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Gasturbinenanlage mit Aufteilung des Gesamtwärmegefälles in mehrere
Abschnitte Abgesehen von der Dimensionierung und dem Nutzeffekt der einzelnen Elemente
einer beliebigen Gasturbinenanlage, ist der Wirkungsgrad des Prozesses in erster
Linie abhängig von der Höhe der Anfangstemperatur. Diese Temperatur ist bei allen
bekannten Gasturbinenausführungen stets identisch mit der Eintrittstemperatur des
Gases in die Turbine. Hierdurch ist die zulässige Höchsttemperatur nach oben begrenzt,
was mithin auch für den erreichbaren Wirkungsgrad zutrifft.
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Es sind nun viele Vorschläge gemacht worden, diese durch die Zunderbeständigkeit
und die Dauerstandsfestigkeit der Turbinenbeschaufelung gesetzten Grenzen zu verschieben,
um höhere Gastemperaturen anwenden zu können.
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Die idealste Lösung wäre ein Verfahren, das es ermöglichte, die für
keramische bzw. Sinterstoffe zulässigen Höchsttemperaturen in ruhenden Einrichtungen,
die aus diesen Stoffen bestehen oder mit ihnen ausgekleidet sind, auszunutzen und
gleichzeitig die- Gastemperatur am Turbineneintritt auf den Wert zu begrenzen, der
der möglichen Wärmebeanspruchung der Schaufeln entspricht. So wäre eine Gasturbinenanlage
gegeben, die in jeder Beziehung nach dem jeweiligen Stande der Werkstofftechnik
den höchst erreichbaren Wirkungsgrad erzielen würde.
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Es ist nun bereits bekannt, bei einer Gasturbinenanlage das Gesamtwärmegefälle
in mehrere Abschnitte aufzuteilen, von denen der Mittel- und der Endabschnitt aus
mittelbar oder unmittelbar hintereinandergeschalteten Turbinen bestehen, während
der obere Abschnitt als Strahlverdichter ausgebildet ist, der mittels Teilexpansion
der Gasmenge im oberen Abschnitt eine am Ende des Mittelabschnitts entnommene Teilgasmenge
auf den Anfangsdruck des Mittelabschnittes und eine geringere Temperatur als die
Höchsttemperatur des oberen Abschnittes bringt, wobei die am Ende des Mittelabschnittes
entnommene Teilgasmenge im Mittelabschnitt weiterexpandiert. Die bisher erreichten
Wirkungsgrade derartiger Anlagen ließen jedoch zu wünschen übrig, da die Verdichtung
der Gasmengen des Mittelabschnittes durch die Gasmengen des oberen Abschnittes mit
Hilfe der allgemein bekannten Strahlverdichter erfolgte, welche mit einem sehr schlechten
Wirkungsgrad behaftet sind.
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Zur Verbesserung des Wirkungsgrades der vorstehend näher benannten
Anlage wird daher erfindungsgemäß der Strahlverdichter als Ausgleichsdüse ausgebildet,
in der die Gasmengen des oberen und des mittleren Abschnittes in Düsen auf gleiche
überkritische Geschwindigkeit gebracht werden, wobei hinter den Düsen ein Ausgleichsraum
zum Druckausgleich quer zur Strömungsrichtung angeordnet ist, dessen Querschnitt
sich in Strömungsrichtung so weit verengt, daß die Ausgleichsarbeit in Druck umgewandelt
wird und die axiale Geschwindigkeit der Gasmengen von Anfang bis Ende des Ausgleichsraumes
konstant bleibt, wobei hinter dem Ausgleichsraum Diffusoren angeordnet sind, in
welchen die kinetische Energie der Gesamtgasmenge die fehlende Druckdifferenz bis
zum Anfangsdruck des Mittelabschnittes liefert.
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Damit entfällt der für das obere Druckgebiet sonst vorgesehene Turbinenteil.
Dafür wird dessen Wärmegefälleanteil dazu benutzt, die Verdichtung im vorstehend
angegebenen zusätzlichen Kreislauf durchzuführen. Dabei verhält sich die expandierte
Gasmenge zur verdichteten umgekehrt wie das Expansions- zum Verdichtungsgefälle.
Der erzielte mittlere Druck ist der Eintrittsdruck der Gasturbine. Diese wird nun
in dem Teil, dem die Verdichtung parallel geschaltet ist, beaufschlagt mit der Gasmenge
des Verdichters und der Gasmenge, die in dem zusätzlichen Kreislauf umläuft. Der
Verdichter hat das ganze Druckverhältnis des Prozesses zu erzeugen. Das Druckverhältnis
der Turbine ist also kleiner.
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In Abb. 1 wird ein ganz einfaches Schaltschema gezeigt. Der Hauptkreislauf
wird gebildet von den Verdichtern K, und K2 mit Zwischenkühler 2, vom Wärmetauscher
WT, von der Brennkammer Br, der Ausgleichsdüse D und den Turbinen T, und
T2. Der zusätzliche Kreislauf läuft durch die Turbine T, und die Ausgleichsdüse
D. Zwischen den Turbinenteilen T, und T2 kann eventuell eine Zwischenüberhitzung
H vorgesehen werden, die in Abb.1. gestrichelt gezeichnet ist.
