Gasturbinenanlage. Die Erfindung bezieht sich auf eine Gas turbinenanlage, in welcher einem Kreislauf von Arbeitsmittel ständig Luft mittels eines Verdichters aus der Atmosphäre zugeführt wird. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Luftturbine, um in dieser bei klei nerer Leistung der Gesamtanlage die zum Verdichter geführte Luft unter Arbeits leistung entspannen zu können. Die Luft turbine kann mittels einer ein- und ausschalt baren Kupplung mit der die Nutzleistung er zeugenden Gasturbine gekuppelt sein. Es können Vorrichtungen vorgesehen werden, mit deren Hilfe bei erhöhter Leistung der Gesamtanlage die Luft unter Umgehung der Lufttubrine unmittelbar dem Verdichter aus der Atmosphäre zugeführt werden kann.
Ein Wärmeaustauscher kann dazu dienen, die der Luftturbine zugeführte Luft mit Hilfe der Abgase der Anlage zu erwärmen. Zwischen der Luftturbine und dem Verdichter kann ein Kühler angeordnet sein, in welchem die von der Luftturbine zum Verdichter strömende Luft gekühlt wird. Schliesslich lässt sich eine Drosselvorrichtung anordnen, mit deren Hilfe bei sehr kleiner Belastung der Gesamtanlage die Luft vor Eintritt in die Luftturbine ge drosselt werden kann.
Ein zum Antrieb eines Schiffes ausgebil detes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Das vom Niederdruckverdichter 1 ver dichtete Arbeitsmittel gelangt durch den Zwischenkühler 2 in den Hochdruckverdich ter 3 und wird dann zur Vorwärmung dem Wärmeaustauscher 4 zugeführt. In der Aus trittsleitung 5 des Wärmeaustauschers wird der Arbeitsmittelstrom an der Stelle 6 auf geteilt. Ein Teil gelangt durch die Leitung 7 in den Erhitzer 8 und wird bei der Umströ mung der Wärmeaustauschrohre weiter er hitzt.
Das verdichtete und erhitzte Arbeits mittel gelangt durch die Leitung 9 in die Turbine 10 und strömt dann in entspanntem Zustand durch die Leitung 11 in den die Wärmeaustauschrohre des Wärmeaustauschers 4 umgebenden Raum, wo es einen Teil seiner Restwärme an das aus dem Verdichter 3 kom mende Arbeitsmittel abgibt. Ein weiterer Teil der Restwärme wird durch den Kühler 12 an ein Kühlmittel abgeführt, worauf das Arbeitsmittel dem Niederdruckverdichter 1 wieder zuströmt und damit den Kreislauf von neuem beginnt.
Ein zweiter Teil des an der Stelle 6 auf geteilten Arbeitsmittelstromes wird dem Kreislauf entnommen und durch die Leitung 13 dem Brenner 14 des Gaserhitzers 8 zu geführt. Die Verbrennungsgase strömen durch die Wärmeaustauschrohre des Erhitzers und gelangen hernach durch die Leitung 15 in die Turbine 16. Die Abgase der Turbine 16 strömen in den Wärmeaustauscher 17 und endlich durch die Leitung 18 noch zu weite ren, nicht gezeichneten Verbrauchsstellen oder unmittelbar ins Freie.
Dem Kreislauf des Arbeitsmittels wird durch den Turboverdichter 19 als Ersatz für die entnommene Teilmenge ständig Luft zu geführt. Diese Ersatzluft wird in den Wärme- austauscher 4 an einer Stelle 20 eingeführt, an der das aus der Turbine 10 rückströmende Arbeitsmittel ungefähr die gleiche Tempera tur wie die verdichtete Ersatzmenge aufweist.
Die vom Arbeitsmittelstrom des Kreislau fes beaufschlagte Turbine 10 treibt die Ver dichter 1, 3 und 19. Eine elektrische Hilfs maschine 21 dient zur Inbetriebsetzung der Anlage und nötigenfalls zur Unterstützung der Turbine 10 während des Betriebes. Ein Leistungsüberschuss der Turbine 10 kann mit tels der Hilfsmaschine 21 in Form elektri scher Energie in ein Netz abgeführt werden. Die durch die entnommene Teilmenge beauf- schlagte Turbine 16 erzeugt die nach aussen abzugebende Nutzleistung. Sie treibt über das Getriebe 22, 23 den Schiffspropeller 24. Diese Nutzleistung wird dadurch grösser oder klei ner eingestellt, dass das Druckniveau des im Kreislauf umströmenden Arbeitsmittels durch Beeinflussung des Verdichters 19 gehoben oder gesenkt wird.
