Gasturbinenanlage. Eine Gasturbinenanlage kann grundsätz lich nach dem offenen oder nach dem ge schlossenen Prinzip arbeiten.
Bei der offenen Anordnung wird die Arbeitsluft aus der Atmosphäre angesaugt, im Kompressor verdichtet und in die Brenn- kammer geführt, wo die Erwärmung statt findet. Die heissen Gase gelangen in die Tur bine zur Entspannung und werden von hier in die Atmosphäre abgelassen.
Beim geschlossenen Prozess wird das Ar beitsgas, das meistens reine Luft ist, ver dichtet und in den Erhitzer gedrückt, wo es durch Heizflächen erwärmt wird. Dann wird es in der Turbine entspannt und, vor dem Wiedereintritt in den Verdichter, mit Was ser gekühlt. Der geschlossene Kreisprozess braucht bekanntlich grosse Kühlflächen und grosse Kühlwassermengen.
Der wesentlichste Vorteil des offenen Prozesses ist, dass er weder Heiz- noch Kühl flächen, noch Kühlmittel braucht, während beim geschlossenen Prozess feste Brennstoffe verwendet werden können und die Arbeits luft durch die Verbrennungsrückstände nicht verschmutzt werden kann.
Beim geschlossenen Prozess besteht die Möglichkeit der Gleitdruckregelung. Bei der Gleitdruekregelung wird die Temperatur vor der Turbine bei allen Belastungen konstant gehalten, und man lässt die umlaufende Menge und dadurch den sogenannten Druck pegel schwanken, indem z. B. durch einen Zusatzverdichter oder aus einem Druckbehäl- ter bei zunehmender Belastung mehr Luft in den Kreislauf hineingepumpt und bei abneh mender Belastung Luft abgelassen wird.
Abgesehen von diesem Zusatzverdichter weist also sowohl beim offenen wie beim geschlossenen Prozess die Anlage einen Ver dichter, eine Turbine und einen Generator auf, der die Nutzleistung abgibt. Diese drei Maschinen sitzen im Prinzip auf einer Welle und laufen bei Drehstromerzeugung zwangs weise bei einer konstanten Drehzahl, so dass auch das Druckverhältnis und bei einer gege benen Temperatur vor der Turbine das thermische Gefälle bestimmt ist. Nutzgefälle mal Menge gibt die Nutzleistung.
Da bei Druckpegelsteigerung die sekund lich umlaufende Menge zunimmt, hat man die Möglichkeit, aus einer Maschine von ge gebener Abmessung der Druckpegelzunahme proportional mehr Leistung zu bekommen, oder bei gegebener Leistung die Abmessungen der Maschine zu verringern.
Aus dem Gesagten geht hervor, dass sowohl der offene als der geschlossene Prozess ge wisse Vorteile hat, die dem andern abgehen. Es sind aber auch verschiedene Kombina tionen vom offenen mit dem geschlossenen Prozess bekannt geworden, welche jede einen Teil der Vorteile zu verwirklichen gestattet. So ist eine Kombination bekannt, bei welcher ein Teil des Arbeitsmittels einen Kreislauf beschreibt,
wobei die Wärme über Heiz und Kühlflächen zu- und abgeführt wird, so dass in diesem Teil nur reine Luft um- läuft. Der Druckpegel im ganzen System ist höher als der Atmosphärendruck, also auch am Austritt der Turbine, so dass ein Teil der Abluft abgezapft und als Brennluft in die Feuerung des Gaserhitzers gesandt werden kann.
Die Abgase aus der Über- druckfeuerung gelangen in die Zusatzturbine, die den Zusatzverdichter antreibt und im Be harrungszustand dem Kreislauf so viel Frischluft zuführt, als für die Verbrennung angezapft wurde. Diese Ladegruppe läuft mit variabler Drehzahl und gestattet, den Druckpegel im Kreislauf der augenblick lichen Belastung anzupassen.
Im Gegensatz zur Kreislaufturbine erhält die Ladeturbine keine reine Luft, aber, was wesentlicher ist, man muss bei dieser Anordnung die Wärme mengen durch grosse und teure Flächen zu- resp. abführen.
