DE952223C - Krafterzeugungsanlage mit Gasturbinensatz - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 15. NOVEMBER 1956

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Krafterzeugungsanlage mit einem Gasturbinensatz, und zwar auf eine Maschinenanlage, in der ein Gasturbinensatz und eine Brennkraftkolbenmaschine im Verbundbetrieb arbeiten.

Bei der Erfindung wird ein Gasturbinensatz verwendet, der im sogenannten »umgekehrten« offenen Kreislauf arbeitet. In einem solchen Kreislauf wird das heiße Arbeitsmittel (Gas) in zeitlicher Aufeinanderfolge zunächst in einer Turbine in der Regel auf Unterdruck entspannt, dann gekühlt, anschließend auf ungefähr Atmosphärendruck verdichtet und schließlich ins Freie ausgeblasen.

Es ist bereits bekannt, heiße Auspuffgase mit etwas Atmosphärendruck als Arbeitsmittel in einem »umgekehrten« Kreislauf zu verwenden. Man hat auch schon vorgeschlagen, einen weiteren Gasstrom in zweckentsprechender Weise dem Hauptstrom des Arbeitsmittels vor dessen Eintreten in die Turbine zuzumischen und ihn vorher unter gleichzeitiger Kühlung des aus der Turbine austretenden gesamten Arbeitsmittelstromes zu erhitzen.

Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung der Anpassungsfähigkeit eines im umgekehrten Kreislauf arbeitenden Gasturbinensatzes an die betrieblichen Anforderungen.

Die Erfindung bezweckt ferner, eine Krafterzeugungsanlage mit einer Brennkraftkolbenmaschine und einem Gasturbinensatz zu schaffen, die es gestattet, bei unterschiedlichen Leistungsan-

forderungen stets einen guten Wirkungsgrad zu erreichen.

Es ist bereits bekannt, bei Krafterzeugungsanlagen der genannten Art in der Verbindungsleitung zwischen der Brennkraftkolbenmaschine und dem Gasturbinensatz ein Auslaß- oder Auspuffventil vorzusehen, das auch einen Betrieb der Brennkraftkolbenmaschine allein gestattet, während der Gasturbinensatz nach entsprechender Umschaltung von Ventilen als normaler Gasturbinensatz betrieben wird.

Die Erfindung besteht darin, daß bei einer Krafterzeugungsanlage mit einer Brennkraftkolbenmaschine und einem Gasturbinensatz, die mit Um-Schaltvorrichtungen (Ventilen) versehen ist, die eine Umschaltung des durch die Anlage fließenden Gasstromes gestatten, die Umschaltvorrichtungen oder Ventile derart ausgebildet und angeordnet sind, daß in einer ihrer Stellungen der Gasstrom zunächst durch einen Kompressor und dann durch eine Turbine fließt, während in einer zweiten Stellung heiße Gase der Brennkraftmaschine zunächst durch die Turbine und dann durch den Kompressor strömen.

In der ersten Stellung der Ventile arbeitet der Gasturbinensatz im normalen offenen Kreislauf, während in der zweiten Stellung der Ventile der Gasturbinensatz im umgekehrten Kreislauf arbeitet, wobei er die heißen Auspuffgase der Brennkraftmaschine aufnimmt. Bei dieser Betriebsweise kann eine zusätzliche Wärmequelle vorhanden sein, die dem dem Turbinensatz zugeleiteten Gasstrom zusätzliche Wärme zuführt, während der Gasturbinensatz ein Aufladegebläse für die Brennkraftmaschine treibt.

Besonders vorteilhafte Wirkungsgrade lassen ; sich erzielen, wenn die Brennkraftmaschine ein | Dieselmotor ist. I

Für die praktische Ausführung der Erfindung werden in einer Krafterzeugungsanlage mit einem im offenen Kreislauf arbeitenden Gasturbinensatz Vorrichtungen für das Ansaugen, Verdichten, Entspannen, regelbare Erhitzen, Kühlen und Ausblasen des Arbeitsmittels verwendet und Ventile vorgesehen, die es gestatten, die von dem Arbeitsmittel durchlaufenen Stufen in der Reihenfolge: Einlaß, Erhitzen, Entspannen, Kühlen, Verdichten und Ausblasen, oder in der Reihenfolge: Einlaß, Verdichten, Erhitzen, Entspannen und Ausblasen zu schalten.

Die Erfindung soll im folgenden an dem Beispiel der Kombination eines in offenem Kreislauf arbeitenden Gasturbinensatzes und eines Dieselmotors näher erläutert werden.

In der Zeichnung ist eine derartige Maschinenanlage schematisch dargestellt; es zeigt

Fig. ι das Schaltbild einer Maschinenanlage, Fig. 2 eine Zusammenstellung der möglichen Betriebsarten der Anlage gemäß Fig. 1 in Form einer Tabelle.

