Verfahren zum Betrieb von Gasturbinenanlagen, insbesondere für Luft- und Wasserfahrzeuge. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Gasturbinenanlagen, insbe sondere für Luft- und Wasserfahrzeuge, bei dem der eine Teil des Arbeitsgases in einem geschlossenen, der andere Teil in einem offe nen Prozess geführt wird, und beide Teile einer Verdichtung und Entspannung sowie Erwärmung und Abkühlung unterworfen werden.
Das Verfahren mit Führung des Arbeits gases teilweise in offenem und teilweise in geschlossenem Prozess eignet sich grundsätz lich für solche Gasturbinenanlagen. die grosse Gasvolumina bei möglichst kleinem Raum und Gewicht zu verarbeiten haben, also z. B. für Antriebe von Luftfahrzeugen, die in grosser Höhe fliegen sollen und für solche Gasturbinenanlagen, die ausserdem ein mög lichst kleines ein- und austretendes Gasvolu men aufweisen sollen, wie sie z. B. für den Antrieb von Wasserfahrzeugen vorkommen.
Besonders für den Antrieb von Luftfahr zeugen sind aber die Anforderungen an die Gasturbinenanlage se gross, dass die bisher bekannten Verfahren mit Führung des Ar beitsgases teilweise in offenem und teilweise in geschlossenem Prozess nicht genügen.
Es ist bekannt, bei Gasturbinenanlagen rnit Führung des Arbeitsgases teilweise in offenem und teilweise in geschlossenem Pro zess, die zur Verbrennung notwendige Luft als in einem offenen Prozess geführten Teil des Arbeitsgases auf den Druck des in einem g o eschlossenen Prozess #I geführten Teils vor sei- ner Verdichtung zu bringen und sodann mit diesem Teil durch Mischung zu
vereinigen. Die Erwärmung beider Teile des Arbeitsgases erfolgt sodann gemeinsam in ein- und dem selben Erhitzer, z. B. in einer Brennkammer unmittelbar durch Verbrennung von Brenn stoff.
Mit zunehmender Temperatur vor der Turbine nimmt auch das sekundliche Gewicht des in einem offenen Prozess geführten Teils gegenüber dem des im geschlossenen Prozess geführten Teils zu, so dass bei einer der stöchiometrischen Verbrennung entsprechen den Temperatur vor der Turbine dieses Ver fahren in das Verfahren mit Führung des Arbeitsgases in einen offenenProzess übergeht.
Die angeführten Vorteile dieses Verfah rens nehmen also mit zunehmender Tempera tur vor der Turbine ab. Dieses Verfahren wird daher besonders bei verhältnismässig kleinen Temperaturen vor der Turbine An wendung finden. Bei einem dementsprechend kleinen Verhältnis der sekundlichen Gewichte des im offenen und des im geschlossenen Pro zess geführten Teils des Arbeitsgases ist aber eine einwandfreie Verbrennung des Brenn stoffes bei Mischung dieser beiden Teile nicht aufrechtzuerhalten, da es in diesem Fa14e nicht zu vermeiden ist,
dass der im geschlos senen Prozess geführte Teil des Arbeitsgases im zunehmenden Masse aus sauerstoffreien Verbrennungsgasen besteht, so dass die Sauer- stoffkonzentration bei Mischung dieses Ver brennungsgases mit der Luft zur Durchfüh rung einer befriedigenden Verbrennung des Brennstoffes aus bekannten Gründen nicht genügt.
Die Verdichtung der Verbrennungsluft, welche den im offenen Prozess geführten Teil des Arbeitsgases bildet, von dem Aussendruck auf den Druck des im geschlossenen Prozess geführten Teils des Arbeitsgases vor seiner Verdichtung erfolgt nach diesem Vorschlag durch die Entspannung von Verbrennungs gasen, von denen ein Teil in einem offenen Prozess geführt wird. von dem Druck des im geschlossenen Prozess geführten Teils nach seiner Entspannung auf den Aussendruck, wo bei die Trennung der beiden Teile des Ar beitsgases in dem Wärmeaustauscher erfolgt.
Abgesehen davon, dass damit der Aufbau die ser Einrichtung der Gasturbine wesentlich erschwert wird, hat dieses Verfahren den Nachteil, dass die wichtige, regelbare Verän derung der Temperatur des im offenen Pro zess geführten Teils bei seiner Trennung von dem im geschlossenen Prozess geführten Teil nur durch komplizierte, die mittelbare Erwärmung bewirkende Einrichtungen mög lich ist. Bei einem andern Vorschlag erfolgt die Trennung der beiden Teile des Arbeitsgases erst nach dem Wärmeaustauscher.
