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Kombinierte Gas- und Dampfturbine Der Wirkungsgrad einer Gasturbine
wird um so höher, je höher die Gastemperatur beim Eintritt in die Turbine ist. Der
Temperaturerhöhung ist aber eine Grenze gesetzt durch den Schaufelwerkstoff. Der
für die Beschaufelung verwendete hochwarmfeste Werkstoff ist sehr hoch legiert und
infolgedessen auch außerordentlich teuer. Außerdem läßt er im kurzzeitigen Betrieb
Gastemperaturen von höchstens 950° C nach dem heutigen Stand der Technik zu.
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I--in sehr wirksames Mittel zur Erhöhung der Gastemperatur über diesen
Wert hinaus - auch für lange Betriebszeit-ist die Anwendung einer Kühlung, insbesondere
einer Flüssigkeitskühlung.
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Da die Flüssigkeitskühlung sehr intensiv ist, wird dem Gas eine verhältnismäßig
große Wärmemenge entzogen. Um den dadurch bedingten Verlust wenigstens teilweise
auszugleichen, hat man bei Wasser als Kühlmedium vorgeschlagen, den im Gasturbinenläufer
erzeugten Dampf in einer Dampfturbine auszunutzen.
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Um eine wirtschaftlicheAusnutzung diesesDampfes in einer Dampfturbine
zu gewährleisten, ist eine vollkonimene Kondensationsanlage mit allem Zubehör erforderlich.
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Da die iiri Läufer erzeugte Dampfmenge ini Vergleich zum gesamten
Wärmeumsatz der Gasturbinenanlage klein ist, läßt sich bei Anlagen kleiner bis niittlererGröße
kein günstigerWirkungsgrad derEnergietunsätze in der Dampfturbine erzielen.
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Um die Wirtschaftlichkeit der Dampfturbine zu erhöhen, hat man auch
schon vorgeschlagen, den im Läufer und in den übrigen gekühlten Bauteilen erzeugten
Dampf vor Eintritt in die Dampfturbine zti überhitzen.
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Es sind auch kombinierte Gas-Dampf-Turbinenanlagen bekanntgeworden,
bei denen außer dem Läufer und den Laufschaufeln der Gasturbine auch ihre Leitapparate,
das Turbinengehäuse und die Brennkammer gekühlt werden. Bei diesen Anlagen wird
naturgemäß mehr Dampf erzeugt, so daß die Dampfturbine wirtschaftlicher arbeiten
kann.
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Diese Anlagen haben noch den weiteren Vorteil, daß wesentliche hIengen
von Legierungselementen für das Turbinengehäuse, die Leitapparate, die Brennkammer
usw. eingespart werden können.
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Der Zweck dieser bekannten Anlagen ist, eine möglichst geringe Wärmemenge
durch Kühlung von den die Gasturbine beaufschlagenden Verbrennungsgasen abzuführen.
Diese Gase sollen mit möglichst hohen Temperaturen in der Gasturbine verarbeitet
werden. Die Kühlung soll nur bezwecken, die gekühlten Teile der Anlage, d. h. den
Läufer, die Laufschaufeln, Gehäusewandungen usw. selbst so kühl zu halten, daß die
zum Teil sehr hohen Beanspruchungen vom Werkstoff dieser Teile aufgenommen werden
können. Die Dampfturbine bleibt also hierbei ein zusätzliches Aggregat, das leistungsmäßig
hinter der Gasturbine weit zurücktritt.
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Die Erfindung bezieht sich auf kombinierte Gas-Dampf-Turbinenanlagen,
bei denen der Gasturbinenläufer, die Leitapparate, die Brennkammer sowie das Zuström-
und Gasturbinengehäuse mit Wasser gekühlt sind und vor dem Eintritt der Verbrennungsgase
in die Gasturbine ein Gberhitzer angeordnet ist, um den erzeugten Dampf vor seinem
Eintritt in die Dampfturbine zu überhitzen. Der eigentliche Brennraum der Brennkammer
ist hierbei frei von Heiz- bzw. Überhitzerflächeneinbauten.
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Zur Verbrennung des Brennstoffes in der Brennkammer wird nur die für
eine vollkommene Verbrennung erforderliche Mindestluftmenge zugeführt.
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Der Zweck der Erfindung ist, die Temperatur der Verbrennungsgase vor
Eintritt in die Gasturbine auf etwa 1000 bis 1100° C allein durch Wärmeabfuhr an
die Heiz- bzw. überhitzerflächen abzusenken. Durch diese Maßnahme wird der Austrittsverlust
der Gasturbine klein gehalten; außerdem wird der Anteil der Dampfturbinenleistung
an der Gesamtleistung groß und kann sogar die Leistung der Gasturbine überschreiten.
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Es liegt auf der Hand, daß es wesentlich einfacher ist, eine gekühlte
Gasturbine für eine Gastemperatur von etwa 1000 bis l100° C betriebssicher und für
lange Lebensdauer geeignet zu bauen als eine Gasturbine, bei der. man mit der Gastemperatur
extrem hoch geht. Dies ist ein weiterer Vorteil der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet, den Wirkungsgrad der Gesamtanlage
auch bei Teillasten wirtschaftlicher zu gestalten. Im allgemeinen nimmt der Wirkungsgrad
einer Gasturbinenanlage, insbesondere einer Einwellenanlage, mit abnehmender Last
schneller ab als der einer Dampfturbinenanlage. Nach der Erfindung wird nun bei
Lastverringerung die Gasturbinenleistung annähernd konstant gehalten und
die
Dampfturbinenleistung verringert' durch verminderte Brennstoffzufuhr zur Brennkammer.
