DE1806471C3 - Gasturbinen-Kraftanlage mit geschlossenem Kreislauf - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Gasturbinen-Kraftanlage mit geschlossenem Kreislauf, bei der mindestens ein Verdichter, ein Kernreaktor als Wärmequelle, mindestens eine Turbine und ein Abgaswärmetauscher zur Vorwärmung des dem Kernreaktor zuzuführenden Arbeitsmittels gemeinsam innerhalb eines Druckgefäßes angeordnet sind.

Eine solche Kraftanlage ist bekannt aus den Euratom-Nachrichten, 4. Jahrgang, Nr. 3, September 1965, S. 96. Bei dieser bekannten Kernreaktor-Gasturbinen-Kraftanlage mit geschlossenem Kreislauf sind Kompressor, Turbine und rekuperativer Wärmeaustauscher innerhalb des Druckbehälters angeordnet und können aus diesem Druckgefäß nur einzeln entnommen werden. Der Ausbau der Wärmetauscher kann jedoch erst dann vorgenommen werden, wenn der Deckel des Betongefäßes entfernt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, alle die Kraftanlage bildenden Aggregate in kompakter Bauweise so innerhalb des Druckgefäßes anzuordnen.

daß sie gemeinsam ohne öffnen des Druckgefäßes entnommen werden können.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst daß der bzw. die Verdichter, die Turbine bzw. Turbinen und der Abgas-Wärmetauscher innerha'b eines gemeinsamen als Rohrzylinder ausgebildeten Trägeraufbaus angeordnet sind und daß der Trägeraufbau innerhalb einer Ausnehmung der Wandung des Druckgefäßes gelagert ist und unabhängig vom Kernreaktor aus dem Druckgefäß entnommen werden kann.

Ein solcher Rohrzylinder kann raumsparend in einer zylindrischen Ausnehmung der Wandung des Druckgefäßes angeordnet werden, und die öffnung kann beidseitig leicht verschlossen bzw. geöffnet werden, so daß der sämtliche Aggregate enthaltende Rohrkörper nach Lösung der Speiseleitung bzw. der Rückleitung auf einfachste Weise entnommen und auch wieder eingebaut werden kann, während der Kernreaktor außer Betrieb ist.

Es ist zwar durch die englische Patentschrift 799 212 und die USA.-Patentschrift 3 221982 bekannt, innerhalb zylindrischer Öffnungen des Druckgefäßes Aggregate unterzubringen, die von außen her zugänglich sind. Hierbei handelt es sich jedoch lediglich um Tuibo/irkulatoren, die für den Kreislauf des Mediums sorgen, nicht aber der Energieumwandlung dienen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Kühlvorrichtungen für die Kraftanlage vorgesehen, die ebenfalls innerhalb des Rohrzylinders angeordnet sind und mit diesem aus- bzw. eingebaut werden können.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Schnittansicht einer Gasturbinenanlage nach der Erfindung mit geschlossenem Kreislauf,

F i g. 2 eine schematische Grundrißansicht einer weiteren Gasturbinenanlage nach der Erfindung mit geschlossenem Kreislauf,

F i g. 3 einen Schnitt der Triebwerksanlage nach Fig. 1,

F i g. 4 einen Schnitt eines anderen Teils der Triebwerksanlage nach Fig. 1,

F i g. 5 einen Schnitt eines weiteren Teils der Triebwerksanlage nach F i g. 1.

In F i g. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 einen gasgekühlten Kernreakor, der in einem vorgespannten Betondruckgefäß 12 untergebracht ist und dessen Kühlmittel das Arbeitsmittel für die insgesamt mit 14 bezeichnete Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf bildet. Das Kühlmittel kann Helium oder Kohlenstoffdioxyd oder Argon oder eine Mischung davon sein. Statt dessen kann Stickstoff oder Wasserstoff benutzt werden oder jedes andere geeignete Strömungsmittel im gasförmigen Zustand, das als Kühlmittel für einen Kernreaktor verwendbar ist.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich, ist die Gasturbinenanlage 14 in einer Ausnehmung 16 innerhalb des Druckgefäßes 12 untergebracht, wobei die Drehachse parallel zur Vertikalachse des Reaktors 10 verläuft. Speiseleitungen 18 bzw. Rückführungsleitungen 20 sind zwischen Reaktor 10 und Gasturbinenanlage 14 angeordnet, so daß das Kühlmittel vom Reaktor nach der Gasturbinenanlage gelangen kann und nachdem es durch die Gasturbinenanlage hindurchgetreten ist, zurück zu dem Reaktor.

