Gasturbinen-Kraftanlage. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gasturbinen-Kraftanlagen, wie sie als An triebe für Schiffe, Fahrzeuge, Kraftstationen oder dergleichen Verwendung finden.
Bei Gasturbinen treten im allgemeinen hohe Schaufelgeschwindigkeiten auf, wobei die Beanspruchung der Schaufeln und die Tem peraturen sowohl die Leistung als auch die Lebensdauer solcher Anlagen begrenzen. Jede korrodierende oder erodierende Wirkung auf die Turbinenschaufeln ist. äusserst nachteilig, und es kann vom metallurgischen Standpunkt aus erwünscht sein, die Sehaufelung frei von jeder Berührung mit gasförmigen Verbren nungsprodukten, z. B. Oxyden des Schwefels zu halten.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, in Ileissluftkraftanlagen ortsfeste, wärmeaufspei chernde Elemente vorzusehen, um die Wärme der mit Verhr ennungsrüekständen verunrei nigten Gase an ein verhältnismässig reines Ar beitsmedium für die Maschine oder Turbine zu übertragen, wobei Ventile dazu dienen, den Zustrom der heissen verunreinigten Gase und des verhältnismässig reinen Arbeitsme diums zum Austauscher zu steuern.
Gemäss der Erfindung besteht die Gas turbinen-Kraftanlage aus einem Luftkompres sor, einer den Kompressor treibenden Luft turbine, die ihrerseits noch einen Nutzlei- stungsernpfänger antreibt, einer Einrichtung zum Verbrennen von Brennstoffen in der Abluft der Turbine, und einen Wärmeaustau- scher mit Wärmeaustauschmaterial enthal tenden Zellen, die zu und von einer Stelle bewegbar sind, wo den VerbrennungsprodLLk- ten Wärme entzogen wird, und ferner von und zu einer Stelle bewegbar sind, wo diese Wärme an die komprimierte Luft abgegeben wird, bevor diese in die Luftturbine gelangt.
Die Gasturbinen-Kraftanlage kann dabei so ausgebildet sein, dass die komprimierte Luft mindestens auf 500 C erhitzt werden kann, bevor sie in die Turbine gelangt. Der W ärmeaustauscher kann als hohlzylin- drisehe Drehtrommel ausgebildet sein, wobei der zwischen zwei durchlässigen, koaxialen Mänteln vorhandene Zwischenraum durch ra diale Wände in Zellen unterteilt ist, die ab wechselnd in den Weg der Verbrennungspro dukte (Heizfluidum) und in den Weg der komprimierten Luft (zu erhitzendes Fluidum) gelangen. Die Zellen der Trommel sind mit.
dem wärmeaustauschenden Material gefüllt, und der Innenraum der Trommel ist zweek- mässig durch eine Längswand in zwei Kam mern unterteilt, von denen die eine das Heiz- fluidum und die andere das erhitzte Fluidum aufnimmt. Der Wärmeaustauseher kann auch derart ausgebildet sein, dass man durch seine Zellen einen Strom Reinigungsluft hindurch schicken kann, um feste Asche, Kohlenstoff oder andere Rückstände, welche die Wirkung des Austauschers beeinträehtigen könnten, zu entfernen.
Es können ferner Nebenanschlüsse für die komprimierte Luft, insbesondere für Kon- trollzwecke, jedoch auch zur Kühlung vorge sehen sein.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung eine Ausführungsform des Er- findungsgegenstandes als Beispiel erläutert.
Fig.l ist eine Ansicht im Längsschnitt und Fig. 2 ein Querschnitt durch eine Gastur binenanlage gemäss der Erfindung.
Die Anlage besitzt ein Gehäuse 1, das ge gen Wärmeverlust verkleidet ist, und einen Lufteinlass 2 sowie einen Abgasschornstein 3. Der Lufteinlass führt in einen mehrstufigen axialen Luftverdichter 4, der gegebenenfalls über einen Diffilsor in einen Luftkasten 5 mündet, dessen eine Wand von der Aussen fläche einer hohlzylindrisehen Trommel 6 ge bildet wird. Der Zwischenraum zwischen den zwei durchlässigen, koaxialen Mänteln ist durch radiale Wände in Zellen 10a, 10b usw.
unterteilt. In diesen Zellen ist das Wärme austauschmaterial 10 untergebracht, das ir gendein wärmespeicherndes und -übertragen des Material sein kann, z. B. ebene und ge wellte, ein wabenartiges Gebilde in einem; Metallrahmen darstellende -Blechstreifen, in einen metallenen Käfig eingefüllte Stücke aus keramischem Material, oder ein keramisches Zellgebilde in einem metallenen Rahmen. Der Innenraum dieser Trommel ist durch .eine Längswand 9 in zwei Kammern 7, 8 unter teilt.