Die Maschinenanlage, deren grundsätzlicher Aufbau in Fig. ι dargestellt ist, enthält einen Dieselmotor 10. Die Auspuffgase des Dieselmotors werden 'von der Auspuffsammelleitung des Motors zum Ventil Ά geführt, das — jeweils entsprechend 6g seiner Stellung — die Gase entweder durch die Leitung 11 zum Einlaß der Turbine 12 oder über das Rohr 13 unmittelbar ins Freie leitet. Mit dem Einlaß der Turbine 12 ist auch der Auslaß der Brennkammer 14 verbunden, der über das Ventil B Arbeitsmittel zugeführt wird. Das Ventil B kann entweder über die Leitung 15 mit dem Ventil C oder mit der einen Seite des Wärmetauschers 16 verbunden sein.

Die Abgasleitung 17 der Turbine 12 ist unmittelbar an ein Ventil D angeschlossen, das entweder diese Leitung auf das unmittelbar ins Freie führende Rohr 18 schaltet oder sie mit der anderen Seite 19 des Wärmetauschers 16 verbindet. Das andere Ende der Wärmetauscherseite 19 ist über einen zweiten Wärmetauscher 20 an das Ventil E angeschlossen. Vom Ventil E führt eine Leitung zum Einlaßstutzen des Kompressors 21.

Ein nach dem Freien zu offenes Rohr 22 sitzt an dem Ventil F, das eine Verbindung dieses Rohres mit dem Einlaßstutzen des Kompressors 21 oder mit dem Teil 16 des ersten Wärmeübertragers gestattet.

Die Turbine 12 und der Kompressor 21 haben eine gemeinsame Welle 23; sie sind als selbstangetriebene Einheit ausgelegt. Auf der über den Kompressor 21 hinausragenden Verlängerung 24 der Welle 23 ist ein Aufladegebläse 25 befestigt. Frischluft kann in das Gebläse 25 durch das offene Rohr 26 eintreten. Die in dem Gebläse 25 verdichtete Luft wird über die Leitung 27 dem Dieselmotor 10 zugeführt. Die Welle 23 endet in dem Wellenstumpf 28, auf dem eine Kupplung 29 zur Abnahme mechanischer Leistung vorgesehen ist. Mechanische Leistung kann auch von dem Kupplungsflansch 30 der Dieselmotorwelle abgenommen werden. Falls erwünscht, lassen sich diese beiden Kupplungsflansche mechanisch miteinander verbinden. In dem Wärmetauscher 20 kann dem den Wärmetauscher durchfließenden Arbeitsmittelstrom durch den Kühlwasserkreislauf 31 Wärme entzogen werden.

Die Maschinenanlage gemäß Fig. 1 läßt sich in mehreren unterschiedlichen Betriebsarten betreiben. Diese unterschiedlichen Betriebsarten sind in einer Tabelle (Fig. 2) im einzelnen angegeben.

Zunächst kann der Dieselmotor allein arbeiten, wobei die gesamte Leistung über den Kupplungsflansch 30 abgegeben wird. Die Auspuffgase des Dieselmotors werden durch das Rohr 13 ins Freie geblasen. Der Arbeitsmittelkreislauf des Gasturbinensatzes ist durch die Ventile C, D und F gegen den freien Luftraum abgeschlossen. Es dürfte klar sein, daß die Kreissegmente in den Spalten der Tabelle die Stellungen der Ventile bezeichnen und mit der jeweiligen Stellung der in Fig. 1 dargestellten Ventile übereinstimmen.

Bei der zweiten Betriebsart werden die Auspuffgase des Dieselmotors nicht durch das Rohr 13 ins Freie geblasen, sondern durch die Rohrleitung 11 zum Einlaß der-Turbine 12 geleitet. Die Auspuff-

gase sind selbstverständlich heiß und haben einen Druck, der nur wenig über dem Atmosphärendruck liegt. In der Turbine 12 werden die Auspuffgase bis unter den Atmosphärendruck entspannt;' sie werden sodann über die Wärmetauscher 16/19 und 20 zum Kompressor 21 geleitet. Es sei darauf hingewiesen, daß die Ventile A, D und E in Fig. 1 in derjenigen Stellung gezeichnet sind, die sie bei einer solchen Betriebsart einnehmen. Dagegen schließt das Ventil B jeden Luftzufluß über den Wärmetauscher 16 zur Brennkammer 14 ab, so daß durch die obere Seite des Wärmetauschers keine Luft strömen kann. Infolgedessen gibt der Gasstrom durch die Seite 19 des Wärmetauschers 16 keine Wärme ab. Der Wasserkühlkreislauf 31 ist jedoch in Betrieb, und die Wärme der Turbinenabgase wird von dem Wasser aufgenommen. Die abgekühlten Gase laufen durch den Kompressor 21 — der durch die Turbine 12 angetrieben wird —, wobei sie auf Atmosphärendruck oder etwas darüber verdichtet werden. Über das Ventil C, das die ins Freie führende Ausblasleitung öffnet, werden die Gase ausgestoßen.