Die Gasturbinenanlage 14 weist einen Niederdruckkompressor 22 auf, der auf einer Welle 24 sitzt und von einer Turbine 26 angetrieben wird, die im folgenden als Kompressorturbine bezeichnet wird, und der Auslaß des Niederdruckkompressors steht mit einci.i wassergekühlten Zwischenkühler 28 in Verbindung. Der Auslaß des Zwischenkühlers 28 steht mit dem Einlaß des Hochdruckkompressors 30 in Verbindung, der ebenfalls auf der Welle 24 montiert ist und der Aus';»ß des Hochdruckkompressors 30 steht m^;t dem Einlaß eines Rekuperators 32 über Leitungen 34 in Verbindung.

Der Rekuperator 32 besteht aus mehreren Rohren 33, die mit axial verlaufenden Rippen (nicht dargestellt) verbunden sind und zusammen in einem Bündel so angeordnet sind, daß sich ihre Achsen parallel zueinander deiart erstrecken, daß Strömungsmittel vom Kompressor 30 über die Leitungen 34 durch die Rohre 33 in Wärmetausch mil dem übrigen Strömungsmittel hindurchtreten, welch letzteres *> die Außenwände der Rohre bestreicht. Die Ouelle dieses weiteren Strömungsmittels wird nachfolgend beschrieben.

Der Rekuperator kann auch irgendeine andere Gestalt aufweisen und insbesondere mehrere Kanäle in Platten besitzen, die packweise andgeordnet sind und den Rekuperator bilden.

Der Auslaß des Rekuperators 32 steht mit dem Rohr 20 in Verbindung, während das Rohr 18 mit dem Einlaß der Turbine 26 in Verbindung steht.

Der Auslaß der Turbine 26 steht mit dem Einlaß einer Nutzleistun^sturbine 36 in Verbindung, die von einer Welle 38 getragen wird, welche koaxial zur Welle 24 liegt und einen elektrischen Generator 40 antreibt, dessen Kühlmittel vorzugsweise das gleiche ist wie das Kühlmittel des Reaktors, das jedoch von einem getrennten Kreis oder von einer getrennten Quelle herangeführt wird.

Die Welle 38 erstreckt sich durch den Rekuperator 32 und wird von vier im axialen Abstand zueinander liegenden Lagern 42,44, 46, 48 getragen.

Der Ausgang der Nutzleistungsturbine 36 steht mit dem Rekuperator 32 derart in Verbindung, daß das Strömungsmittel, das durch die Turbine 36 hindurchtritt, über die äußeren Oberflächen der Rohre 33 +5 streichen kann, und zwar in Wärmetausch mit dem Strömungsmittel, das durch die Rohre 33 hindurchtritl und der Auslaß dieses Strömungspfades des Rekuperators 32 steht mit Leitungen 50 in Verbindung, die mit dem i-inlaß des Kompressors 22 in Verbindung stehen.

hm Vorkühler 52 liegt zwischen dem Rekuperator 32 und den Leitungen 50, um Wärme von dem Arbeitsmittel abzuziehen, bevor dieses in den Kompressor 22 eintritt.

Sowohl der Vorkühler 52 als auch der Zwischenkühler 28 sind wassergekühlt, und das Wasser wird durch einen äußeren Wärmetauscher gekühlt und wird dann zurückgeführt, um eine weitere Kühlung im Vorkühler 52 und im Zwischenkühler 28 zu hewirken. Die Einlaß- und Auslaßverbindungen für den Vorkühler 52 und den Zwischenkühler 28 erstrecken sich durch das untere Ende des Druckgefäßes 12 ebenso wie Ölleitungen und andere Instrumentarien (nicht dargestellt). f>5

Die Gasturbinenanlage 14 wird zusammen mit dem Rekuperator 32, dem Vorkühler 52 und dem Zwischenkühler 28 von einer gemeinsamen Tragstruktur aufgenommen, die von einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse 54 gebildet wird, das aus dem Druckgefäß 12 unabhängig von dem Reaktor 10 entfernt werden kann, um Gasturbinenanlage 14, Rekuperator 32, Vorkühle·- 52 und Zwischenkühler 28 kühlen und warten zu können.