Zwischen den Längsseiten dieser Wand und der Trommelinnenwand sowie zwischen den Trommelenden und dem Gehäuse, in dem die Trommel montiert ist, sind Dichtungen vorgesehen, um die Gasverluste herabzusetzen. Die durch das Wärmeaustauschmaterial 10 hindurchgegangene komprimierte Luft wird zur Einlassseite der Luftturbine 11 geführt, die ihrerseits direkt durch die Welle 12 mit dem Rotor des Kompressors gekuppelt ist. Die Welle 12 treibt über Zahnräder -und eine Hilfswelle 12a noch einen Nutzleistungsemp- fänger. Aus der Turbine strömt die Luft in die Kammer 8 der Trommel, in welcher Kammer Brennstoff in der Abluft verbrannt wird.
Dies geschieht mittels eines Ölbrenners 13 oder, wenn fester Brennstoff verbrannt wird, eines Rostes 14 geeigneter Bauart für die Verbrennung von festen Brennstoffen. Die Tatsache, dass die Lift bereits erhitzt ist, erleichtert mindestens bei gewissen Brenn stoffarten die Verbrennung, und man kann die heisse Luft, falls dies vorteilhaft ist, zur Vortrockniiug des Brennstoffes verwenden. Nach dieser Verbrennung passieren die gas förmigen Produkte das Wärmeaustauschmate- rial 10 und werden durch das Kamin 3 nach aussen abgeleitet, wobei sie an das Wärme- austauschmaterial 10 Wärme abgeben.
Die Trommel kann über ihre Welle 6a durch ein geeignetes Antriebsmittel, z. B. durch einen Motor 20 über eine Transmission 22 mit Kupp lung 24 und Reduktionsgetriebe 21, in Dre hung versetzt werden. Die Trommel kann auch von der Turbine aus über die Trans mission 22, Kupplung 24 und das Reduktions getriebe mit reduzierter Drehzahl angetrieben werden.
Die Arbeitsweise unterscheidet sich von dem üblicheren Gasturbinenprozess mit Ver brennung bei konstantem Druck darin, dass der Brennstoff auf der Abgasseite der Tur bine verbrannt wird, und dass die Arbeitsluft nach der Verdichtung nur durch das Wärme austauschmaterial 10 des Austauschers 6 er hitzt wird (abgesehen vom Wärmetransport durch den unvermeidlichen Gasrest im Wärmeaustauschmaterial). Es ergibt sich daraus, dass die Verbrennungsprodukte und etwaige Feststoffe oder schädliche Bestand teile, die in den Verbrennungsgasen enthal ten sein können, nicht durch die Turbine hindurchgehen.
Der Wärmeaustauscher wird vorteilhaft mit Spülluft beschickt, die bei geeigneter Wahl des Druckes gleichzeitig eine abschlie ssende Wirkung in den Zonen 16a ausübt, wo die Trommel eine bestmögliche Abdich tung gegenüber dem Gehäuse 1 und der Längswand 9 aufweisen sollte. Zu diesem Zweck ist eine Druckluftleitung 15 von einer Zwischenstufe der Turbine zum Abschlussteil 16 der Gehäusewand 1 geführt, der sich übel die Breite von angenähert zwei Zellen der Trommel erstreckt. Die Längswand 9 kann hohl sein, so dass sie Luft von einem zum an dern Abschluss durchlässt und einen Druck ausgleich bewirkt.
Die aus der Leitung 15 strömende Luft wird bei geeignetem Druck durch diejenige Zelle des Wärmeaustauschers, die jeweils von der Verbrennungsgasseite zur Druckluftseite übertritt, nach einwärts ge blasen, tun Asche usw. zu entfernen und die Zelle mit frischer Luft zu beladen, bevor sie von der komprimierten Luft durchströmt wird. Es kann ferner eine direkte Luft- nebenleit.ung vom Druckluftkasten 5 zum Tur bineneingang vorgesehen sein. Ein solcher Strom kann z. B. durch das Ventil 17 gedros selt werden.
