CH188702A - Method for operating a combustion turbine plant. - Google Patents

Method for operating a combustion turbine plant.

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CH188702A
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combustion
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Honert August Van Den
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Honert August Van Den
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Description

  

  Verfahren zum Betrieb einer     Ver        brennungstnrbinenanlage.       Die Erfindung bezieht sich auf ein Ver  fahren zum Betrieb einer     Verbrennungstur-          binenanlage,    wobei in einer Strahldüse Luft  und zerstäubter Brennstoff unter Überdruck  zusammengebracht werden.  



  Solche Verbrennungsturbinen, bei denen  gleichzeitig erstrebt wird, die Expansion  teilweise     isothermisch    verlaufen zu lassen.  haben den Nachteil:  1. dass die Brennstoffmenge pro kg ver  dichteter Luft durch .die Wärmemenge be  schränkt ist, die zugeführt werden muss, um  die Expansion teilweise     isothermisch    ver  laufen zu lassen, wobei die obere Tempera  turgrenze durch die Temperatur bestimmt  wird, welche der Werkstoff der Strahldüse  vertragen kann;       II.    dass .der Brennstoff der Luft an Stel  <B>2</B>  len der Strahldüse zugeführt wird, an denen  die Gasgeschwindigkeiten in der Strahldüse  so gross sind, dass eine gute     -Mischung    nicht  möglich ist.

      Um diese Nachteile zu beheben, werden  erfindungsgemäss die gesamte Menge des  Brennstoffes und die Luft in einem     Raum     zusammengebracht, der sich vor dem engsten       Querschnitt    der Düse befindet, und wird  mittels eines Zerstäubers der     Brennstoff    in  einer solchen Entfernung von dem engsten       Querschnitt    der Düse mit der Luft gemischt,  dass die Verbrennung des Teils des Brenn  stoffes, der     zwischen    dem Zerstäuber und dem  engsten     Querschnitt    der Düse verbrennt, die  Temperatur so erhöht, dass sie vor dem eng  sten Querschnitt der Düse über die     Zünd-          temperatÜi-    des Brennstoffes steigt,

   während  der Rest .des Brennstoffes     in    dem sich er  weiternden Teil der Düse zur     Verbrennung     gelangt. Die Turbinenanlage kann dabei so  ausgeführt werden, dass die Strahldüse einen  Teil einer     Strahlvorriehtung    bildet, die die  Gase am     Auslass    der Turbine ansaugt, und  dass eine gleichbleibende     CTasmenge,    die aus  einem Teil der angesaugten Gase und     einem     Teil     der-        Verbrennungsgase    aus der Strahl-      düse gebildet wird, im Kreislauf durch die  Turbine, einen Kühler und die     Strahlvor-          richtung    hindurchgeführt wird.  



  Es sind bereits Turbinen bekannt, bei  denen in dem Raum, der sich vor der Kehle  der Strahldüse befindet, .die ganze zuge  führte Brennstoffmenge restlos verbrennt.  Bei diesen Einrichtungen ist die Brennstoff  menge pro kg Luft     -wieder    durch die Tempe  ratur bestimmt, welcher der     Werkstoff    aus  gesetzt werden kann.  



  Wenn jedoch, wie es gemäss der Erfin  dung geschieht, die     Verbrennung    teilweise in  dem sich erweiternden Teil der Strahldüse  erfolgt, so wird der Temperaturerhöhung  entgegengearbeitet, und zwar dadurch,     dass     die in dem sich erweiternden Teil der Strahl  düse erfolgende Expansion Wärme ver  braucht. Es wird dann möglich, ohne Beein  trächtigung des Werkstoffes der Strahldüse  den Brennstoff mit einem     Mindestüberschuss     an Luft zu verbrennen, was zur Erlangung  eines günstigen Nutzeffektes der Verbren  nungsturbine von der grössten Bedeutung ist.  Die Expansion braucht dabei nicht     isother-          misch    zu verlaufen; dieses würde sogar, wie  nachstehend nachgewiesen wird, schädlich  sein.  