Eine andere kombinierte Lösung verzich tet auf reine Luft im Kreislauf, hat aber dafür keinen Heizkessel, sondern nur eine einfache und billige Brennkammer. Sie strebt ebenfalls eine Gleitdruckregelung an und hat also auch eine Zusatzladegruppe mit variabler Dreh zahl. Dabei sollen die umlaufenden Gase die Temperatur in der Brennkammer auf den zulässigen Wert herabdrücken. Im Gegensatz zu der obengenannten Lösung wird die eigentliche Verbrennungsluft von der Lade gruppe direkt von aussen angesaugt.
Die ge samten Abgase der Brennkammer treten in die Hauptturbine, die den Kreislaufverdichter und den Nutzgenerator treibt. Am Austritt dieser Turbine wird ein Teil der Abgase, die mit Überdruck austreten, abgezapft und zur Hilfsturbine geführt, die den Brennluftver- dichter antreibt. Bei Belastungszunahme soll mehr Brennstoff in die Brennkammer einge spritzt werden, was eine Drucksteigerung ergibt, die die Nutzturbine und die Lade turbine rascher treiben sollen.
Es treten gegenüber dieser Anordnung einige Bedenken auf. Erstens ist es fraglich, ob selbst im Beharrungszustande die Lade- turbine mit ihrem gegenüber dem Ladever dichter kleinen Druckgefälle in der Lage ist, die nötige Antriebsleistung zu liefern.
Zwei- tens ist zu befürchten, dass beim Belastungs- stoss die verfügbare Brennluftmenge zu einer vollkommenen Verbrennung nicht ausreicht, und drittens ist die Gefahr gross, dass bei der Drucksteigerung in der Brennkammer die Verdiehter, die vorläufig noch nicht beschleu nigt wurden, nicht in der Lage sind, gegen diese Drucksteigerung aufzukommen, und pumpen werden.
Im Falle die Anlage Dreh strom liefern soll, darf die Hauptgruppe überhaupt nicht beschleunigt werden, was ebenfalls im Widerspruch mit der Regelung steht. Unter Umständen bekommt man von der Nutzturbine wohl mehr Leistung, ohne dass sich die Ladeturbine beschleunigt und entsprechend dem Brennstoff mehr Verbren nungsluft liefert. Die Folge ist ein Steigen der Temperatur vor der Hauptturbine, oder also ein Sinken der Temperatur bei Teil lasten, was auf Kosten des Teillastwirkungs- grades geht und zu vermeiden ist.
Die Erfindung betrifft eine Gasturbinen anlage, die die oben erwähnten Nachteile ver meidet. Diese Gasturbinenanlage weist eine mit Leistungsregler versehene Nutzleistungs- gasturbine mit von ihr gleichzeitig angetrie benem Verdichter mit im Kreislauf geführtem Treibmittel und eine Ladegruppe mit Gas turbine und Verdichter zur Lieferung der Verbrennungsluft und Anpassung des Druck pegels im Kreislauf an die Belastung auf,
wobei im Beharrungszustand das Treibgas der Turbine der Ladegruppe aus einer ge meinschaftlichen Hauptbrennkammer vor der Nutzleistungsturbine entnommen wird. Ge mäss der Erfindung ist eine kleinere Zusatz-. brennkammer vorhanden, mittels welcher bei Belastungszunahme eine Zusatzgasmenge der Turbine der Ladegruppe zugeführt wird, während bei Entlastung der Gasstrom zu dieser Turbine gedrosselt und der Überschuss ins Freie abgelassen wird.
Man ist dabei von der Überlegung aus gegangen, dass zuerst und rasch die nötige Verbrennungsluft zu beschaffen ist, um bei guter Verbrennung der Hauptgruppe mehr Energie zuführen zu können. Es ist aber widersinnig, in diesem Augenblick, wo von aussen schon mehr Energie verlangt wird, als die Hauptbrennkammer liefert, die Haupt gruppe noch mehr zu belasten, um die Ladegruppe: elektrisch zu beschleunigen, oder ihr Treibgas zu entziehen, um es der Ladegruppe zuzuführen.
