DE10033736A1 - Miniature gas turbine for generator drive in hybrid drive vehicle has secondary energy converter for recovery of exhaust gas thermal energy - Google Patents
Miniature gas turbine for generator drive in hybrid drive vehicle has secondary energy converter for recovery of exhaust gas thermal energyInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Kleinturbine - also eine Gasturbine in leichter und kompakter Bauart - zum Einsatz in einem Kraft fahrzeug-Hybridantrieb.The invention relates to a small turbine - that is, a gas turbine in a light and compact design - for use in one power vehicle hybrid drive.
Gasturbinen sind Wärmekraftmaschinen zur Abgabe von mechani scher Leistung als Wellenleistung bzw. Schubkraft und bestehen aus einem oder mehreren Verdichtern und Laufrädern bzw. Turbi nen sowie Einrichtung zur Erhitzung eines Arbeitsfluids.Gas turbines are heat engines for the delivery of mechani shear power as shaft power or thrust and exist one or more compressors and impellers or turbos NEN and device for heating a working fluid.
In der baulichen Ausführung unterscheidet man grundsätzlich zwischen leichten und kompakten Fluggasturbinen mit einfachem Prozeß und Gasturbinen in Schwerbauweise mit offenen und ge schlossenem Prozeß, bei denen Gewicht und Raumbedarf eine un tergeordnete Rolle spielen.A basic distinction is made in the structural design between light and compact aircraft gas turbines with simple Process and gas turbines in heavy construction with open and ge closed process, in which weight and space requirements an un play a minor role.
Bei Fluggasturbinen steht die Erzeugung von Schubkraft im Vor dergrund; seit längerem sind aber auch Propellerluftstrahl- Triebwerke (PTL), die Wellenleistung abgeben, und Turboluft strahl-Triebwerke (TL) bekannt. Von Fluggasturbinen abgeleitete Aggregate werden auch zum Antrieb von Hubschraubern und in un bemannten Flugkörpern sowie außerhalb des Bereiches der Luft fahrt zum Antrieb von schnellen, relativ kleinen Schiffen (Tor pedobooten, Luftkissenfahrzeugen und Tragflächenbooten) sowie von schweren Landfahrzeugen, insbesondere schweren Lkw und Pan zern, eingesetzt. In the case of aircraft gas turbines, the generation of thrust is at the fore the reason; But propeller air jet Engines (PTL) that emit shaft power and turbo air Jet engines (TL) known. Derived from aircraft gas turbines Units are also used to drive helicopters and in un manned missiles and out of the air drives to drive fast, relatively small ships (gate pedo boats, hovercraft and hydrofoils) and of heavy land vehicles, especially heavy trucks and Pan zer, used.
In der Energiewirtschaft werden oft kombinierte Gas-Dampf-Tur binenanlagen eingesetzt. Deren bekannteste Ausführung sind Gas- Dampf-Anlagen mit Abhitzekessel, bei denen die die Turbine ver lassenden heißen Verbrennungsgase in einen Abhitzekessel ein treten und dort Frischdampf erzeugen, der einer zusätzlichen Dampfturbine mit separatem elektrischen Generator zugeführt wird. Bei einer modifizierten Ausführung dieser Anlagen ist ei ne Nachverbrennung im Dampferzeuger vorgesehen, wodurch die Dampfturbine bis über 80% der Gesamtleistung des Kraftwerks erzeugen kann. Bei Anlagen der genannten Art ist in der Regel vorgesehen, daß sowohl die Gasturbine bzw. Gasturbinengruppe als auch der Dampfkreislauf voneinander getrennt arbeiten kön nen. Bei den Gasturbinen handelt es sich um solche in Schwer bauweise.In the energy industry, combined gas-steam doors are often used line systems used. The most well-known version are gas Steam plants with waste heat boilers, in which the turbine ver emitting hot combustion gases into a waste heat boiler kick and generate live steam there, that of an additional one Steam turbine fed with separate electric generator becomes. In a modified version of these systems is ei ne afterburning provided in the steam generator, whereby the Steam turbine up to over 80% of the total output of the power plant can generate. For systems of the type mentioned is usually provided that both the gas turbine or gas turbine group as well as the steam cycle can work separately NEN. The gas turbines are those in Schwer construction.
Gas-Dampf-Turbinenanlagen dieser Art sowie Verfahren zu deren Betrieb sind beispielsweise in der DE 196 19 470 C1 und der WO 99/57421 beschrieben.Gas-steam turbine plants of this type and methods for their Operation is for example in DE 196 19 470 C1 and WO 99/57421.