Bei der dritten Betriebsart wird von einer bereits bekannten Betriebsart Gebrauch gemacht, nach welcher in einem umgekehrten offenen Kreislauf ein zusätzlicher Strom eines Arbeitsmittels eingeführt und mit dem Hauptarbeitsmittelstrom unmittelbar am Einlaß der Turbine vereinigt werden soll. Dieser zusätzliche Strom ist im vorliegenden Fall Frischluft, und da er über den Wärmetauscher 16 geleitet wird, ist er in der Lage, aus den entspannten Abgasen, die die andere Seite 19' des Wärmetauschers durchfließen, Wärme aufzunehmen. Um von der zweiten Betriebsart in die dritte übergehen zu können, ist es nur nötig, die Stellung des Ventils B so zu ändern, daß über das Ventil F von dem Ansaugstutzen 22 her Frischluft durch den Wärmetauscher 16, das Ventil B₁, die Brennkammer 14 dem Einlaß der Turbine 12 zufließen kann. Zum Einsaugen der Luft kann in diesen Kreis am Ansaugstutzen 22 ein Ventilator eingebaut sein. Die Leistungsabgabe an dem Kupplungsflansch 29 ist in diesem Fall leicht dadurch -zu steuern, daß man Brennstoff in der Brennkammer 14 verbrennt und die Menge des der Brennkammer zugeführten Brennstoffes in Übereinstimmung mit der erforderlichen Leistung bringt. Wenn eine größere Menge Brennstoff in der Brennkammer 14 verbrannt werden muß, kann eine zusätzliche Luftzuführung zu dieser Kammer erforderlich sein. Das hierfür gegebenenfalls erforderliche Zuführungsrohr ist durch gestrichelte Linien in der Fig. 1 angedeutet. Die zusätzliche Zufuhr von Wärmeenergie in der oben beschriebenen Weise kann als eine weitere Betriebsart der Maschinenanlage angesehen werden, obwohl hierbei die Ventile in derjenigen Stellung stehen bleiben, die sie bei der dritten Betriebsart einnehmen.

Falls sehr große Leistungsabgabe erforderlich ist, kann der Kompressor-Gasturbinensatz abweichend von dem vorher beschriebenen umgekehrten offenen Kreislauf im gewöhnlichen offenen Kreislauf betrieben werden. Hierzu ist lediglich eine entsprechende Einstellung der Ventile A bis F 6g erforderlich. In dieser fünften Betriebsart werden die Auspuffgase des Dieselmotors wiederum unmittelbar über das Rohr 13 ins Freie geleitet und das Arbeitsmittel· für den Gasturbinenkreislauf wird durch den Ansaugstutzen 22 angesaugt. Das Ventil F ist dann in einer solchen Stellung, daß diese frische angesaugte Luft unmittelbar dem Kompressor 2 L zugeführt wird, während das Ventil E so steht, daß es ein Einströmen der Luft in den Wärmetauscher 20 verhindert. Die durch den Verdichter 21 verdichtete Luft wird durch das Ventil C am Ausblasen ins Freie gehindert und unmittelbar in die Leitung 15 gedrückt. Von hier fließt sie durch das Ventil B zur Brennkammer 14. Die verdichteten heißen Gase strömen aus der Brennkammer in die Turbine 12 und nach ihrer Entspannung durch die Rohre 17 und 18 ins Freie. Bei dieser Betriebsart ist der Druck des Arbeitsmittels in dem Kompressor und der Turbine höher als der entsprechende Druck, der beim umgekehrten Kreislauf vorhanden ist. Infolgedessen läßt sich eine größere Nutzarbeit erzielen.

Es dürfte klar sein, daß die oben beschriebene Anordnung eine Reihe von Betriebsarten ermöglicht, und zwar von dem normalen Dieselbetrieb allein bis zu der Kombination eines Dieselmotors und eines im einfachen offenen Kreislauf arbeitenden Gasturbinensatzes. Zwischen diesen beiden Extremen bestehen eine Reihe von Möglichkeiten der Betriebsführung mit untereinander verschiedenen thermischen Wirkungsgraden "der gesamten Anlage und unterschiedlicher Leistungsabgabe. Bei der Bewertung der Steigerung des thermischen Wirkungsgrades der gesamten Anlage ist zu beachten, daß 40% des Wärmeinhaltes des dem Dieselmotor zugeführten Brennstoffes bei normalem Dieselbetrkb in den Auspuffgasen, verlorengehen; wenn 15% dieses Verlustes in einem Gasturbinensatz wiedergewonnen werden können, ist dies gleichbedeutend mit einer Steigerung des gesamten thermischen Wirkungsgrades um 6°/o.