Abgesehen davon, dass damit das Problem einer einfachen regelbaren Veränderung der Temperatur des im offenen Prozess geführten Teils bei seiner Trennung von dem im geschlossenen Prozess geführten Teil nicht gelöst ist, wird in den meisten Fällen die Grösse dieser Temperatur nicht mehr ausreichen, den für die vorteil hafte Anwendung des Verfahrens notwendig grossen Druckpegel aufrechtzuerhalten.
Aus diesem Grunde wurde bereits vorge schlagen, die Trennung der beiden Teile des Arbeitsgases vor dem Wärmeaustauscher durchzuführen. In diesem Falle ist es mög lich, einen entsprechend grossen Druckpegel zu erzeugen, doch ist damit auch eine für viele Anwendungszwecke der Gasturbinen- anlage untragbare Vergrösserung des spezi fischen Brennstoffverbrauches verbunden.
Derartige Anwendungszwecke sind aber gerade die Triebwerke von Luftfahrzeugen, insbesondere grosser Reichweite und Nutzlast sowie die Wasserfahrzeuge.
Die Erfindung beseitigt die beschriebenen Mängel der bisher vorgeschlagenen Verfah ren dadurch, dass die Teile des Arbeitsgases, auch wo sie getrennt geführt sind, gleich artigen Zustandsänderungen unterworfen werden.
Dies kann beispielsweise so durchgeführt werden, dass nach der Entspannung des im geschlossenen Prozess geführten Teils des Arbeitsgases in einer Hochdruckturbine und nach Vorkühlung dieses Teils in der Warm- gasseite eines Wärmeaustauschers, und nach der Vorverdichtung der Luft, welche den im offenen Prozess geführten Teil des Arbeits gases bildet in einem Niederdruckverdichter, die beiden Teile des Arbeitsgases getrennt.
geführt, dabei aber gleichartigen Zustands änderungen, vorzugsweise in gemeinsamen Einrichtungen, bis nach ihrer Vorwärmung in der Kaltgasseite des Wärmeaustauschers unterworfen werden. Anschliessend kann die Erwärmung des im offenen Prozess geführten Teils ausschliesslich durch vollständige Ver brennung des Brennstoffes beim obern Druck des Kreisprozesses und bei einer Luftzufuhr, die auf das für die vollständige Verbrennung notwendige Mass beschränkt ist, in einer Brennkammer erfolgen, die von dem im ge schlossenen Prozess geführten Teil getrennt angeordnet ist.
Die Erwärmung dieses Teils kann ausschliesslich durch Mischung mit dem im offenen Prozess geführten Teil in einer Mischkammer erfolgen. Nach der Entspan nung des im geschlossenen Prozess geführten Teils und nach Vorentspannung des im offe nen Prozess geführten Teils gemeinsam in einer oder getrennt in mehreren Hochdruck turbinen kann ein Teil des im offenen Prozess geführten Arbeitsgases zusammen mit dem im geschlossenen Prozess geführten Teil in der Wa.rmgasseite des Wärmeaustauschers vorgekühlt werden und darauf der vorge- kühlte Teil und der nicht vorgekühlte Rest des im offenen Prozess geführten Teils des
Arbeitsgases einer Entspannung in einer Niederdruckturbine unterworfen werden.
Insbesondere bei Gasturbinen für Luft- fahrzeuge ist es angezeigt, die Luft vor ihrer Vorverdichtung in dem Niederdruckverdich ter einer Geschwindigkeitsänderung in einer Fangdüse, den im offenen Prozess geführten Teil des Arbeitsgases nach seiner Entspan nung in der Niederdruckturbine einer solchen in einer Schubdüse zu unterwerfen.
Die Fig. 1 bis 3 stellen Ausführungsbei- spiele der Erfindung dar.
Die zur Verbrennung des Brennstoffes bei kleinstmöglicher Luftmenge notwendige Luft, welche den in einem offenen Prozess geführten Teil des Arbeitsgases bildet, wird gemäss Fig. 1 in einem Niederdruckverdich ter 1 vorverdichtet, nachdem sie z. B. bei Gasturbinenanlagen zum Antrieb von Luft fahrzeugen in einer Fangdüse 2 aufgefangen und einer Geschwindigkeitsänderung unter worfen wurde. Die so vorverdichtete Luft wird anschliessend in der Warmgasseite 3 eines regenerativ betriebenen Zwischenküh lers 4 abgekühlt (d. h. die abgeführte Wärme kommt dem Prozess wieder zugute) und so dann in einem Hochdruckverdichter 5 weiter verdichtet.
Nach einer anschliessenden Vor- wärmung in der Kaltgasseite 6 eines regene- rativ betriebenen Vorwärmers oder Wärme- austauschers 7 erfolgt die Erwärmung des im offen Prozess geführten Teils des Arbeits gases durch möglichst stöchiometrische Ver brennung von Brennstoff in einer besondern Brennkammer 8, die ausschliesslich von dem im offenen Prozess geführten Teil des Arbeits gases durchströmt wird.
