CH705588A1 - Brennkammer einer Gasturbine und Verfahren zu deren Betrieb. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer einer Gasturbinenmaschine, in welcher Kraftstoff gemischt mit verdichteter Luft zyklisch verbrennt. Ein Verbrennungszyklus besteht aus vier Phasen. In der ersten Phase werden die Luft- und die Brennkammer (1, 2) mit verdichteter Luft aus einem separaten Verdichter geladen. In der zweiten Phase wird Brennstoff in die Brennkammer (2) eingebracht und mit der verdichteten Luft gemischt. Dabei ist die Brennkammer (2) durch das Auslassventil (4) und die Einlassventile (3) verschlossen. In der dritten Phase wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch gezündet. Dabei entsteht bei der Explosion/Verpuffung eine Gaskraft, welche das Auslassventil (4) selbsttätig öffnet, worauf die Brenngase zur Turbine strömen. In der vierten Phase strömt Verdichterluft als Spül- und Kühlluft durch die Brennkammer (2) und das offene Auslassventil (4) zur Turbine (6). In einem frei wählbaren Zeitpunkt wird das Auslassventil geschlossen, worauf der nächste Arbeitszyklus mit den vier Phasen folgt.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer einer Gasturbine, in der die Verbrennung des Kraftstoff/Luft-Gemisches zyklisch erfolgt.

[0002] Bei den üblichen Gasturbinen wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch in einer oder mehreren Brennkammern kontinuierlich verbrannt, wonach die Verbrennungsprodukte kontinuierlich in eine Turbine geleitet werden zur Erzeugung mechanischer Leistung über einen Abtrieb oder zur Erzeugung eines Schubs. Die Turbine wird typischerweise verwendet, um den Verdichter anzutreiben für die Bereitstellung der verdichteten Luft zur Verbrennung des Kraftstoff/Luft-Gemisches und die Kühlung der Gasturbinenmaschine. Dabei wird ein hoher Anteil der hochverdichteten Luft zur Materialkühlung verwendet, was zu einer wesentlichen Verschlechterung des. Wirkungsgrades der Gasturbinenmaschine führt.

[0003] Hier will die vorliegende Erfindung Abhilfe schaffen, indem eine zyklische Verbrennung mit vier Phasen erfolgt. Wobei der Beginn und die Dauer der einzelnen Phasen frei gewählt werden können, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Gasturbinenmaschine auswirkt. Dies im Gegensatz zur systembedingten wenig flexiblen Regelung der zyklischen Verbrennung zur Brenngaserzeugung bei der Holzwarth-Gasturbine, dem Verpuffungsstrahltriebwerk und dem Freikolben-Gaserzeuger.

[0004] Die vorliegende Brennkammer wird von einem separaten Verdichter dauernd mit verdichteter Luft versorgt.

[0005] Das Verfahren zum Betrieb der vorliegenden Brennkammer wird anhand der vier Figuren mit den vier Phasen eines Arbeitszyklus gemäss dem folgenden Prinzip dargestellt:

[0006] Fig. 1, Ladephase: Die Einlassventile sind offen, das Auslassventil ist zu.

[0007] Die Luft aus dem Verdichter gelangt von der Luftkammer durch eines oder mehrere Einlassventile in die Brennkammer. Das Auslassventil wird vorwiegend durch den Druck der Verdichterluft auf den Sitz gepresst, so dass keine Verdichterluft aus der Brennkammer treten kann, und der Druck in der Brennkammer schliesslich denjenigen des Verdichterauslassdrucks erreicht.

[0008] Fig. 2, Mischphase: Die Einlassventile und das Auslassventil sind zu.

[0009] Sobald der Druck in der Luftkammer und der Brennkammer ausgeglichen ist, schliessen die Einlassventile selbsttätig und werden mit einer Feder oder einer andern Vorrichtung auf den Ventilsitz gezogen. Daraufhin wird in die verschlossene Brennkammer mit einem oder mehreren Brennstoffeinspritzern der Brennstoff eingebracht und mit der Verdichterluft ein Brenngemisch gebildet.

[0010] Fig. 3, Entzündung mit Verbrennungsphase: Die Einlassventile sind zu, das Auslassventil öffnet sich.