Hiermit lässt sich eine raschere Regelung erzielen, als es nur mit Brennstoff kontrolle allein erreicht werden könnte, da letztere seitlich notwendigerweise nachhinkt, wenn die Drehgeschwindigkeit der Austausch trommel Fixiert oder niedrig ist. Ein Teil der abgezweigten Luft kann vom Kompressor zur Turbine, z. B. längs der Welle, geleitet wer den, wobei sie so geführt werden kann, dass sie die Turbine, wo das erwünscht ist, kühlt.
Die Luftabzweigung wird vorzugsweise durch auf der Kraftabgabewelle 12ct mon tierte Steuerungsmittel 25, die von der Tur bine angetrieben werden, kontrolliert, wäh rend die Brennstoffzufuhr zu den Brennern 13 und/oder dem Rost 14 durch langsam wirkende thermostatische Elemente 26, die auf die Temperatur der Verbrennungsgase vor dem Austauseher ansprechen, gesteuert wird. Die Laufgeschwindigkeit der Trommel kann erforderlichenfalls ebenfalls durch das Reduktionsgetriebe 21 gesteuert werden, und zwar von Hand, z. B. durch Hebel 21a oder durch thermostat.ische Mittel 26 in der Brenn- kammer B.
Eine Einspritzung von Wasser durch Zerstäuberdüsen 27 in die komprimierte Luft kann ebenfalls erfolgen, um eine Steue rung der Leistung der Maschine zu bewirken.
Zum Anlassen oder für andere vorüber gehende Zwecke kann man auch in der Kam mer 7 vor dem Lufteinlass der Turbine flüs sige Brennstoffe verbrennen, z. B. durch Brenner 18 in Fig. 1, und/oder sogar im Luft- kalten 5 zwischen dem Kompressorauslass und der Trommel 6 mittels des Brenners 19, in welchem Falle der Wärmeaustauscher ra scher und sanfter aufgeheizt wird, als wenn das Anlassen nur durch die Hauptheizung (auf der Austrittsseite) erfolgen würde.
Gas turbine power plant. The present invention relates to gas turbine power plants as they are used as drives for ships, vehicles, power stations or the like.
In gas turbines, high blade speeds generally occur, the stress on the blades and the temperatures limiting both the performance and the service life of such systems. Any corrosive or erosive effect on the turbine blades is. extremely disadvantageous, and it may be desirable from a metallurgical point of view, the Sehaufelung free from any contact with gaseous combustion products, z. B. to keep oxides of sulfur.
It has already been proposed to provide stationary, wärmenspei-cherung elements in Ileissluftkraftanlagen in order to transfer the heat of the gases contaminated with Verhr nung residues to a relatively pure working medium for the machine or turbine, with valves serving to control the inflow of hot contaminated gases and the relatively pure working medium to control the exchanger.
According to the invention, the gas turbine power plant consists of an air compressor, an air turbine driving the compressor, which in turn drives a power receiver, a device for burning fuels in the exhaust air of the turbine, and a heat exchanger with heat exchange material tend cells which are movable to and from a location where heat is extracted from the combustion products and also movable to and from a location where this heat is given off to the compressed air before it enters the air turbine.
The gas turbine power plant can be designed so that the compressed air can be heated to at least 500 C before it enters the turbine. The heat exchanger can be designed as a hollow cylindrical rotary drum, the space between two permeable, coaxial jackets being divided into cells by radial walls that alternate between the path of the combustion products (heating fluid) and the path of the compressed air (fluid to be heated) arrive. The cells of the drum are with.
filled with the heat-exchanging material, and the interior of the drum is divided into two chambers by a longitudinal wall, one of which receives the heating fluid and the other the heated fluid. The heat exchanger can also be designed in such a way that a stream of cleaning air can be sent through its cells in order to remove solid ash, carbon or other residues which could impair the effectiveness of the exchanger.
Furthermore, auxiliary connections for the compressed air, in particular for control purposes, but also for cooling, can be provided.
An embodiment of the subject matter of the invention is explained below as an example with reference to the drawing.
Fig.l is a view in longitudinal section and Fig. 2 is a cross section through a gas turbine plant according to the invention.