Die Vereinigung dieses Teils und des im geschlossenen Prozess geführten Teils erfolgt anschliessend in einer Mischkammer 9, wobei durch die Mischung der beiden Teile des Arbeitsgases der im geschlossenen Prozess geführte Teil erwärmt. der im offenen Prozess geführte Teil abge kühlt wird.
Die Erwärmung der beiden Teile des Arbeitsgases durch den Brennstoff erfolgt also getrennt, unmittelbar in je einer beson deren Einrichtung 8 und 9.
Beide Teile des Arbeitsgases werden nun mehr gemeinsam in einer Hochdruckturbine 10 entspannt. Selbstverständlich könnte auch der im geschlossenen Prozess geführte Teil in einer Hochdruckturbine entspannt, der im offenen Prozess geführte Teil in einer zweiten Hochdruckturbine vorentspannt werden, wo bei in diesem Falle zweckmässigerweise die zweite Hochdruckturbine den Hochdruckver dichter 5 unmittelbar antreiben könnte.
Nach dieser Entspannung wird ein regel bar veränderlicher Teil des im offenen Prozess geführten Teils des Arbeitsgases sowie der gesamte im geschlossenen Prozess geführte Teil desselben gemeinsam in der Warmgas seite 11 des Regenerativ-Vorwärmers oder Wärmeaustauschers 7 vorgekühlt, der rest liche Teil des im offenen Prozess geführten Teils des Arbeitsgases getrennt über das Regelglied 12 geleitet und in diesem auf einen Zustand gebracht, der die Mischung dieses Teils grösserer Temperatur mit dem restlichen Teil kleinerer Temperatur des im offenen Prozess geführten Teils gestattet, so dass diese Teile zweckmässigerweise gemeinsam in der Niederdruckturbine 13 entspannt werden kön nen.
Anschliessend ist unter Umständen z. B. bei Luftfahrzeugen eine Geschwindigkeits- änderung in einer Schubdüse 14 notwendig.
Der im geschlossenen Prozess geführte Teil des Arbeitsgases, dessen sekundliches Ge wicht gleichbleibend gross ist, wird in der Wa.rmgasseite 15 eines, insbesondere bei Gas turbinenanlagen für Luftfahrzeuge, regene- rativ betriebenen Kühlers 16 abgekühlt, ehe er in dem Hochdruckverdichter 17 verdichtet wird, und wird vor Eintritt in die Mischkam mer 9 in der Kaltgasseite 23 des Vorwär- mers 7 vorgewärmt.
Es ist von Bedeutung, da.ss die getrennt geführten Teile des Arbeitsgases in den zu einer gemeinsamen Einrichtung vereinigten Kühlern 4 und 16, in den Hochdruckverdich tern 5 und 17 - die ebenfalls unter Umstän den zu einer gemeinsamen Einrichtung ver einigt werden . können - und in den Kaltgas- seiten 6 und 28 eines gemeinsamen Vorwär- mers 7 möglichst gleichartigen Zustandsände rungen unterworfen werden, wobei die Zu stände dieser beiden Teile des Arbeitsgases am Ein- und Austritt ihrer gemeinsamen Einrichtungen möglichst gleich sind.
Die Kühler 16 und 4, die zu einer gemein samen Einrichtung vereinigt sind, werden auf ihrer Kaltgasseite 18 von dem Kühlmittel durchströmt, das zum Zwecke einer möglichst günstigen Beeinflussung der Nutzleistung der Gasturbine zweckmässigerweise in einer Fang düse 19 einer Geschwindigkeitsänderung, so dann in einem Kühlgebläse oder einer Kühl pumpe 20 einer Verdichtung und bezw. oder einer Geschwindigkeitsänderung unterworfen wird, die Kaltgasseite 18 des Kühlers durch strömt und sodann gegebenenfalls in einer Turbine 21 einer Entspannung und bezw. oder Geschwindigkeitsänderung und in einer Schubdüse 22 einer Geschwindigkeitsände rung unterworfen wird.
Wenn eine Kühltur bine 21 vorgesehen ist, dann treibt diese vor teilhafterweise das Kühlgebläse oder die Kühlpumpe 20 an.
Die Vorverdichtung der Luft in dem Nie derdruckverdichter 1 erfolgt durch die Ent spannung des im offenen Prozess geführten Teils des Arbeitsgases in der Niederdruck turbine 13, wobei diese beiden Turbomaschi nen zu einem mechanisch unabhängigen Turbosatz vereinigt sind.