Die Kompressoren 22 und 30 können zusammen mit der Turbine 26 als Einheit getrennt aus dem Gehäuse 54 entfernt werden.

Wenn die Anlage im Betrieb befindlich ist, dann strömt Gas von dem Reaktor 10 durch die Speiseleitung 18 nach dem Einlaß der Kompressorturbine 26, um eine Drehung der Kompressoren 22 und 30 zu bewirken. Nachdem das Gas durch die Turbine 26 hindurchgetreten ist, strömt es durch die Nutzungsieistungsturbine 36, um eine Drehung der Welle 38 und somit des Generators 40 zu bewirken.

Beim Verlassen der Nutzungsleistungsturbine 36 strömen die Gase über die Außenwandungen der Rohre 33 im Rekuperator 32, wo sie durch Gas gekühlt werden, das den Hochdnickkompressor 30 durchlaufen hai und in den Vorkühler 52 eintritt, wo es weiter abgekühlt wird. Das Gas tritt dann in den Kompressor 26 ein, wo der Druck erhöht wird und gelangt dann in den Zwischenkühler 28.

Wenn Has Gas den Zwischenkühler 28 verläßt, tritt es durch den Kompressor 30 und strömt durch die Rohre 33 des Rekuperators 32, wo Wärme von den Gasen übertragen wird, die durch die Nutzleistungsturbine 36 hindurchgetreten sind und dann strömt das Gas über das Rohr 20 nach dem Reaktor 10 zurück.

Die Erfindung wurde vorstehend an Hand eines gasgekühlten Kernreaktors beschrieben, jedoch kann auch ein gasgekühlter, mit schnellen Neutronen arbeitender Reaktor Verwendung finden, und ferner ein Reaktor, der durch Strömungsmittel gekühit wird, die in Warmetausch mit dem Arbeitsmittel des Triebwerks stehen.

In F i g. 1 gibt die Linie 58 die Bodenhöhe an und es ist ersichtlich, daß die Gasturbinenanlage 14 aus dem Betondruckgefäß 12 durch Anheben des Gehäuses 54 vertikal nach oben entfernt werden kann. Es können geeignete Ventile in den Leitungen 18 und 20 vorgesehen sein, um cm Entweichen des Strömungsniittels zu verhindern.

Statt dessen kann die Gasturbinenanlage 14 auch vertikal nach unten aus dem Druckgefäß 12 abgesenkt werden.

Es soll nunmehr auf F i g. 3 der Zeichnung Bezug genommen werden. Diese Figur stellt einen Schnitt rechtwinkelig /ur Achse des Gehäues 54 dar, und es ist ersichtlich, daß das Gehäuse 54 im Abstand zueinander angeordnete radial innere und radial äußere Wandungen 60 bzw. 62 aufweist. Mehrere Rohre 64 erstrecken sich parallel zur Achse des Gehäuses 54 und liegen im Ringraum /wischen den zylindrischen Wandungen 60, 62.

Im Betrieb wird Kühlmittel den Rohren 64 zugeführt, derart, daß das Gehäuse 54 gekühlt wird, wodurch die Neigung zur Verzerrung des Gehäuses 54 im Bereich der Hochtemperaturzonen vermindert wird. Das Kühlmittel kann Wasser sein, das entweder von der gleichen Quelle zugeführt wird, die den Vorkühler 52 und den Zwischenkühler 28 mit Wasser speist oder es kann von einer getrennten Quelle herrühren.

F i g. 4 ist ein Schnitt in einer Ebene, die die Achse

des Gehäuses 54 enthält, und diese Figur zeigt einen Wege, auf dem die Rohre 33 des Rekuperators 32 mit dem Rohr 20 verbunden sein können. Die Rohre 33 stehen mit einer Mehrfach-Ringleitunj; 70 in Verbindung, die koaxial zum Gehäuse 54 liegt und drei 5 axial benachbarte, im wesentlichen gleiche kreisförmige Ringleitungcn 71, 72, 73 aufweist, die miteinander verschweißt oder in anderer Weise verbunden sind, um eine einzige Ringkammer zu bilden. Im wesentlichen sämtliche Rohre 33 stehen mit der radial inneren Oberfläche der Ringlcituiig 70 in Verbindung, während das Rohr 20 radial nach außen von der äußeren Oberfläche der Ringleitung 70 vorsteht. Die Form der Ringlcitung 70 gewährleistet, daß die Verbindung zwischen dem Rohr 20 und den Rohren 33 von ausreichender Festigkeit und trotzdem relativ kompakt bleibt.