  Aus dem     ersten    Hauptsatz der Thermo  dynamik ist herzuleiten,     dass    das Endergeb  nis der     Wärmezufuhr    in den beiden nach  stehenden Fällen das gleiche sein kann:       cz)    Die Wärmezufuhr erfolgt bevor die  Umwandlung von Druckenergie in kinetische  Energie anfängt (also unter gleichbleibendem  Druck), wonach die Expansion     adiabatisch     verläuft.  



  b) Die Wärmezufuhr erfolgt während  der Umwandlung von Druckenergie in ki  netische Energie. Es ist hierbei nur Bedin  gung,     .dass    während dieser Energieumwand  lung keine äussere Arbeit durch das Gas ge  leistet     -wird    und alle erhaltene kinetische  Energie im Gas     erhalten    bleibt; es kann  dieses durch die Wahl einer richtigen Form  der Strahldüse erzielt werden.  



  In beiden Fällen sind kinetische Energie    und     Endtemperatur    des sich ergebenden  Strahls gleich.  



  In beiden Fällen ist die pro kg Luft zu  verbrennende Brennstoffmenge nur durch die  Möglichkeit einer vollkommenen Verbren  nung     begrenzt,    im Gegensatz zu einem Ver  fahren, bei dem die Expansion teilweise     iso-          thermisch    verläuft.

   Während jedoch im  Falle     a    bei Verbrennung mit einem     Mindest-          überschuss    an Luft die Temperatur so hoch  ansteigen würde, dass zum Schutz des Werk  stoffes des Verbrennungsraumes ein grosser  Teil der Wärme durch Kühlung     abgeführt     werden müsste, kann im Fall b durch richtige  Formgebung der     ,Strahldüse    die Temperatur  so niedrig gehalten werden, dass keine Wärme  durch Kühlung     abgeführt    zu werden braucht.  



  Der thermische     Nutzeffekt    für die Fälle       a    und b ist der gleiche. Wiewohl demnach  der Vorgang b innerhalb verhältnismässig  enger Temperaturgrenzen zustande kommt,  ist der Nutzeffekt demjenigen des Vorganges  gleich, bei welchem die obere Temperatur  grenze viel zu hoch liegt, um praktisch aus  führbar zu sein.  



  Eine     Ausführungsform    des Gegenstandes  der Erfindung ist als Beispiel auf der Zeich  nung dargestellt, und zwar zeigt diese sche  matisch eine vollständige, nach dem vorlie  genden Verfahren arbeitende Turbinenanlage.  



  Der Kompressor     c    fördert die     Dr^uekluft     in die Verbrennungsstrahldüse s, in welcher  der durch die Brennstoffpumpe o zugeführte  Brennstoff mittels eines Zerstäubers z zer  stäubt und in einer solchen Entfernung von  dem engsten Querschnitt der     .Strahldiise    s  mit der Luft gemischt     -wird,    dass die Ver  brennung des zwischen dem Zerstäuber  und dem engsten Querschnitt der Strahldüse  verbrennenden Teils des Brennstoffes die  Temperatur so erhöht, dass sie vor dem eng  sten Querschnitt der Strahldüse über die       Zündtemperatur    des Brennstoffes steigt,

         während    der Rest des Brennstoffes in dem  sich erweiternden Teil der     Strahldiise    s zur  Verbrennung gelangt. Die Strahldüse     j,    bil  det einen Teil einer     Strahlvorrichtung    g. Bei      dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel  besitzt diese Vorrichtung     einen    umlaufenden,  mit schraubenförmig verlaufenden Kanälen  versehenen Rotor, in welchem das in den Ka  nälen befindliche Gas durch den aus der  Düse s kommenden Gasstrahl verdichtet und  aus den Kanälen ausgestossen wird. Zufolge  der     schraubenförmigen    Gestalt der Kanäle  wird der die Kanäle enthaltende Rotor durch  das durchströmende Gas in Umdrehung ver  setzt und bedarf demnach keines besonderen  Antriebes.

   Die     Strahlvorrichtung    saugt die  aus dem     Auslass    der Turbine     t    ausströmen  den Gase über eine Kühlvorrichtung     1e    an  und das andere Ende der     Strahlvorrichtung     steht mit dem Einlass der Turbine in Ver  bindung. Die     angesaugte    Gasmenge wird in  der     Strahlvorrichtung    mit den Verbrennungs  gasen des in der Strahldüse s gebildeten       Brennstoffluftgemisches    gemischt, so dass  die aus der     Strahlvorrichtung    ausströmende  Gasmenge grösser ist als die angesaugte. Der       Überschu3    entweicht als Auspuffgas bei et  in die Aussenluft.