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Die Ausgleichsdüse, deren Ausbildung Gegenstand der Erfindung ist,
bezweckt den Ausgleich des unterschiedlichen Zustands zweier Gasmengen auf einen
gemeinsamen mittleren Zustand, beispielsweise verschiedener Drücke auf einen mittleren
Druck, ohne eine Änderung der Entropie der Gesamtgasmengen. Dieser Vorgang ist im
is-Diagramm der Abb. 2 schaubildlich dargestellt. In der Ausgleichsdüse werden beide
Gasmengen, beispielsweise konzentrisch geführt und in den konzentrischen Düsen mittels
Drucksenkung von p, auf p,' und p2 auf p,' auf
eine gleiche überkritische
Geschwindigkeit gebracht. Danach erfolgt ein Druckausgleich in radialer Richtung
in dem an die Düsen anschließenden Ausgleichsraum, dessen Querschnitt sich in Strömungsrichtung
stetig nach einer Sinus-Funktion verringert. Hierbei entsteht eine Drucksteigerung
auf den Druck pm' , wobei die Verdichtungsarbeit aus der radialen Druckausgleichsarbeit
gedeckt wird. Die während dieses Vorganges konstant bleibende axiale Geschwindigkeit
der Gasmengen wird erst in den auf den Druckausgleichsraum folgenden Diffusoren
zur Verdichtung der Gasmenge auf den gewünschten Druck pm verbraucht.
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Bei Bedarf können mehrere Düsen parallel geschaltet werden. Zur Bewältigung
eines größeren Durchsatzes kann auch eine konstruktive Zusammenfassung der Düsen
in einer Reihenanordnung ähnlich einem Schaufelgitter entwickelt werden. Dieses
kann bei großen Durchsätzen und relativ niedrigen Drücken von Vorteil sein.
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Das Prinzip ist so zu verstehen, daß das Gefälle vom Druck p1 bis
zum Druck P. (Eintrittsdruck an der Turbine) die Durchsatzmenge in dem Turbinenteil
zwischen p. und P2 so vergrößert hat, daß dieser Teil mit dem Turbinenteil zwischen
P2 und p, die gleiche Leistung erzielt, als ob die normale Durchsatzmenge, die der
Verdichter liefert, in einer Turbine vom Druck p, bis ausgenutzt worden wäre. Dabei
würde hier jedoch am Eintritt der Turbine die Höchsttemperatur auftreten, während
sie im ersten Fall gemäß der Erfindung nur der Endtemperatur nach der Expansion
von p1 auf @m entspricht.
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Bei den bekannten Anlagen mit Strahlverdichter in der Oberstufe und
Turbinen in Mittel- und Endstufe ist es also möglich, bei jeder beliebigen Höchsttemperatur
des Prozesses durch Wahl der Druckverhältnisse in weiten Grenzen die Turbineneintrittstemperatur
festzulegen, ohne daß am Wirkungsgrad der Gesamtanlage etwas geändert wird. Bei
diesen Anlagen bleiben die günstigen Eigenschaften hoher Temperaturen auf den Prozeßwirkungsgrad
voll erhalten, während an der Kraftmaschine nur mäßige Temperaturen herrschen, wenn
der Strahlverdichter erfindungsgemäß ausgebildet ist. Bei Anwendung höchster Temperaturen
treten diese nur im ersten Teil der Düse auf, während die Eintrittstemperatur an
der Turbine niedriger liegt als die Höchstwerte. Für die Turbine werden also je
nach Auslegung der Werte unter Umständen keine Sonderbaustoffe benötigt. Das Sondermaterial
für den ersten Teil der Ausgleichsdüse fällt nicht ins Gewicht. Bei den bekannten
Anlagen, deren Strahlverdichter auf Erzielung gleicher Drücke bei unterschiedlichen
Geschwindigkeiten ausgelegt sind, kommen diese Vorteile nicht voll zur Geltung,
weil infolge der üblichen Strahlverdichterauslegung der Wirkungsgrad zu stark beeinträchtigt
wird. Erst durch die vom Stand der Technik unterschiedliche Ausbildung des Strahlverdichters
können sich die Vorteile der Anlage voll auswirken.
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Das Anlassen der Düse wird sich einfach gestalten. Zunächst saugt
ähnlich einem üblichen Strahlverdichter die Gasmenge höheren Druckes mit Überschallgeschwindigkeit
die Gasmenge niederen Druckes an. Beide Gasmengen kommen bei steigendem Druck schließlich
auf gleiche Überschallgeschwindigkeit. Von diesem Augenblick an arbeitet die Düse
nach dem geschilderten Prinzip als Ausgleichsdüse. Nach einer anderen Art geschieht
das Anlassen der Düse, indem erst die Gasmenge mit dem niedrigen Druck p2 auf Sperrgeschwindigkeit
gebracht wird. Erst dann wird die Gasmenge mit dem hohen Druck p1 zugelassen und
auf gleiche Geschwindigkeit eingestellt. Die nötigen Hilfs- und Steuereinrichtungen
ergeben sich aus der jeweiligen Anwendungsart der Düse und ihrer Einordnung in die
Kraftanlage.
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Bei richtiger und guter Ausführung der Ausgleichsdüse ist ein relativ
hoher Wirkungsgrad zu erwarten, so daß trotz des äußerst einfachen und kostensparenden
Aufbaues der Anlage ein sehr hoher Nutzeffekt erzielt wird.
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Die Anlage eignet sich für offene und geschlossene Gasturbinenprozesse.
Bei den geschlossenen Prozessen ist freilich die Höchsttemperatur von der Ausführung
des Lufterhitzers abhängig. Sie wird wesentlich unter der Höchsttemperatur von offenen
Prozessen liegen. Es ließe sich aber unter Umständen durch Temperatursenkung an
der Turbine der Aufwand an Sonderbaustoffen vermeiden.
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Gegenüber den eingangs gegebenen Beispielen und auch sonst bekannten
Maßnahmen zur Heraufsetzung der Prozeß-Anfangstemperatur stellt die neue Anlage
nach der vorliegenden Erfindung eine Lösung der bisher bestehenden Probleme dar.