Es ist weiterhin von Bedeutung, dass Luft fahrzeuge grosser Reichweite durch ein grosses Startgewicht auf Grund des beim Start mit zuführenden Brennstoffgewichtes behindert sind. Die Grösse dieses Startgewichtes ist eine wesentliche Schwierigkeit bei der Verwirk lichung wirtschaftlicher Langstreckenflug zeuge, da die bisher für ihren Antrieb zur Anwendung gelangende Kolbenmaschine eine wesentliche Vergrösserung der Leistung am Boden gegenüber derjenigen in der Höhe nicht gestattet.
Man masste daher zu den verschiedenen bekannten Starthilfen greifen, z. B. zum Katapult, zur Flugzeugkopplung sowie in letzter Zeit zu Einrichtungen zur Vergrösse- rung des Startschubes, wie z. B. Raketen oder Hilfsstrahltriebwerke mit Gasturbinen.
Alle diese Einrichtungen sind keine be friedigenden Lösungen bei der Verwirkli- chung von Grossraumflugzeugen. Mit der Vergrösserung der Nutzlast ist eine Vergrösse rung der Flächenbelastung der Flugzeuge verbunden, da sonst die verhältnismässig rasche Zunahme des Gewichtsanteils des Tragwerkes eine Zunahme der Nutzlast bei Vergrösserung des Flugzeuges zunichte macht. Die grosse Flächenbelastung erfordert aber eine noch grössere Geschwindigkeit und Flä chenbelastung beim Start, die lediglich durch sehr grosse Start- und Reiseleistungen des Triebwerkes betriebssicher verwirklicht wer den können.
Es ist allgemein als ein wesentlicher Vor teil der Gasturbine anerkannt, dass sie bei Anwendung eines geeigneten Verfahrens: fähig ist, eine ausreichende Vergrösserung der Bodenleistung gegenüber der Höhenleistun.- (Reiseleistung) ohne besondere zusätzliche Hilfsmittel zu gestatten, so dass sich damit. die Eigensehaften der Gasturbine als Strö mungsmaschine und einer von ihr angetriebe nen Verstelluftschraube in zweckmässiger Weise ergänzen.
Das angeführte Verfahren gestattet, die Startleistung von Gasturbinenanlagen für Luftfahrzeuge zu vergrössern. Zu diesem Zwecke wird die Drehzahl des von dem im offenen Prozess geführten Teil des Arbeits gases durchströmten Niederdruckturbinen- satzes am Boden gegenüber der Drehzahl in der Höhe vergrössert.
Die Vergrösserung der Drehzahl erfolgt hierbei durch die Vergrösserung der Tempe ratur des im offenen Prozess geführten Teils des Arbeitsgases am Eintritt der Nieder druckturbine des Niederdruckturbinensatzes.
Diese Temperaturvergrösserung des im offenen Prozess geführten Teils des Arbeits gases kann entweder durch Vergrösserung des nicht über die Warmgasseite des Vor wärmers geführten Teils desselben oder durch die Verbrennung von zusätzlichem Brennstoff erfolgen.
Im letzteren Falle wird ein Teil der von dem Niederdruckverdichter des Nieder druckturbinensatzes geförderten Luft als im offenen Prozess geführter Teil des Arbeits gases zur Verbrennung des zusätzlichen Brennstoffes in einer zusätzlichen Nieder- druckbrennkammer herangezogen, wobei die so erhaltenen Verbrennungsgase mit dem restlichen, im offenen Prozess geführten Teil des Arbeitsgases vor seinem Eintritt in die Niederdruckturbine des Niederdruckturbinen satzes gemischt werden.
Zu diesem Zweck kann auch die Drehzahl des von der Kühlluft durchströmten Kühl gebläses am Boden gegenüber der Drehzahl in der Höhe vergrössert werden.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn dabei die Drehzahl des von dem im offenen Prozess geführten Teils des Arbeitsgases durchström ten Niederdruckturbinensatzes und die Dreh zahl des von der Kühlluft durchströmten Kühlgebläses in gegenseitiger Abhängigkeit vorzugsweise entsprechend der grösstmögli chen Leistung bei kleinstmöglichem spezifi schem Brennstoffverbrauch der Gasturbine geändert werden.
Durch Betätigung des Regelgliedes 12 kann das Verhältnis der sekundlichen Ge wichte des durch die Warmgasseite 11 des V orwärmers 7 geführten Teils des Arbeits gases und des getrennt geführten Teils des Arbeitsgases verändert werden, wodurch auch die Gastemperatur am Eintritt der Nieder druckturbine 13 geändert wird.