   Die Anordnung des     Aus-          lasses    für die Auspuffgase hängt von der  Ausführungsart des Verfahrens ab. Bei der  Anordnung, wie sie in der Zeichnung darge  stellt ist, ist angenommen, dass die Strahl  vorrichtung am     Auslass    der Turbine einen       Unterdruck    erzeugt und der Gasdruck hinter  der     Strahlvorriehtung,    bei     u,    dem atmosphä  rischen Druck entspricht.

   Wird dem an  gesaugten Gas in der     Strahlvorrichtung    je  doch ein     Überschuss    an Energie zugeführt,  sei es in Form einer grossen Geschwindigkeit,  oller als Überdruck über den Atmosphären  druck, so kann die durch .die     Strahlvorrich-          tung    gelieferte Gasmenge diesen Überschuss  an Energie vorerst an den ersten Teil der  Turbine abgeben, worauf die für den Kreis  lauf überflüssige Gasmenge unter atmo  sphärischem     Druck    und mit kleiner     Ge-          sehwindigkeit    entweicht.  



  Während der Mischung der aus der Tur  bine angesaugten Gase mit den Verbren  nungsgasen in der     Strahlvorrichtung    findet  auch eine Wärmeübertragung von den heissen  Verbrennungsgasen auf die gekühlten ange-    saugten Gase     statt.    Wenn die Arbeitsgase,  wie bei dem dargestellten Beispiel, den  Kreislauf durch die Turbine, den Kühler  und die     Strahlvorrichtung    ausführen, wird  der Nutzeffekt der     ,ganzen    Anordnung ver  bessert, im Vergleich zu einer Arbeitsweise,  bei der die Gase nach     Durchströmung     der Turbine als Auspuffgase entweichen.

    Die     Expansion    in der Turbine bei hoher  Temperatur liefert nämlich eine     grössere     Energiemenge als die Verdichtung der glei  chen Menge in der     Strahlvorrichtung    bei  gleichem Druckgefälle erfordert, jedoch aus  gehend von einer Anfangstemperatur, die  niedriger ist als die Endtemperatur der Ex  pansion.  



  Die Turbine selbst kann beliebig, zum  Beispiel als     Druckturbine,    Überdruckturbine  usw. ausgeführt werden.  



  Es ist nicht erforderlich, dass die Energie  für eine     Maschine    nur durch eine einzige       Strahlvorrichtung    geliefert wird; besonders  für hohe Leistungen wird es sich empfehlen,  mehrere     Strahlvorrichtungen    anzuwenden,  die entweder parallel oder in Reihe arbeiten       können.    Der Kompressor kann     unmittelbar     durch die     Hauptturbine    oder durch eine be  sondere Turbine oder irgend eine andere  Kraftmaschine     angetrieben    werden.

   Auch  können mehrere Kompressoren zusammen die  für eine Hauptmaschine erforderliche Ver  brennungsluft     liefern.    Bei nur teilweiser Be  lastung kann dann ein Teil der Kompres  soren und gegebenenfalls ein Teil der Strahl  vorrichtungen ausser Betrieb gesetzt werden.  



  Als Brennstoff kann flüssiger, gasförmi  ger oder fester Brennstoff, zum Beispiel  Kohlenstaub,     Verwendung    finden.



  Procedure for operating an incineration plant. The invention relates to a method for operating a combustion turbine system, air and atomized fuel being brought together under excess pressure in a jet nozzle.



  Combustion turbines of this type, in which at the same time the aim is to allow the expansion to proceed partially isothermally. have the disadvantage: 1. that the amount of fuel per kg of compressed air is limited by the amount of heat that has to be added to allow the expansion to run partially isothermally, with the upper temperature limit being determined by the temperature at which the Material of the jet nozzle can tolerate; II. That .the fuel is fed to the air at point 2 of the jet nozzle at which the gas velocities in the jet nozzle are so great that good mixing is not possible.

      In order to overcome these disadvantages, according to the invention, the entire amount of fuel and the air are brought together in a space which is located in front of the narrowest cross section of the nozzle, and the fuel at such a distance from the narrowest cross section of the nozzle with the Air mixed so that the combustion of the part of the fuel that burns between the atomizer and the narrowest cross-section of the nozzle increases the temperature so that it rises above the ignition temperature of the fuel in front of the narrowest cross-section of the nozzle,

   while the rest of the fuel comes to combustion in the widening part of the nozzle. The turbine system can be designed in such a way that the jet nozzle forms part of a jet device that sucks in the gases at the outlet of the turbine, and that a constant amount of C gas, which consists of part of the sucked in gases and part of the combustion gases from the jet nozzle is formed, is passed in the circuit through the turbine, a cooler and the jet device.