The system has a housing 1, which is covered against heat loss, and an air inlet 2 and an exhaust chimney 3. The air inlet leads into a multi-stage axial air compressor 4, which optionally opens via a diffuser into an air box 5, one wall of which is from the outside area of a hollow cylindrical drum 6 ge is formed. The space between the two permeable, coaxial jackets is defined by radial walls in cells 10a, 10b, etc.
divided. In these cells, the heat exchange material 10 is housed, which can be any heat storage and transferring of the material, for. B. flat and corrugated ge, a honeycomb-like structure in one; Sheet metal strips representing metal frames, pieces of ceramic material filled into a metal cage, or a ceramic cell structure in a metal frame. The interior of this drum is divided into two chambers 7, 8 by .eine longitudinal wall 9.
Seals are provided between the long sides of this wall and the inner wall of the drum and between the ends of the drum and the housing in which the drum is mounted in order to reduce gas losses. The compressed air that has passed through the heat exchange material 10 is led to the inlet side of the air turbine 11, which in turn is directly coupled to the rotor of the compressor by the shaft 12. The shaft 12 drives a useful power receiver via gears and an auxiliary shaft 12a. The air flows from the turbine into the chamber 8 of the drum, in which chamber fuel is burned in the exhaust air.
This is done by means of an oil burner 13 or, if solid fuel is burned, a grate 14 of suitable design for the combustion of solid fuels. The fact that the lift is already heated facilitates combustion, at least with certain types of fuel, and the hot air, if this is advantageous, can be used to pre-dry the fuel. After this combustion, the gaseous products pass the heat exchange material 10 and are diverted to the outside through the chimney 3, giving off heat to the heat exchange material 10.
The drum can be driven via its shaft 6a by a suitable drive means, e.g. B. by a motor 20 via a transmission 22 with hitch be 24 and reduction gear 21, in Dre hung. The drum can also be driven from the turbine via the transmission 22, clutch 24 and the reduction gear at reduced speed.
The mode of operation differs from the more common gas turbine process with combustion at constant pressure in that the fuel is burned on the exhaust side of the turbine, and that the working air after compression is only heated by the heat exchange material 10 of the exchanger 6 (apart from Heat transport through the unavoidable gas residue in the heat exchange material). As a result, the combustion products and any solids or harmful components that may be contained in the combustion gases do not pass through the turbine.
The heat exchanger is advantageously charged with scavenging air which, with a suitable choice of pressure, simultaneously exerts a closing effect in the zones 16a, where the drum should have the best possible sealing against the housing 1 and the longitudinal wall 9. For this purpose, a compressed air line 15 is led from an intermediate stage of the turbine to the end part 16 of the housing wall 1, which extends the width of approximately two cells of the drum. The longitudinal wall 9 can be hollow, so that it lets air through from one end to the other and effects a pressure equalization.
The air flowing out of line 15 is at a suitable pressure through that cell of the heat exchanger, which passes from the combustion gas side to the compressed air side, blow inward ge, do ash, etc. to remove and the cell to be loaded with fresh air before it is removed from the compressed air is flowed through. A direct air bypass line from the compressed air box 5 to the turbine entrance can also be provided. Such a stream can e.g. B. be throttled through the valve 17.
This enables faster regulation than could be achieved with fuel control alone, since the latter necessarily lags laterally when the speed of rotation of the exchange drum is fixed or low. Part of the diverted air can from the compressor to the turbine, e.g. B. along the shaft, who passed the, it can be guided so that it cools the turbine, where that is desired.
The air diversion is preferably controlled by control means 25 mounted on the power output shaft 12ct, which are driven by the turbine, while the fuel supply to the burners 13 and / or the grate 14 is controlled by slow-acting thermostatic elements 26 that are set to the temperature of the Address combustion gases in front of the exchanger, is controlled. The running speed of the drum can also be controlled by the reduction gear 21 if necessary, by hand, e.g. B. by lever 21a or by thermostatic means 26 in the combustion chamber B.
Injection of water through atomizing nozzles 27 into the compressed air can also take place in order to control the performance of the machine.
For starting or for other temporary purposes you can also burn liquid fuels in the chamber 7 before the air inlet of the turbine, z. B. by burner 18 in Fig. 1, and / or even in the air cold 5 between the compressor outlet and the drum 6 by means of the burner 19, in which case the heat exchanger is heated ra shearer and gentler than when starting only by the Main heating (on the outlet side) would take place.