[0011] In der dritten Phase wird das Brennstoff-Luftgemisch durch eine oder mehrere Zündkerzen oder andere Zündvorrichtungen entflammt. Mit der Explosion / Verpuffung in der Brennkammer entsteht eine Gaskraft, welche auf die Oberseite des Auslassventils und die Unterseite des Kolbens wirkt. Da die Fläche der Kolbenunterseite grösser ist als die Oberseite des Auslassventils, wird das Auslassventil selbsttätig angehoben, worauf die Brenngase aus der Brennkammer zur Turbine strömen. Zugleich wird der Schaft für den Kolben und das Ventil mit einer speziellen, hier nicht gezeigten Vorrichtung, in der oberen Stellung fixiert, damit das Auslassventil für die vierte Phase mit der Spülung und Kühlung der Brennkammer offen bleibt.

[0012] Fig. 4, Spül- und Kühlphase: Das Auslassventil und die Einlassventile sind offen.

[0013] Nach dem Abfall des Drucks der Brenngase in der Brennkammer unter den Verdichterdruck strömt Verdichterluft als Spül- und Kühlluft von der Luftkammer durch die sich selbsttätig öffnenden Einlassventile in die Brennkammer und durch das offene Auslassventil zur Turbine. Zum Beenden der Spül- und Kühlphase wird in einem frei wählbaren Zeitpunkt der Schaft zusammen mit dem Auslassventil und dem Kolben von der speziellen Haltevorrichtung gelöst, worauf das Auslassventil geschlossen wird.

[0014] Dann folgt der nächste Arbeitszyklus mit den 4 Phasen.

[0015] In der Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente, wie z. B. der Verdichter, die Kraftstoff-Einbringung in die Brennkammer, Zündvorrichtung und -anordnung, Haltevorrichtung des Schaftes mit dem Auslassventil, Ableitung der Brenngase zur Turbine usw., sind weggelassen. Die Strömungsrichtung der Verdichterluft und der Verbrennungsgase ist mit Pfeilen gekennzeichnet und ergibt sich von selbst.

[0016] Die im nicht dargestellten Verdichter bereitgestellte Luft strömt in die Luftkammer 1 und von dort durch die sich selbsttätig öffnenden Einlassventile 3 in die Brennkammer 2. Das Auslassventil 4 ist geschlossen. Die Verdichterluft strömt so lange in die Brennkammer bis der Druck in der Luftkammer und der Brennkammer ausgeglichen ist. Das vollständige Schliessen der Einlassventile kann erreicht werden, indem beispielsweise eine Feder das Einlassventil auf den Sitz zieht, worauf keine Verdichterluft 9 aus der Brennkammer 2 treten kann. Danach wird der Kraftstoff in die Brennkammer eingespritzt oder eingeblasen zur Bildung des Kraftstoff/Luft-Gemisches. Mittels einer üblichen Zündvorrichtung wird das Brenngemisch entzündet. Dabei wirken die bei der Verbrennung entstehenden Gaskräfte auf die Unterseite des Kolbens 5 und die Oberseite des Auslassventils 4. Der Flächenunterschied der grösseren Kolben-Unterseite 5 zur Auslassventil-Oberseite 4 führt dazu, dass der Schaft mit dem daran fixierten Kolben und dem Auslassventil selbsttätig eine Hubbewegung nach oben macht, wodurch das Auslassventil 4 geöffnet wird, und die Brenngase die Brennkammer 2 zur Turbine 6 verlassen.

[0017] Das Ausführungsbeispiel wird gestartet, indem als Erstes die Verdichterluft durch die Luftkammer in die Brennkammer geblasen wird. Darauf wird in die mit Ventilen verschlossenen Brennkammer zu einem frei wählbaren Zeitpunkt der Kraftstoff eingebracht und in der Brennkammer vermischt. Wiederum zu einem frei wählbaren Zeitpunkt wird das Brenngemisch entzündet. Darauf wird mittels einer speziellen Vorrichtung 7, wie Elektromagnet, Aktor, usw. der Schaft mit dem Auslassventil und dem Kolben in der oberen Stellung festgehalten, so dass die Spül- und Kühlluft während einer zeitlich frei wählbaren Dauer durch das offene Auslassventil zur Turbine strömt, bis die Fixierung des Ventilschaftes gelöst, und dadurch das Auslassventil geschlossen wird. Darauf wird bei geschlossenem Auslassventil der nächste Zyklus in der Brennkammer mit den vier Phasen zu einem frei wählbaren Zeitpunkt gestartet.