  Turbines are already known in which the entire amount of fuel supplied burns completely in the space in front of the throat of the jet nozzle. With these facilities, the amount of fuel per kg of air is again determined by the temperature to which the material can be exposed.



  However, if, as it happens according to the invention, the combustion takes place partially in the expanding part of the jet nozzle, the temperature increase is counteracted by the fact that the expansion occurring in the expanding part of the jet nozzle consumes heat. It is then possible to burn the fuel with a minimum excess of air without adversely affecting the material of the jet nozzle, which is of the greatest importance for obtaining a favorable efficiency of the combustion turbine. The expansion need not be isothermal; this would even be harmful, as will be demonstrated below.



  From the first law of thermodynamics it can be deduced that the final result of the heat supply can be the same in both of the following cases: cz) The heat supply takes place before the conversion of pressure energy into kinetic energy begins (i.e. under constant pressure), after which the Expansion is adiabatic.



  b) The heat is supplied during the conversion of pressure energy into kinetic energy. The only condition here is that no external work is done by the gas during this energy conversion and that all kinetic energy obtained is retained in the gas; this can be achieved by choosing the correct shape of the jet nozzle.



  In both cases the kinetic energy and final temperature of the resulting jet are the same.



  In both cases, the amount of fuel to be burned per kg of air is only limited by the possibility of complete combustion, in contrast to a process in which the expansion is partially isothermal.

   However, while in case a with combustion with a minimum excess of air the temperature would rise so high that a large part of the heat would have to be removed by cooling to protect the material of the combustion chamber, in case b the jet nozzle can be shaped correctly the temperature can be kept so low that no heat needs to be dissipated by cooling.



  The thermal efficiency for cases a and b is the same. Although process b thus comes about within relatively narrow temperature limits, the efficiency is the same as that of the process in which the upper temperature limit is much too high to be practically feasible.



  An embodiment of the subject matter of the invention is shown as an example on the drawing voltage, namely this shows cal cally a complete turbine system operating according to the present method.



  The compressor c conveys the compressed air into the combustion jet nozzle s, in which the fuel supplied by the fuel pump o is atomized by means of an atomizer z and is mixed with the air at such a distance from the narrowest cross section of the .Strahldiise s that the Combustion of the part of the fuel burning between the atomizer and the narrowest cross section of the jet nozzle increases the temperature so that it rises above the ignition temperature of the fuel in front of the narrowest cross section of the jet nozzle,

         while the rest of the fuel is burned in the widening part of the jet. The jet nozzle j forms part of a jet device g. In the example shown in the drawing, this device has a revolving rotor provided with helically extending channels, in which the gas located in the channels is compressed by the gas jet coming from the nozzle and ejected from the channels. As a result of the helical shape of the channels, the rotor containing the channels is rotated by the gas flowing through it and therefore does not require any special drive.

   The jet device sucks in the gases flowing out of the outlet of the turbine t via a cooling device 1e and the other end of the jet device is connected to the inlet of the turbine. The amount of gas sucked in is mixed in the jet device with the combustion gases of the fuel-air mixture formed in the jet nozzle, so that the amount of gas flowing out of the jet device is greater than that sucked in. The excess escapes into the outside air as exhaust gas at et.

   The arrangement of the outlet for the exhaust gases depends on the type of implementation of the method. In the arrangement, as it is Darge in the drawing, it is assumed that the jet device generates a negative pressure at the outlet of the turbine and the gas pressure behind the jet device, at u, corresponds to the atmospheric pressure.

   If, however, an excess of energy is supplied to the gas sucked in in the jet device, be it in the form of a high speed or as excess pressure above atmospheric pressure, the amount of gas delivered by the jet device can initially use this excess energy release the first part of the turbine, whereupon the excess amount of gas for the cycle escapes under atmospheric pressure and at low speed.



  During the mixing of the gases sucked in from the turbine with the combustion gases in the jet device, there is also a transfer of heat from the hot combustion gases to the cooled, sucked in gases. If the working gases, as in the example shown, perform the cycle through the turbine, the cooler and the jet device, the efficiency of the whole arrangement is improved compared to a mode of operation in which the gases escape as exhaust gases after flowing through the turbine .