Aus diesem Grunde wird eine kleinere Zusatzbrennkammer ange ordnet, die in der Lage ist, nur für die Ladegruppe in diesem Augenblick die Mehr energie durch Zusatzbrennstoff zu liefern. Damit die Verbrennungsluft für die Zusatz- brennkammer sofort zur Verfügung steht, wird sie mit Vorteil einem Druckluftbehälter entnommen. Um die @ Luftmenge klein zu halten und doch das nötige Volumen und die zulässige Temperatur zu halten,
wird mit Vorteil zugleich Wasser eingespritzt.
An Hand der schematisch gehaltenen Zeichnung sei die Erfindung in einer bei spielsweisen Ausführungsform näher er läutert.
Die Brennkammer a, die Hauptturbine b, der Verdichter c, der Kühler d; der Rekupe- rator e und der Generator f bilden die Haupt teile eines Kreislaufes. Dazu kommt die Lade gruppe b', c', die die Verbrennungsluft aus der Atmosphäre ansaugt und sie in die Brenn kammer a drückt. Die Verbrennungsgase mischen sich in der Brennkammer mit den verhältnismässig kalten Umlaufgasen.
Letz tere drücken die Temperatur auf das zu lässige Mass herab. Kommt ein Belastungs stoss, so öffnet der Geschwindigkeitsregler k der Dreifachventil i, so dass in die Zusatz- brennkammer a' Brennstoff und aus dem Druckbehälter g Luft und Wasser einge spritzt werden, was eine Druck- und Mengen steigerung bewirkt. Wie in der Figur ange deutet, kann mit Vorteil dasselbe Gefäss unten das Wasser und oben die Druckluft enthalten.
Ein durch Schwimmer und Druck regler gesteuerter Antriebsmotor h einer Pumpe und eines Gebläses sorgen dafür, dass das Gefäss immer geladen ist. Eine Rück schlagklappe p ist so gebaut, dass eine Druck steigerung in der Brennkammer a' möglich ist, ohne dass diese sich rückwärts auf die Hauptbrennkammer überträgt. Im ersten Moment des !Regelvorganges steigt der Gegen druck des Ladeverdichters c' kaum merklich, weil die Hauptturbine b das Mehrvolumen der Stauung leicht schluckt, so dass ein Pum pen nicht zu befürchten ist.
Da wegen der Zunahme der vom Ladeverdichter geförder ten Verbrennungsluft die Temperatur am Austritt aus der Brennkammer a die Tendenz hat, zu sinken, wird der Thermostat Z das Brennstoffventil m entsprechend öffnen und so die Temperatur konstant halten. Ist die Nutzleistung gesteigert, so wird das Ventil i in die Ruhestellung gehen.
Selbstredend kann schon der Drehzahlregler k die Steigerung der Brennstoffzufuhr zur Hauptbrennkam- mer einleiten; sie soll nur nach Massgabe der von der Ladegruppe gelieferten Brennluft er folgen. Zur Übertragung der Impulse des Geschwindigkeitsreglers und des Thermosta ten kann irgendein Hebelsystem verwendet werden, am vorteilhaftesten jedoch eine JÖl- drucksteuerung.
Tritt eine Entlastung ein, so lässt der Ge schwindigkeitsregler den Druck des Regel drucköls sinken und das Ventil q drosselt den Gaszutritt zur Ladeturbine b' und lässt den Überschuss an Treibgasen, z. B. über den Zusatzrekuperator e', ins Freie ab. Dadurch sinkt der Druckpegel im System, die Tempe ratur am Austritt aus der Brennkammer steigt, so dass Thermostat l die Brennstoff menge drosselt und die Leistung der Nutz turbine wieder bei konstanter Temperatur der neuen Belastung angepasst wird. Das Drosselventil q geht in die Ruhestellung.
a Wird keine besondere Massnahme getrof fen, so steigt die Konzentration der Rück stände in den Abgasen des Kreislaufes im Verhältnis dieser Menge zur Fördermenge des Ladeverdichters. Man wird deshalb mit Vor teil nach bekannter Art an geeigneter Stelle Staubabscheider einbauen; in der Figur z. B. in den Punkten n, vor der Turbine und nach dem Verdichter.
Das Schema wurde möglichst einfach ge zeichnet. Nichts steht im Wege, z. B. die Kompression mit Zwischenkühlung und die Expansion mit Zwischenerhitzung vorzu sehen, um den Wirkungsgrad zu erhöhen.