U m am Boden eine möglichst grosse Start leistung zu erreichen, werden die Drehzahl der Niederdruckturbine 13 und des damit verbundenen Niederdruckverdichters 1 und (lamit das sekundliche Gewicht des im ge schlossenen Prozess geführten Teils des Ar beitsgases und der Druckpegel vergrössert.. Dies kann dadurch geschehen, dass das se kundliche Gewicht des durch<I>eine</I> grössere Temperatur ausgezeichneten Teils, der vor der Abkühlung abgezweigt wird, vergrössert und das sekundliche Gewicht des durch eine kleinere Temperatur ausgezeichneten Teils, der nach der Abkühlung abgezweigt wird, verkleinert wird.
Die Vergrösserung der Temperatur am Eintritt der Niederdruckturbine 13 kann aber aueh gemäss Fig. 2 dadurch bewirkt werden, da.ss ein mittels eines Regelgliedes 24 veränderlich grosser Teil der von dem Nieder druckverdichter 1 geförderten Luft zu einer zusätzlichen Niederdruckbrennkammer 25 geleitet,
dort durch Verbrennung von Brenn stoff erwärmt und sodann mit dem übrigen im offenen Prozess geführten Teil des Arbeits- gases vor seiner Entspannung in der Nieder druckturbine 13 gemischt wird.
Die Wirkung der Drehzahlerhöhung des Niederdruckturbinensatzes kann durch eine Drehzahlerhöhung des Kühlgebläses 20 ver grössert werden. Wird dieses über ein Ge triebe 26 mit regelbar veränderlicher Über setzung z. B. von der Hochdruckturbine 10 angetrieben, dann muss das Übersetzungsver hältnis am Boden gegenüber dem in der Höhe vergrössert werden.
Ein derartig regelbares Getriebe kann unter Umständen dann vermieden werden, wenn das Kühlgebläse 20 von der Nieder druckturbine 13 angetrieben wird, so dass mit der Drehzahländerung des Niederdrucktur- binensatzes unmittelbar eine Drehzahlände rung des Kühlgebläses verbunden ist.
Durch die Drehzahlerhöhung des Kühl gebläses wird das sekundliche Gewicht der Kühlluft im Verhältnis zu den sekundlichen Gewichten des zu kühlenden im geschlosse nen Prozess geführten Teils des Arbeitsgases und des zwischenzukühlenden im offenen Prozess geführten Teils desselben vergrössert, womit eine Vergrösserung der Kühlwirkung des Kühlers verbunden ist, so dass beide Teile des Arbeitsgases mit einer kleineren Tempe ratur in die Hochdruckverdichter 5 und 17 treten, als dies ohne Drehzahlerhöhung des Kühlgebläses der Fall ist.
Ferner kann das Verfahren so durchge führt werden, dass eine grösstmögliche Erhö hung der Startleistung bei kleinstmöglicher Erhöhung des spezifischen Brennstoffver brauches und damit des beim Start mitzufüh renden Brennstoffgewichtes erreicht wird.
Diese Aufgabe kann dadurch gelöst wer den, dass in die Kühluft des ausser von dieser auch von dem im offenen und dem im ge schlossenen Prozess geführten Teil des Ar beitsgases beaufschlagten Kühlers ein Kälte träger vorzugsweise in flüssiger Form zur Verkleinerung der Temperatur des im offenen und des im geschlossenen Prozess geführten Teils des Arbeitsgases vor der Beaufschla gung der Kaltgasseite eingebracht und wäh rend dieser Beaufschlagung verdampft wird. Dabei ist es zweckmässig, den flüssigen Kälteträger im Bereiche des Gitters der Kalt gasseite des Kühlers vorzugsweise unter Benetzung seiner Oberfläche einzubringen.
In einer weiteren Ausgestaltung kann der flüssige Kälteträger in abwerfbaren Behäl tern gespeichert werden, deren Inhalt vor zugsweise nur für die Vergrösserung der Startleistung der Gasturbine bemessen ist.
Der flüssige Kälteträger, z. B. Wasser, wird gemäss Fig. 3 aus Behältern 27, die durch während des Fluges lösbare Aufhänge einrichtungen 28 abwerfbar am Flugzeug befestigt sind, durch eine Pumpe 29, die z. B, von der Welle des Kühlgebläses 20 aus über ein Getriebe 30 angetrieben werden kann und zweckmässigerweise von dieser Welle ab kuppelbar ist, in die Kühlluft des Kühlers 4 und 16 möglichst fein verstäubt eingebracht.
Diese Einbringung erfolgt unmittelbar vor dem Eintritt der Kühlluft in die Kaltgasseite 18 des auf seiner Warmgasseite von dem im offenen Prozess geführten Teil des Arbeits gases beaufschlagten Kühlers 4 bezw. des von dem im geschlossenen Prozess geführten Teil des Arbeitsgases beaufschlagten Kühlers 16, wobei der flüssige Kälteträger sich auf die Oberfläche des kaltgasseitigen Gitters vorzugsweise gleichmässig verteilt, diese be netzt und so durch Verdampfung die Tem peratur der beiden Teile des Arbeitsgases herabsetzt.