    The expansion in the turbine at high temperature delivers a greater amount of energy than the compression of the same amount in the jet device with the same pressure gradient requires, but starting from an initial temperature that is lower than the end temperature of the expansion.



  The turbine itself can be designed as desired, for example as a pressure turbine, overpressure turbine, etc.



  It is not necessary that the energy for a machine is only supplied by a single jet device; Especially for high powers it is recommended to use several jet devices that can work either in parallel or in series. The compressor can be driven directly by the main turbine or by a special turbine or any other prime mover.

   Several compressors together can also supply the combustion air required for a main engine. If the load is only partial, some of the compressors and possibly some of the jet devices can then be put out of operation.



  Liquid, gaseous or solid fuel, for example coal dust, can be used as fuel.

 

Claims (1)

PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zum Betrieb einer Verbren nungsturbinenanlage, wobei in einer Strahldüse Luft und zerstäubter Brenn stoff unter Überdruck zusammenge bracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die ,gesamte Menge des Brennstoffes und die Luft in einem Raum vor dem engsten Querschnitt der Strahldüse zu- sammengebracht werden, wobei der Brennstoff mittels eines Zerstäubers in einer solchen Entfernung von dem eng sten Querschnitt der Düse mit der Luft gemischt wird, dass die Verbrennung des zwischen dem Zerstäuber und dem eng sten Querschnitt der Strahldüse verbren nenden Teils des Brennstoffes die Tem peratur so erhöht, PATENT CLAIMS I. A method for operating a combustion turbine system in which air and atomized fuel are brought together under excess pressure in a jet nozzle, characterized in that the total amount of fuel and the air are brought together in a space in front of the narrowest cross section of the jet nozzle the fuel is mixed with the air by means of an atomizer at such a distance from the narrowest cross-section of the nozzle that the combustion of the part of the fuel burning between the atomizer and the narrowest cross-section of the jet nozzle increases the temperature so dass sie vor dem eng sten Querschnitt der Strahldüse über die Zündtemperatur des Brennstoffes steigt, während der Rest des Brennstoffes in dem sich erweiternden Teil der Strahl düse zur Verbrennung gelangt. 1I. Verbrennungsturbinenanlage zur Aus führung des Verfahrens nach Patentan spruch I, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens eines Brennstoffzer stäubers der Brennstoff in so grosser Entfernung vor dem engsten Querschnitt der Strahldüse zerstäubt wird, dass die Verbrennung des zwischen dem Zerstäu ber und dem engsten Querschnitt der Strahldüse verbrennenden Teils des Brennstoffes die Temperatur so erhöht, that it rises above the ignition temperature of the fuel in front of the narrowest cross-section of the jet nozzle, while the rest of the fuel reaches the combustion nozzle in the widening part of the jet nozzle. 1I. Combustion turbine system for executing the method according to patent claim I, characterized in that the fuel is atomized by means of at least one fuel atomizer at such a great distance from the narrowest cross section of the jet nozzle that the combustion of the burning between the atomizer and the narrowest cross section of the jet nozzle Part of the fuel increases the temperature so dass sie vor dem engsten Querschnitt der Strahldüse über die Zündtemperatur des Brennstoffes steigt, während der Rest des Brennstoffes in dem sich erweitern den Teil der Strahldüse zur Verbrennung gelangt. UNTERANSPRUCH: Verbrennungsturbine nach Patentan spruch II, dadurch gekennzeichnet, d.ass die Strahldüse einen Teil einer Strahlvorrich- tung bildet, die die Gase vom Auslass der Turbine ansaugt, und dass eine gleich bleibende Gasmenge, die aus einem Teil der angesaugten Gase und einem Teil der Ver brennungsgase aus der Strahldüse gebildet wird, im Kreislauf durch die Turbine, that it rises above the ignition temperature of the fuel in front of the narrowest cross-section of the jet nozzle, while the rest of the fuel reaches the combustion in the expanding part of the jet nozzle. SUBClaim: Combustion turbine according to patent claim II, characterized in that the jet nozzle forms part of a jet device which sucks in the gases from the outlet of the turbine, and that a constant amount of gas, which consists of part of the sucked in gases and part the combustion gases are formed from the jet nozzle in a circuit through the turbine, einen Kühler und die Strahlvorrichtung hindurch geführt wird. a cooler and the blasting device is passed through.
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