Dem Verdichter 19 wird die Luft minde stens bei kleinerer Leistung durch die Luft turbine 25 zugeführt. Dieser Luftturbine wird die atmosphärische Luft durch. die Lei tung 26 und den Wärmeaustauscher 17 zu geführt. Nach Entspannung in der Turbine 25 strömt die Luft durch die Leitung 27 und den Kühler 28 zum Verdichter 19. Die Luft turbine 25 ist mittels der entleerbaren Flüs sigkeitskupplung 29 über das Zahnrad 30 und das Getriebe 2.2, 23 mit der Nutzlei- stungsturbine 16 gekuppelt.
An die Leitung 27 ist an der ,Stelle 31 eine mittels des Or- ganes 32 abschliessbare Leitung 33 angeschlos sen, mittels welcher bei Bedarf unmittelbar Luft aus der Atmosphäre dem Verdichter 19 zugeführt werden kann.
Bei mit niedrigem Leistungs bedarf wird das Organ 32 in der Leitung 33 geschlossen. Es strömt dann Luft aus der Atmosphäre durch die Leitung 26 und das geöffnete Organ 34 in den Wärmeaustauscher 17. Hier wird die Luft mittels der Abgase der Turbine 16 erwärmt. Die erwärmte Luft gelangt in die Turbine 25. Unter Arbeits leistung wird die Luft auf einen unter dem Atmosphärendruck liegenden Druck, zum Bei spiel auf 0,25 ata, entspannt, hernach mittels des Kühlers 28 gekühlt und in entspanntem und gekühltem Zustand dem- Verdichter 19 zugeleitet, welcher die Luft alsdann beispiels weise auf 1 ata wieder verdichtet.
Die Ver dichter 1 und 3 verdichten die Luft gemein sam mit dem aus dem Kreislauf anfallenden Arbeitsmittel weiter auf einen Druck von etwa 4 ata. Abgesehen von geringen Druck verlusten infolge Strömungswiderstandes tritt das Arbeitsmittel mit diesem Druck in die Turbinen 10 und 16.
Soll die Leistung der Gesamtanlage-noeh weiter vermindert werden, so wird die der Turbine 25 zugeführte Luft mittels des Or- ganes 34 gedrosselt. Hierdurch sinkt der An lassdruck der Turbine tiefer, zum Beispiel unter 0,2 ata, wodurch das Druckniveau des ganzen Kreislaufes auch entsprechend ge senkt wird.
Soll das Schiff für schnellere Fahrt mit erhöhter Leistung angetrieben werden, so wird durch Entleeren der Flüssigkeitskupplung 29 die Turbine 25 vom Getriebe 22, 23 getrennt und das Organ 32 geöffnet. Die Luft strömt unmittelbar aus der Atmosphäre dem Ver dichter 19 zu. Dieser verdichtet sie auf un gefähr 4 ata, so dass die Drücke an allen Stel len des Kreislaufes ebenso auf den 4fachen Wert gesteigert werden. Die Leistung wird hierbei ungefähr auf den 10fachen Wert ge steigert, so dass das Schiff entsprechend be schleunigt wird.
Der Vorteil der beschriebenen Anlage be steht darin, dass die Turbomaschinen so aus gelegt werden können, dass sie bei Marsch fahrt mit höchstem Wirkungsgrad arbeiten. Durch Ausschalten der als Entspannungs organ wirkenden Luftturbine bei erhöhter Fahrt wird der Wirkungsgrad trotz der Stei gerung der Leistung bis auf den 10fachen Wert der Normalleistung nur unwesentlich beeinflusst.
Sollte die Turbine, welche die Nutz leistung erzeugt, in einzelne Teilmaschinen unterteilt sein, wird die Luftturbine mit einer Teilmaschine der Turbine gekuppelt. Anstatt die Luftturbine mittels einer Flüs sigkeitskupplung mit der Nutzleistungstur- bine zu kuppeln, könnten auch elektrische oder magnetische Kupplungen zur Verbin dung der Maschinen verwendet werden. Die beschriebene Anlage eignet sich besonders zum Antrieb von Wasserfahrzeugen. Sie kann jedoch auch für Land- und Luftfahr zeuge und für stationäre Anlagen verwendet werden.
Gas turbine plant. The invention relates to a gas turbine system in which a circuit of working medium is constantly supplied with air by means of a compressor from the atmosphere. The invention is characterized by an air turbine in order to be able to relax the air supplied to the compressor under work power in this at small power of the overall system. The air turbine can be coupled to the gas turbine generating the useful power by means of a clutch that can be switched on and off. Devices can be provided with the aid of which the air can be fed directly to the compressor from the atmosphere by bypassing the air tube when the overall system's output is increased.
A heat exchanger can be used to heat the air supplied to the air turbine with the aid of the exhaust gases from the system. A cooler, in which the air flowing from the air turbine to the compressor is cooled, can be arranged between the air turbine and the compressor. Finally, a throttle device can be arranged, with the help of which the air can be throttled before entering the air turbine with very little load on the overall system.