Bei gleiches I.uftmengewird dadurch dieTemperatur in derBrennkammer herabgesetzt.
Mit abnehmender Temperatur nimmt auch der Wärmeübergang an die Heizflächen ab. 1:.
sinkt daher die Gaseintrittstemperatur in die Gasturbine in einem weniger starken
Maße. Lm aber eine konstante Gasturbinenleistung zu behalten, muß die Gaseintrittstemperatur
konstant bleiben. Es wird daher erfindungsgemäß zwischen dem Überhitzer und dein
1?intritt in die Gasturbine zusätzlich Brennstoff eingeführt, dessen Wärme also
lediglich zum Erhöhen der Gaseintrittstemperatur in die Gasturbine benutzt Nvird.
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Diese Anordnung kommt hauptsächlich für Eiiiwellenanlagen zur Stromerzeugung
in Frage. Wegen der konstanten Drehzahl der Welle bleibt auch die Luftmenge konstant,
so daß bei Verringerung der eingespritzten Brennstoffmenge die Luftüberschußzahl
zunimmt und eine Nachverbrennung vor der Gasturbine ermöglicht.
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Nach einer anderen Variante der Erfindung wird ein Teil der vom Verdichter
kommenden Luft, nach (lern Wärmeaustauscher, d. h. vor dein Eintritt in die Brennkammer,
abgezweigt und zum Ermöglichen der zusätzlichen Verbrennung hinter dem Überhitzer
mit dem zusätzlichen Brennstoff gemeinsam in die Verbrennungsgase vor Eintritt in
die Gasturbine eingeführt.
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Hierdurch hat man noch einen weiteren Vorteil-Durch die Abzweigung
der Luft vor der Brennkammer wird die Verbrennungsgasmenge, die die Dampferzeugung
bewirkt, verringert und damit auch die Leistung der Dampfturbine. Sie wird also
aus zwei Gründen kleiner, einmal durch Herabsetzen der Temperatur der Verbrennungsgase
und ferner durch Verringern der Verbrennungsgasmenge.
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In den Fig. 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anordnung der gekühlten Brennkammer mit der Gasturbine schematisch dargestellt,
und zwar in Fig. 1 im Längsschnitt und in Fig. 2 in einem Schnitt nach der Linie
I-1 der Fig. 1. Der untere Teil 1 der Brennkammer ist von dein Kühlmantel 2 umgehen
und enthält den eigentlichen Brennraum. Der Brennstoff wird durch mehrere tangential
angeordnete Brenner 3 in den Brennraum eingeführt und dort verbrannt. Die vom nicht
dargestellten Verdichter kommende Luft wird durch die Leitung 4 dem am unteren Ende
der Brennkammer befindlichen Lufteintritt 5 zugeführt. Am oberen Ende des Brennkammerteils
1 befindet sich der Überhitzer 6 für den Wasserdampf. An dem Brennkammerteil1 angeflanscht
ist das mit dem unterenTeil desZuströmgehäuses der Gasturbine zusammengebaute Mittelstück
7 der Brennkammer. Das Mittelstück 7 ist mit Pratzen 8 auf dem Turbinenfundament
9 gelagert, derart. daß die Auflageflächen der Pratzen 8 in der durch die Achse
des Zuströmgehäuses gelegten horizontalen Ebene liegen. In dem Mittelstück 7 sind
ferner die beiden Lager 10 und 11 angeordnet, die die Turbinenwelle 12 tragen. An
dem einen Ende der Welle 12 befindet sich der durch Wasser gekühlte trommelförmige
Läufer 13 der Gasturbine mit den Turbinenschaufeln 14. Der im Läufer 13 und in den
hohlen Turbinenschaufeln 14 erzeugte Dampf wird durch eine zentrale Bohrung in der
Welle 12 zur Abnahrnestelle 15 des Dampfes geleitet. Von hier strömt der Dampf durch
die Leitung 16 zum Dampfsammelraum 17 des oberen Teils 18 der Brennkammer. Der erzeugte
Dampf wird vom oberen Ende des Dampfsammelraumes 17 durch die Leitung 19 zum Über
hitzer 6 geführt und nach Durchströmen de> L'1)erhitzers durch die Leitung 20 der
Dampfturbine 21 zugeleitet. Die Dampfturbine ist mit der Welle 12 der Gasturbine
verbunden. -Nach Entspannung in der Dampfturbine 21 strömt der Dampf durch den Al)
dampfstutzen 22 einem nicht dargestellten Kondensator oder einem anderen Verwendungszweck
zu. Aa; das Mittelstück 7 und das Oberteil 18 der Brennkammer ist das Gasturbinengehäuse
23 angeflanscht. das die Leitschaufeln 24 trägt. Das Gasturbinengehäuse 23 ist von
dem Kü hlinantel 25 umgeben. Um einen Wasserumlauf und Allführung des erzeugten
Dampfes zu ermöglichen, ist der Kühlraum 25 durch die Leitung 26 mit dem Kühlraum
des Brennkammeroberteils 18 verbunden. Die Verbrennungsgase treten nach Durchströmen
des Überhitzers 6 durch das Zu--strömgehäuse 27 in die Gasturbine ein. Zur zusätzlichen
Verbrennung von Brennstoff hinter dem Überhitzer 6 kann durch die Brenner 28 Brennstoff
eingeführt werden.