ein Teil der Treibgase einen Kreislauf unter ITberdruck ausführt; Fig. 3 veranschaulicht einen Speicher, wie er in den Anlagen nach Fig. 1 und 2 An wendung 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 10 treibt den Verdichter 1.
Die die Nutzarbeit leistende Gasturbine 6 ist mit einer als Dampfturbine ausgebildeten Hilfsmaschine 12 gekuppelt. Weiter ist auch der Verdichter 1 für die Verbrennungsluft mit einer als Turbine ausgebildeten Hilfs maschine 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 Kon densat wieder in den Dampfspeicher 14 zu rück.
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 Spei cher Wasser und fördert es in den von den Treibgasen des Verbrennungsraumes 4 be heizten Heizkörper 19, aus welchem es in er hitztem und unter Umständen teilweise ver dampftem Zustand wieder in den Speicher 1-1 zurückgelangt.
Die Welle des Maschinenaggregates 6, 7. 12 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 Durehströmquer- schnitt vergrössert und bei steigender Dreh zahl bezw. steigender Hülse der Querschnitt verkleinert wird. Ferner wird durch den, Drehzahlregler 23 mittels Vbertragung durch das Gestänge 26, 2 7 und 28 der Steuerschie- ber 29 des Servomotors 30 beeinflusst.
Der Kolben 31 wird bei steigender Drehzahl an gehoben und bei sinkender Drehzahl nach unten gedrückt. Der Drehzahlregler 24 be einflusst über das Gestänge 32 den Steuer schieber 33 des Servomotors 34. Der Kolben 35 wird bei steigender Drehzahl nach unten gedrückt und bei fallender Drehzahl an gehoben.
Mit dem Kolben 31 des Servomotors 30 ist eine Kurvenscheibe 36 über einen Hebel 37 verbunden. Mit dem Hebel 3 7 steht wieder um über das Gestänge 38 das Regelorgan 39 der Brennstoffleitung 40 in Verbindung. Dem Brenner 41 des Brennraumes 4 wird durch diese Verbindung bei steigender Last mehr Brennstoff, bei sinkender Last aber weniger Brennstoff zugeführt. Der Kolben 35 ist über den Hebel 42 mit einer Kurvenscheibe 43 ver bunden. Auf den beiden Kurvenscheiben 36 und 43 rollen die beiden Enden des Hebels 44, der über einen Hebel 45 und ein Gestänge 46 mit dem Steuerschieber 47 des Servo motors 48 in Verbindung steht.
Der Kolben 49 des Servomotors 48 beeinflusst das Regel organ 50 in der Dampfleitung 15 derart, dass die Hilfsturbinen 12 und 13 Dampf zuge führt erhalten. wenn der Sollwert der für den Brennraum 4 des Gaserhitzers notwendigen Brennstoffmenge grösser ist als die augen blicklich dem Brennraum zugeführte Brenn stoffmenge. Zu grosse Regelausschläge werden durch Anschläge 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 Sin ken des Servomotorkolbens 35 eingeleitet wird.
Bei diesem Regelvorgang sinken so wohl die Kurvenscheibe 36, als auch die Kurvenscheibe 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 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 Bren ner 41 wird dann eine im zulässigen Mass vermehrte Brennstoffmenge zugeleitet. Mit Hilfe der Kurvenscheibe 36 wird über die Hebel 44, 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 Dampfleitung öffnet. Dadurch erhalten sowohl die Hilfs turbine 12, als auch die Hilfsturbine 13 Dampf zugeführt.
Die Hilfsturbine 12 unter stützt die Gasturbine 6, so dass die rasch vergrösserte Belastung des Stromerzeugers ohne unzulässigen Drehzahlabfall aufgenom men werden kann. Durch die Hilfsturbine 13 wird gleichzeitig der Verdichter 1 beschleu nigt, 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 Gleichgewichtszustan des ist das Organ 50 vollständig geschlossen.
Bei der Wärmekraftanlage nach Fig. 2 wird dem Verdichter 1 durch die Leitungen 51 und 52 Luft zugeführt, die im verdich teten Zustand durch die Leitung 53, den Re- kuperator 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 Verbrennungs gase gelangen durch die Leitung 62 in eine Gasturbine 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 erheblichen Anteil an Sauerstoff enthaltenden Gase durch die Leitung 66 entnommen und ebenfalls in den Erhitzer 65 geleitet. Der Sauerstoff der Gase wird im Verbrennungsraum 67 zur Verbrennung des dem Brenner 68 zugeführ ten Brennstoffes ausgenützt. Die entstehen den Verbrennungsgase strömen in die Heiz rohre 69 und erhitzen dadurch die in den Mantel 70 geführte Abluft der Gasturbine 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 zurückgelangen. Die Abluft der Turbine 6 strömt durch die Leitung 72 in den Rekuperator 73 und von hier durch die Leitung 74 über den Kühler 75 wieder in den Verdichter 1. Die Abgase der Gasturbine 63 werden durch die Leitung 76 in den Rekuperator 54 geleitet und strö men dann durch die Leitung 77 in die Gas turbine 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 Verbren nungsgase werden in den Rekuperatoren 54 und 73 zur Vorerhitzung der aus dem Ver dichter 1 nach dem Erhitzer 56 geführten Luft verwendet. Die Gasturbine 6 leistet Nutzarbeit durch Antreiben des Stromerzeugers 7, auf deren gemeinsamer Welle eine Hilfsdampfturbine 12 sitzt. Die Gasturbine 63 ist mit Hilfe des Getriebes 80 mit der Gasturbine 10 gekup pelt, welche den Verdichter 1 antreibt.