A ausgebil detes embodiment of the invention for driving a ship is explained in more detail below with reference to the drawing.
The working fluid compressed by the low pressure compressor 1 passes through the intercooler 2 into the high pressure compressor 3 and is then fed to the heat exchanger 4 for preheating. From the outlet line 5 of the heat exchanger, the working medium flow is divided at point 6. Part of it passes through the line 7 into the heater 8 and is further heated in the flow around the heat exchange tubes.
The compressed and heated working medium passes through the line 9 into the turbine 10 and then flows in a relaxed state through the line 11 into the space surrounding the heat exchange tubes of the heat exchanger 4, where part of its residual heat is transferred to the working medium coming from the compressor 3 gives. Another part of the residual heat is dissipated through the cooler 12 to a coolant, whereupon the working fluid flows back to the low-pressure compressor 1 and the cycle thus begins again.
A second part of the working medium flow divided at point 6 is taken from the circuit and passed through line 13 to burner 14 of gas heater 8. The combustion gases flow through the heat exchange tubes of the heater and then pass through line 15 into turbine 16. The exhaust gases from turbine 16 flow into heat exchanger 17 and finally through line 18 to wider, not shown consumption points or directly into the open.
Air is constantly fed to the working fluid circuit by the turbo compressor 19 as a replacement for the partial amount withdrawn. This replacement air is introduced into the heat exchanger 4 at a point 20 at which the working medium flowing back from the turbine 10 has approximately the same temperature as the compressed replacement quantity.
The applied by the working fluid flow of the Kreislau fes turbine 10 drives the United densers 1, 3 and 19. An electrical auxiliary machine 21 is used to start the system and, if necessary, to support the turbine 10 during operation. Excess power from the turbine 10 can be dissipated into a network by means of the auxiliary machine 21 in the form of electrical energy. The turbine 16 acted upon by the partial quantity removed generates the useful power to be output to the outside. It drives the ship's propeller 24 via the transmission 22, 23. This useful power is set greater or smaller by the fact that the pressure level of the working medium flowing around the circuit is raised or lowered by influencing the compressor 19.
The air is fed to the compressor 19 by the air turbine 25 at least at lower power. This air turbine gets the atmospheric air through. the Lei device 26 and the heat exchanger 17 to out. After relaxation in the turbine 25, the air flows through the line 27 and the cooler 28 to the compressor 19. The air turbine 25 is coupled to the power turbine 16 by means of the drainable fluid coupling 29 via the gear 30 and the gear 2.2, 23.
At the point 31 of the line 27, a line 33 which can be closed by means of the organ 32 is connected, by means of which air can be fed directly from the atmosphere to the compressor 19 if required.
When the power requirement is low, the organ 32 in the line 33 is closed. Air from the atmosphere then flows through the line 26 and the opened element 34 into the heat exchanger 17. Here, the air is heated by means of the exhaust gases from the turbine 16. The heated air enters the turbine 25. Under work power, the air is expanded to a pressure below atmospheric pressure, for example 0.25 ata, then cooled by means of the cooler 28 and the compressor 19 in a relaxed and cooled state which then compresses the air again, for example to 1 ATA.
The Ver 1 and 3 compress the air together with the working fluid from the circuit to a pressure of about 4 ata. Apart from small pressure losses due to flow resistance, the working medium enters the turbines 10 and 16 at this pressure.
If the output of the overall system is to be further reduced, the air supplied to the turbine 25 is throttled by means of the organ 34. As a result, the starting pressure of the turbine drops lower, for example below 0.2 ata, whereby the pressure level of the entire circuit is also lowered accordingly.
If the ship is to be driven with increased power for faster travel, the turbine 25 is separated from the transmission 22, 23 by emptying the fluid coupling 29 and the element 32 is opened. The air flows directly from the atmosphere to the United 19 pointer. This compresses them to around 4 ata, so that the pressures at all points in the circuit are also increased to four times their value. The performance is increased to about 10 times the value so that the ship is accelerated accordingly.
The advantage of the system described is that the turbomachines can be designed so that they work with the highest degree of efficiency when cruising. By switching off the air turbine, which acts as a relaxation organ, when driving at high speeds, the efficiency is only negligibly affected, despite the increase in output up to 10 times the normal output.
If the turbine that generates the useful power is divided into individual sub-machines, the air turbine is coupled with a sub-machine of the turbine. Instead of coupling the air turbine to the power turbine by means of a liquid coupling, electrical or magnetic couplings could also be used to connect the machines. The system described is particularly suitable for propelling watercraft. However, it can also be used for land and air vehicles and for stationary systems.