Method for operating gas turbine systems, in particular for aircraft and water vehicles. The invention relates to a method for operating gas turbine systems, in particular special for aircraft and watercraft, in which one part of the working gas is performed in a closed, the other part in an open process, and both parts of a compression and relaxation and heating and Be subjected to cooling.
The method with guiding the working gas partly in an open and partly in a closed process is basically suitable for such gas turbine systems. who have to process large volumes of gas with the smallest possible space and weight, so z. B. for drives of aircraft that are to fly at great heights and for such gas turbine systems, which should also have a possible small incoming and outgoing gas volume men, as z. B. occur for the propulsion of watercraft.
Particularly for the propulsion of aircraft, however, the demands on the gas turbine system are great, so that the previously known methods with guiding the working gas partly in an open and partly in a closed process are insufficient.
It is known that in gas turbine systems with the working gas routed partly in an open and partly in a closed process, the air necessary for combustion as part of the working gas carried in an open process is brought up to the pressure of the part carried out in a closed process #I. ner compression and then with this part by mixing
unite. The two parts of the working gas are then heated together in one and the same heater, e.g. B. in a combustion chamber directly by burning fuel.
As the temperature in front of the turbine increases, the secondary weight of the part guided in an open process increases compared to that of the part guided in the closed process, so that in the case of stoichiometric combustion, the temperature in front of the turbine corresponds to this process in the method with guidance of the Working gas passes into an open process.
The cited advantages of this pro cess therefore decrease with increasing temperature in front of the turbine. This method will therefore find application especially at relatively low temperatures in front of the turbine. With a correspondingly small ratio of the secondary weights of the part of the working gas carried out in the open and the part in the closed process, however, proper combustion of the fuel cannot be maintained when these two parts are mixed, since in this case it cannot be avoided
that the part of the working gas carried in the closed process increasingly consists of oxygen-free combustion gases, so that the oxygen concentration when this combustion gas is mixed with the air is not sufficient for a satisfactory combustion of the fuel for known reasons.
According to this proposal, the compression of the combustion air, which forms the part of the working gas carried out in the open process, from the external pressure to the pressure of the part of the working gas carried in the closed process before it is compressed, takes place through the expansion of combustion gases, some of which are in one open process. from the pressure of the part carried out in the closed process after its expansion to the external pressure, where the separation of the two parts of the working gas takes place in the heat exchanger.
Apart from the fact that the construction of this device of the gas turbine is made considerably more difficult, this method has the disadvantage that the important, controllable change in the temperature of the part carried out in the open process only occurs when it is separated from the part carried out in the closed process complicated, indirect heating effecting facilities is possible, please include. In another proposal, the two parts of the working gas are only separated after the heat exchanger.
Apart from the fact that this does not solve the problem of a simple controllable change in the temperature of the part guided in the open process when it is separated from the part guided in the closed process, in most cases the size of this temperature is no longer sufficient for the advantage Adherent application of the process necessary to maintain high pressure levels.
For this reason it has already been proposed to perform the separation of the two parts of the working gas upstream of the heat exchanger. In this case it is possible to generate a correspondingly high pressure level, but this is also associated with an increase in the specific fuel consumption which is unsustainable for many applications of the gas turbine system.
Such applications are, however, precisely the engines of aircraft, in particular with a large range and payload, as well as watercraft.
The invention eliminates the described shortcomings of the previously proposed method ren in that the parts of the working gas, even where they are conducted separately, are subjected to similar changes in state.
This can be carried out, for example, in such a way that after the expansion of the part of the working gas carried out in the closed process in a high-pressure turbine and after pre-cooling this part in the hot gas side of a heat exchanger, and after the pre-compression of the air, which is the part of the open process carried out Working gas forms in a low pressure compressor, the two parts of the working gas separately.
out, but similar changes of state, preferably in common facilities, are subjected to after their preheating in the cold gas side of the heat exchanger. The heating of the part carried out in the open process can then take place in a combustion chamber that is different from the one in the closed process, exclusively through complete combustion of the fuel at the upper pressure of the cycle and with an air supply that is limited to the amount necessary for complete combustion Process-controlled part is arranged separately.
This part can only be heated by mixing it with the part carried out in the open process in a mixing chamber. After the part in the closed process has been relaxed and after the part in the open process has been pre-expanded together in one or separately in several high-pressure turbines, part of the working gas in the open process and the part in the closed process can be stored in the Wa. rmggaseite of the heat exchanger are pre-cooled and then the pre-cooled part and the non-pre-cooled remainder of the open process part of the
Working gas are subjected to expansion in a low-pressure turbine.