[0018] Das Arbeitsverfahren einer Brennkammer gemäss der vorliegenden Erfindung zeigt, dass die Leistung der Brennkammer durch Variieren des Drucks der Verdichterluft in der Brennkammer 2 und damit der Luftmasse zur Bildung des Brenngemisches und/oder durch das Variieren der Anzahl Explosionen/Verpuffungen pro Sekunde einfach geregelt werden kann. Ebenfalls kann die Brennkammer innert kurzer Zeit gestartet und verzögerungsfrei mit Volllast als Gasgenerator zum Antrieb einer Gasturbine betrieben werden.

Claims (7)

1. Verfahren für den Betrieb einer Brennkammer einer Gasturbine bei der die Verbrennung zyklisch erfolgt, wobei ein Zyklus in vier Phasen abläuft, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Phase bei geschlossenem Auslassventil (4) die Verdichterluft in die Luftkammer (1) geleitet wird und von dort durch die selbsttätig öffnenden Einlassventile (3) in die Brennkammer (2) strömt, bis der Druck in der Luftkammer (1) und der Brennkammer (2) ausgeglichen ist, worauf die Einlassventile (3) selbsttätig und mittels einer Schliessfeder geschlossen werden, so dass keine Verdichterluft aus der Brennkammer treten kann, worauf in der zweiten Phase Brennstoff zur Bildung eines Kraftstoff/Luft-Gemisches in die Brennkammer (2) eingebracht wird und danach in der dritten Phase das Kraftstoff/Luft-Gemisch entzündet wird, weshalb durch die entstandene Gaskraft in der Brennkammer das Auslassventil (4) mit dem Ventilschaft (7) selbsttätig angehoben wird, da die Fläche der Oberseite des Auslassventils kleiner ist, als die Fläche der Unterseite des Kolbens und die Brenngase durch das offene Auslassventil (4) zur Turbine (6) strömen, wobei das Auslassventil durch eine spezielle Vorrichtung offen gehalten wird, damit nach dem Druckabbau der Brenngase in der Brennkammer (2) unter den Druck der Verdichterluft die Verdichterluft als Spül- und Kühlluft durch die Brennkammer zur Turbine strömt, wonach zu einem frei wählbaren Zeitpunkt das Auslassventil mit dem Ventilschaft (7) wieder aus der Fixierung gelöst und damit geschlossen wird, worauf der nächste Zyklus gestartet werden kann.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil mit dem Ventilschaft (4, 7) bei der Explosion / Verpuffung des Brenngemisches selbsttätig geöffnet wird und im oberen Totpunkt elektromagnetisch oder einen andern Aktor offengehalten wird, damit vorerst die Brenngase und danach die Kühl- und Spülluft aus dem Verdichter durch das Auslassventil zur Turbine strömt, wonach zu einem frei wählbaren Zeitpunkt die Fixierung wieder ausgeschaltet wird, damit sich das Auslassventil schliesst und zu einem frei wählbaren Zeitpunkt der nächste Zyklus mit den vier Phasen erneut gestartet werden kann.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass als Auslassventil ein Kugelventil eingesetzt wird, wobei die Kugelzone, in welcher der Ventilschaft fixiert ist, eine Fläche aufweist, die kleiner ist als die Fläche der Unterseite des Kolbens, wobei der Kolben ebenfalls am Ventilschaft fixiert ist.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichter mit der Luftkammer (1) verbunden ist, wobei die Verdichterluft (9) kontinuierlich durch ein oder mehrere Einlassventile (3) in die Brennkammer (2) strömt, wobei sich die Einlassventile (3) druckabhängig selbsttätig öffnen.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff durch mehrere oder einen Kraftstoffeinspritzer in die Brennkammer (2) eingebracht wird, wo ein Kraftstoff/Luft-Gemisch geschaffen wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (2) und die Luftkammer (1) mit den Einlassventilen (3) wassergekühlt sind.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngemisch in der Brennkammer durch eine oder mehrere Zündvorrichtungen entflammt wird, wobei der Zeitpunkt der Zündung frei gewählt werden kann.