Die Gasturbine 78 treibt einen Vorverdichter 81 an, der durch die Leitung 82 Luft ansaugt und diese in verdichtetem und durch den Zwischenkühler 83 und den Endkühler 84 ge kühltem 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 hintereinan der geschalteten Hilfsdampfturbinen 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 Konden sat wird dem Kondensator durch die Pumpe 18 entnommen und wieder in den Speicher 14 zurückgeführt. Zur Entlüftung bezw. Eva kuierung ist eine Strahlpumpe 87 vorgesehen, welche mittels des unter Druck eingeführten Kühlwassers die im Kondensator 17 sich an sammelnde Luft absaugt.
Zur Beheizung des Speicherinhaltes wird mittels der Pumpe 22 über die Leitung 20 dem Heizkörper 19 Dampf zugeführt, der in überhitztem Zu stand über die Leitung 21 wieder in den Wasserinhalt des Speichers 14 eingeleitet -wird. Durch eine Leitung 88 wird den Stopfbüchsen 89 der Hilfsdampfturbinen 12 und 13 Sperrdampf zugeführt, so dass keine Luft durch die Stopfbüchsen in die Gehäuse der Turbinen 12 und 13 eindringen kann: Es ist damit möglich, die Rotoren der Turbinen 12 und 13 auch dann im Unterdruck laufen zu lassen, wenn die Turbinen nicht durch Dampf beaufschlagt sind.
Zur Regelung des Betriebes der Anlage sind 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 sin- kender 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 Gestänge 92 und den Hebel 93 und fer ner über das Gestänge 94, 95 und 96 auch das Regelorgan 50 in der Dampfleitung 15.
Wächst die Belastung des Stromerzeugers, so sinkt zunächst die Drehzahl des Maschi nenaggregates 6, 7, 12, wodurch die Hülse des Reglers 23 im Sinne des -Pfeils ver schoben wird; dadurch wird das Regelorgan 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 Verdich ters 81 beschleunigt wird. sondern auch der zunächst noch bestehende Unterschied zwi schen der Belastung des Stromerzeugers 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 Er hitzer 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 Impuls gebers 90 und des Regelorganes 39 eine ver grösserte Brennstoffmenge für die Brenner 58 und 68 eingestellt. Durch diese Vermeh rung der Brennstoffmenge wird sowohl die Leistung der die Nutzarbeit abgebenden Gasturbine 6 als auch die Leistung der Gas turbine 10 erhöht.
Gleichzeitig wird durch die Vermehrung der Brennstoffmenge über den Hebel 93 die anfänglich eingeleitete Re gelung dadurch wieder rückgeführt, dass über das Gestänge 94, 95 und 96 die Dampfzufuhr zu den Turbinen 13 und 12 wieder vermin dert bezw. vollständig abgestellt wird.
Der Speicher 14 (Fug. 1 und 2) kann, wie in Fig. 3 gezeigt, einen Behälter 100 aufweisen, in welchen ein Gefäss 101 ein gebaut ist. Ein Teil des Wasserinhaltes be- findet sich im Behälter 101, ein anderer Teil wird unmittelbar von der Behälterschale 100 aufgenommen, so dass zwei voneinander un abhängige Wasserspiegel 102 und 103 ent stehen. Durch die Leitung 104 wird dem Speicher mittelst der Pumpe 105 Wasser ent nommen und einem Heizkörper der Wärme kraftanlage zugeleitet. Das erhitzte Wasser gelangt 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 den 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 des Gefässes 101 strömt dann durch die Rohre 113 wieder in den untern Teil des Wasserinhaltes. Dadurch wird für beide Teile des Wasserinhaltes eine gleichmässige Temperatur gesichert.
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 Was serreste 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 Heiz körper erhitzt wird und erst dann zusammen mit dem übrigen ebenfalls aufgeheizten Um- laufwasser durch die Leitung 106 in den Speicher eintritt.
Die Gasturbinen, insbesondere die die Nutzarbeit nach aussen abgebende Gasturbine, können, wie ersichtlich, von heisser Luft oder von andern heissen Gasen beaufschlagt wer den.
Sie können zum Beispiel insbesondere bei der Anwendung von Gaserhitzern, bei denen die Gase im Wärmeaustausch erhitzt werden, von inerten Gasen beaufschlagt sein. Als Gaserhitzer bezw. Treibgaserzeuger könnten zum Beispiel auch Kolbenmaschi nen, Flugkolbenmaschinen usw. verwendet werden. Die Treibgase der Anlage können auch durch Wärmeaustausch von beson deren Heizgasen beheizt werden. Diese Heiz gase können dann auch zur Beheizung des mit dem Speicher 14 verbundenen Heizkörpers 19 herangezogen werden.