In the case of gas turbines for aircraft in particular, it is advisable to subject the air to a speed change in a collecting nozzle before it is pre-compressed in the low-pressure compressor, and to subject the part of the working gas carried in the open process to such a change in a thrust nozzle after it has been released in the low-pressure turbine.
FIGS. 1 to 3 show exemplary embodiments of the invention.
The air required to burn the fuel with the smallest possible amount of air, which forms the part of the working gas carried out in an open process, is pre-compressed according to FIG. 1 in a Niederdruckverdich ter 1 after it z. B. in gas turbine systems for driving air vehicles caught in a nozzle 2 and a speed change was thrown under. The air pre-compressed in this way is then cooled in the hot gas side 3 of a regeneratively operated intermediate cooler 4 (i.e. the dissipated heat benefits the process again) and is then further compressed in a high-pressure compressor 5.
After a subsequent preheating in the cold gas side 6 of a regeneratively operated preheater or heat exchanger 7, the part of the working gas carried in the open process is heated by the stoichiometric combustion of fuel in a special combustion chamber 8, which is operated exclusively by the in the open process part of the working gas is flowed through.
This part and the part carried out in the closed process are then combined in a mixing chamber 9, the part carried in the closed process being heated by the mixing of the two parts of the working gas. the part carried out in the open process is cooled.
The heating of the two parts of the working gas by the fuel is therefore carried out separately, directly in one special device 8 and 9 each.
Both parts of the working gas are now expanded jointly in a high-pressure turbine 10. Of course, the part guided in the closed process could also be relaxed in a high pressure turbine, the part guided in the open process could be pre-decompressed in a second high pressure turbine, where in this case the second high pressure turbine could expediently drive the high pressure compressor 5 directly.
After this expansion, a controllably variable part of the part of the working gas routed in the open process and the entire part of the same routed in the closed process are pre-cooled together in the hot gas side 11 of the regenerative preheater or heat exchanger 7, the remaining part of the part routed in the open process Part of the working gas passed separately via the control element 12 and brought to a state in this that allows this part of higher temperature to be mixed with the remaining part of lower temperature of the part guided in the open process, so that these parts are expediently relaxed together in the low-pressure turbine 13 can.
Subsequently, z. B. in aircraft a speed change in a thrust nozzle 14 is necessary.
The part of the working gas carried in the closed process, the secondary weight of which is constant, is cooled in the hot gas side 15 of a regeneratively operated cooler 16, especially in gas turbine systems for aircraft, before it is compressed in the high-pressure compressor 17, and is preheated in the cold gas side 23 of the preheater 7 before entering the mixing chamber 9.
It is important that the separately routed parts of the working gas in the coolers 4 and 16 combined to form a common device, in the high-pressure compressors 5 and 17 - which may also be combined in a common device. can - and in the cold gas sides 6 and 28 of a common preheater 7 are subjected to similar changes of state as possible, the states of these two parts of the working gas at the inlet and outlet of their common devices being as identical as possible.
The coolers 16 and 4, which are combined into a common device, are traversed by the coolant on their cold gas side 18, which, for the purpose of influencing the useful power of the gas turbine as effectively as possible, expediently changes speed in a catch nozzle 19, then in a cooling fan or a cooling pump 20 a compression and BEZW. or is subjected to a change in speed, the cold gas side 18 of the cooler flows through and then optionally in a turbine 21 of an expansion and respectively. or speed change and is subjected to a speed change in a thrust nozzle 22.
If a cooling turbine 21 is provided, then this drives the cooling fan or the cooling pump 20 before geous enough.
The pre-compression of the air in the low-pressure compressor 1 takes place by the relaxation of the part of the working gas carried in the open process in the low-pressure turbine 13, these two turbo machines being combined to form a mechanically independent turbo set.
It is also important that aircraft with a long range are hindered by a large take-off weight due to the fuel weight that is added when taking off. The size of this take-off weight is a major difficulty in the realization of economical long-haul aircraft, since the piston engine previously used for its drive does not allow a significant increase in performance on the ground compared to that in height.
One therefore had to resort to the various known starting aids, e.g. B. to the catapult, to aircraft coupling and recently to facilities for increasing the take-off thrust, such. B. rockets or auxiliary jet engines with gas turbines.
All of these facilities are unsatisfactory solutions for the realization of wide-body aircraft. Increasing the payload is associated with an enlargement of the wing loading of the aircraft, since otherwise the relatively rapid increase in the weight proportion of the structure will destroy an increase in the payload when the aircraft is enlarged. The large wing loading, however, requires an even greater speed and area loading during take-off, which can only be reliably achieved through very high take-off and travel power of the engine.
It is generally recognized as an essential advantage of the gas turbine that, when a suitable process is used, it is: able to allow a sufficient increase in the ground power compared to the high-altitude power (travel power) without special additional aids, so that the properties of the gas turbine as a flow machine and one of its driven NEN Verstelluftscrew supplement in an appropriate manner.