Während' des Arbeitens der Brennkammer 14 werden sowohl die Masse als auch die Temperatur des der Turbine zugeführten Gasstromes erhöht. Dementsprechend muß auch der Einlaßdruck der Turbine erhöht werden, wenn nicht· ihre »Schluckfähigkeit« geändert wird. Diese letztere Maßnahme muß angewendet werden, falls <\er Dieselmotor keinen Gegendruck verträgt; veränderliche Einlaßschaufeln am Turbineneinlaß bringen eine zufriedenstellende Lösung. Der Kompressor muß dann ebenfalls mit verstellbaren Einlaß schaufeln ausgestattet sein; er kann aber auch für einen weiteren Betriebsbereich mit einem schaufellosen Einströmapparat ausgestattet werden.

Ein Fachmann auf dem hier in Frage kommenden Gebiet wird verstehen, daß¹ die Kombination einer Brennkraftkolbenmaschine mit einer im umgekehrten offenen Kreislauf arbeitenden Gasturbine gegenüber den bekannten Vorschlägen, nach denen eine durch den Auspuff eines solchen Motors an-

getriebene einfache Turbine verwendet wird, insofern Vorteile bietet, als der umgekehrte offene Kreislauf nicht zu wesentlichen Gegendrücken an dem Verbrennungsmotor führt. Der Motor kafm infolgedessen mit seiner normalen Leistung arbeiten; seine Ausnutzung wird durch den zusätzlichen Betrieb des Gasturbinensatzes in keiner Weise verschlechtert.

Durch die Anwendung einer Maschinenanlage ίο gemäß der Erfindung ergibt sich ein guter thermischer Wirkungsgrad; außerdem steht eine sehr erhebliche zusätzliche Spitzenleistung zur Verfügung. Ein einziger Steuerhebel kann für die Einstellung der Ventile und die Zumessung des der Anlage -zugeführten Brennstoffes vorgesehen werden. Eine Anwendungsmöglichkeit einer solchen Anlage bietet sich bei der Erzeugung elektrischer Leistung, wenn Lastspitzen aufgenommen werden sollen. Es kann entweder der Dieselmotor oder die ao Gasturbine — die dann im offenen Kreislauf arbeitet — für die Abgabe der normalen Leistung ausgelegt sein, wobei der Dieselmotor natürlich einen besseren thermischen Wirkungsgrad hat als die im einfachen offenen Kreislauf arbeitende Gass5 turbine. Dennoch bietet die Möglichkeit, entweder den einen oder den anderen der beiden Leistungserzeuger allein mit der normalen Last zu beanspruchen, den Vorteil, daß man den Dieselmotor für notwendige Unterhaltungsarbeiten außer Betrieb setzen kann. Die Kombination des Dieselmotors und des Gasturbinensatzes (umgekehrter oder einfacher offener Kreislauf) kann allen Lastanforderungen bis zu der zulässigen Überlastgrenze gerecht werden.

Wenn die obige ausführliche Beschreibung bei der Verbrennungsmaschine einen Dieselmotor voraussetzt, erfolgt dies nur wegen der großen Vorteile, die gemäß der Erfindung bei der Verwendung eines Dieselmotors auftreten. Der thermische Wirkungsgrad des Dieselmotors ist an sich schon genügend hoch, so daß die Ausnutzung der großen Wärmemengen, die im Auspuff derartiger Maschinen verlorengehen, ganz erhebliche Vorteile bringt.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Krafterzeugungsanlage mit einer Brennkraftkolbenmaschine und einem Gasturbinensatz, wobei Umschaltvorrichtungen (Ventile) vorgesehen sind, die eine Umschaltung des durch die Anlage fließenden Gasstromes gestatten, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtungen, z. B. Ventile, derart ausgebildet und angeordnet sind, daß in einer ihrer Stellungen der Gasstrom zunächst durch einen Kompressor und dann durch eine Turbine fließt, während in einer zweiten Stellung heiße Gase der Brennkraftmaschine zunächst durch die Turbine und dann durch den Kompressor strömen.
2. 2. Krafterzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtungen, z. B. Ventile, derart angeordnet und ausgebildet sind, daß sie gleichzeitig mit dem ersten Gasstromweg einen Einlaß und einen Auspuff für die Brennkraftmaschine schaffen.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschriften Nr. 881 125, 314347; britische Patentschrift Nr. 578 120; USA.-Patentschrift Nr. 2503410;

   bekanntgemachte Unterlagen der deutsehen Patentanmeldung L 5652 Ia/46t (Patent Nr. 884130);

   Zeitschrift: »The Engineer«, Bd. 192 (1951), Nr. 5001, S. 707.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 609 526/40 5.56 (609 682 11.56)