Fig. 5 zeigt einen Axialschnitt des Rohres 18 und läßt erkennen, daß das Rohr 18 mit Kühlmitteln in Gestalt von einer Vielzahl von ineinander geschachtelten, kegelstumpfförmigen, elastischen Ringkörpern 80 versehen ist, die über den gesamten Umfang mit der Innenoberfläche des Rohres in geeigneter Weise verbunden sind. Kleine Ringkammern 82 werden durch die innere Oberfläche des Rohres 18 und benachbarte Bauteile 80 begrenzt, und diese Kammern stehen mit dem Inneren 84 des Rohres 18 über kleine Ringspaltc 86 zwischen benachbarten Bauteilen in Verbindung.

Eine Vielzahl von Löchern 88 ist in der Wand des Rohres 18 vorgesehen, um eine Verbindung mit jeder der Kammern 82 herzustellen.

Im Betrieb strömt das vom Kernreaktor 10 erhitzte Arbeitsmittel durch das Innere 84 des Rohres 18 und Kühlmittel (dies kann ein Arbeitsmittel sein, das von einem Punkt im Kompressor des Triebwerkes 14 abgezapft ist) wird den Löchern 88 und dann den Kammern 82 zugeführt. Das Kühlmittel strömt dann in das Rohr 18 über die Spalte 86 ein und kühlt so die Wandungen des Rohres 18. Die Geschwindigkeit des Kühlmittelstromes wird durch den Druck im Inneren des Rohres 18 und den Widerstand der Bauteile 80, die elastisch bestimmen, bis zu welchen Ausmaß sich die Spalte 86 öffnen.

Während nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fi g. 1, 3, 4 und 5 der Zeichnung nur eine Gasturbinenanlage 14 dargestellt wurde, kann auch mehr als eine Gasturbinenanlage benutzt werden, wie aus Fig.2 ersichtlich, wobei sämtliche Anlagen an die gleiche Wärmequelle angeschlossen sind.

Gemäß dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Gasturbinenanlagen 14 vertikal angeordnet; sie konnten jedoch auch horizontal liegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

■Patentansprüche:

1. Gasturbinen-Kraftanlage mit geschlossenem Kreislauf, bei der mindestens ein Verdichter, ein Kernreaktor als Wärmequelle, mindestens eine Turbine und ein Abgaswärmetauscher zur Vorwärmung des dem Kernreaktor zuzuführenden Arbeitsmittels gemeinsam innerhalb eines Druckgefäßes angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Verdichter(22, 30), die Turbine bzw. Turbinen (26, 36) und der Abgas-Wärmetauscher (32) innerhalb eines gemeinsamen als Rohrzyiinder ausgebildeten Trägeraufbaus (54) angeordnet sind und daß der Trägeraufbau (54) innerhalb einer Aurnchinurg (16) der Wandung des Druckgefäßes (12) gelagert ist und unabhängig vom Kernreaktor (10) aus dem Druckgefäß (12) entnommen werden kann.

2. Gasturbinen-Kraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrzylinder (54) über Speiseleitungen (18) bzw. Rückführungsleitungen (20) mit dem Kernreaktor (10) verbunden ist, die nach der Turbine (26, 36) bzw. dem Wärmetauscher (32) führen.

3. Gasturbinen-Kraftanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrzylinder (54) mit axial verlaufenden Kühlkanälen (64) in der Zylinderwand versehen ist.

4. Gasturbinen-Kraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (32) aus einer Vielzahl von Kanälen (33) besteht, die sich in Achsrichtung erstrecken.

5. Gasturbinen-Kraftanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitung (18) mehrere ineinandergeschachtelte, elastische Ringkörper (80) umgibt und daß ein Kühlmittel in die zwischen der inneren Oberfläche der Leitung und dem benachbarten Ringkörper gebildeten Spalt einführbar ist.