The cited method allows the take-off performance of gas turbine systems for aircraft to be increased. For this purpose, the speed of the low-pressure turbine set through which the part of the working gas flows in the open process is increased at the bottom compared to the speed in height.
The increase in speed takes place here by increasing the temperature of the part of the working gas carried in the open process at the inlet of the low pressure turbine of the low pressure turbine set.
This increase in temperature of the part of the working gas carried in the open process can either take place by increasing the part of the same which is not carried over the hot gas side of the preheater or by burning additional fuel.
In the latter case, part of the air conveyed by the low-pressure compressor of the low-pressure turbine set is used as part of the working gas routed in the open process to burn the additional fuel in an additional low-pressure combustion chamber, with the combustion gases thus obtained being routed with the remaining open process Part of the working gas before its entry into the low-pressure turbine of the low-pressure turbine set are mixed.
For this purpose, the speed of the cooling fan through which the cooling air flows can be increased on the floor compared to the speed in height.
It is particularly advantageous if the speed of the low-pressure turbine set through which the part of the working gas flows through the open process and the speed of the cooling fan through which the cooling air flows are mutually dependent, preferably changed according to the greatest possible performance with the lowest possible specific fuel consumption of the gas turbine .
By actuating the control member 12, the ratio of the secondary Ge weights of the part of the working gas passed through the hot gas side 11 of the pre-heater 7 and the separately passed part of the working gas can be changed, whereby the gas temperature at the inlet of the low pressure turbine 13 is changed.
In order to achieve the highest possible starting power on the ground, the speed of the low-pressure turbine 13 and the associated low-pressure compressor 1 and (thus the secondary weight of the part of the working gas in the closed process and the pressure level are increased that the secondary weight of the part marked by <I> a </I> higher temperature which is branched off before cooling is increased and the secondary weight of the part marked by a lower temperature which is branched off after cooling is decreased .
The increase in the temperature at the inlet of the low-pressure turbine 13 can, however, also be brought about according to FIG. 2 in that a part of the air conveyed by the low-pressure compressor 1, which can be changed by means of a control element 24, is passed to an additional low-pressure combustion chamber 25,
There it is heated by combustion of fuel and then mixed with the remaining part of the working gas carried out in the open process before it is expanded in the low-pressure turbine 13.
The effect of increasing the speed of the low-pressure turbine set can be increased ver by increasing the speed of the cooling fan 20. If this is a Ge gear 26 with adjustable variable ratio z. B. driven by the high pressure turbine 10, then the translation ratio must be increased on the ground compared to the height.
Such a controllable transmission can under certain circumstances be avoided if the cooling fan 20 is driven by the low pressure turbine 13, so that a change in the speed of the cooling fan is directly associated with the change in speed of the low pressure turbine set.
By increasing the speed of the cooling fan, the secondary weight of the cooling air is increased in relation to the secondary weights of the part of the working gas to be cooled in the closed process and the part of the working gas to be intercooled in the open process, which is associated with an increase in the cooling effect of the cooler, so that both parts of the working gas enter the high-pressure compressors 5 and 17 at a lower temperature than is the case without increasing the speed of the cooling fan.
Furthermore, the method can be carried out in such a way that the greatest possible increase in the starting power is achieved with the smallest possible increase in the specific fuel consumption and thus the fuel weight to be carried when starting.
This object can be achieved by adding a cold carrier, preferably in liquid form, to the cooling air of the cooler, which is acted upon in the open and in the closed process as well as the part of the working gas carried out in the open process to reduce the temperature of the open and the In the closed process, part of the working gas is introduced before the application of the cold gas side and is evaporated during this application. It is useful to introduce the liquid coolant in the area of the grille on the cold gas side of the cooler, preferably with wetting of its surface.
In a further embodiment, the liquid refrigerant can be stored in disposable containers, the content of which is preferably only dimensioned for increasing the starting power of the gas turbine.
The liquid refrigerant, e.g. B. water, is shown in FIG. 3 from containers 27, which are attached by detachable suspension devices 28 can be dropped on the aircraft during the flight, by a pump 29, the z. B, can be driven from the shaft of the cooling fan 20 via a gear 30 and can conveniently be coupled from this shaft, introduced into the cooling air of the cooler 4 and 16 as finely dusted as possible.
This introduction takes place immediately before the entry of the cooling air into the cold gas side 18 of the cooler 4 respectively acted upon on its hot gas side by the part of the working gas carried out in the open process. of the cooler 16 acted upon by the part of the working gas conducted in the closed process, the liquid refrigerant preferably being evenly distributed over the surface of the grille on the cold gas side, wetting it and thus reducing the temperature of the two parts of the working gas through evaporation.