Aus der WO 98/55335 ist eine Gas-Dampf-Turbinenanlage als Fahr zeugantrieb bekannt, bei der die Dampfturbine und die Gasturbi ne auf einer gemeinsamen Welle sitzen und mechanisch mit der angetriebenen Achse eines Fahrzeugs gekoppelt sind.WO 98/55335 describes a gas-steam turbine system as a vehicle known drive, in which the steam turbine and the gas turbine ne sit on a common shaft and mechanically with the driven axis of a vehicle are coupled.
Neben diesen Anlagen sind auch Gasturbinen mit Wassereinsprit zung bekannt, etwa aus der EP 0 961 079 A1 (die sich speziell mit einer Anordnung zur wahlweisen Einleiten von Brennstoff und/oder Wasser in eine Brennkammer einer Gasturbine befaßt), der US 6,012,279 und der WO 00/11323. Die in den beiden erstge nannten Druckschriften beschriebenen Anlagen sind große statio näre Gasturbinen zum Einsatz in Kraftwerken und haben - wie insbesondere aus der US 6,012,279 deutlich wird - einen kompli zierten Aufbau mit mehreren Verdichter- und Turbinenstufen. Die aus der WO 00/11323 bekannte Gasturbine mit Wassereinspritzung ist eine Flugzeugturbine und soll insbesondere eine Schuberhö hung in der Startphase des Flugzeugs erbringen.In addition to these systems, there are also gas turbines with water injection known, for example from EP 0 961 079 A1 (which specifically with an arrangement for the optional introduction of fuel and / or water into a combustion chamber of a gas turbine), US 6,012,279 and WO 00/11323. The first two the systems described are large statio natural gas turbines for use in power plants and have - how is particularly clear from US 6,012,279 - a compli graced structure with several compressor and turbine stages. The gas turbine with water injection known from WO 00/11323 is an aircraft turbine and is said to be a Schuberhö in particular hung in the takeoff phase of the aircraft.
Die durch herkömmliche Verbrennungskraftmaschinen als Antriebs quelle von Kraftfahrzeugen verursachten Umweltbelastungen haben bereits vor längerem eine intensive Suche nach neuen Antriebs konzepten ausgelöst. Das Spektrum der vorgeschlagenen Lösungen reicht dabei von relativ geringfügigen Modifizierungen des klassischen Ottomotor-Konzeptes, etwa zum Betrieb mit Erdgas, bis zum vollständigen Ersatz der Verbrennungskraftmaschine durch einen emissionsfreien Elektroantrieb. Eine Zwischenstel lung zwischen diesen Konzepten nehmen die sogenannten Hybridan triebe ein. Unter diesen ist im allgemeinen Sinne ein Fahrzeug antrieb mit mehr als einer Antriebsquelle zu verstehen, wobei mehrere (insbesondere verschiedenartige) Energiespeicher und/ oder Leistungswandler vorgesehen sind.That by conventional internal combustion engines as the drive source of environmental pollution caused by motor vehicles an intensive search for new drives a long time ago concepts triggered. The range of proposed solutions ranges from relatively minor modifications to the classic gasoline engine concept, e.g. for operation with natural gas, until the internal combustion engine is completely replaced thanks to an emission-free electric drive. An intermediary The so-called hybrid approach takes place between these concepts drive in. Among these, in the general sense, is a vehicle to understand drive with more than one drive source, wherein several (in particular different) energy stores and / or power converters are provided.
Das allgemeine Entwicklungsziel eines Kraftfahrzeug-Hybridan triebs besteht darin, zwei verschiedenartige Antriebskomponen ten so zu kombinieren, daß die jeweiligen Vorteile bei unter schiedlichen Betriebszuständen zum Tragen kommen und insgesamt gegenüber dem erhöhten technischen Aufwand überwiesen. Im Hin blick auf die wesentlichen Nachteile des Verbrennungsmotors als Fahrzeugantrieb - nämlich dem Absinken des Wirkungsgrades bei Teillast und dem nicht emissionsfreien Betrieb - wird beim ur sprünglichen Hybridantriebskonzept der Verbrennungsmotor für eine mittlere Fahrleistung ausgelegt, und die Leistungsdiffe renzen zur momentan benötigten Fahrleistung werden durch einen zusätzlichen mechanischen oder elektrischen Energiespeicher ge deckt bzw. in diesen überführt.The general development goal of a motor vehicle hybrid drive consists of two different drive components ten to combine so that the respective advantages at under different operating conditions come into play and overall transferred to the increased technical effort. In the way look at the main disadvantages of the internal combustion engine as Vehicle drive - namely the decrease in efficiency Part load and the non-emission-free operation - is the ur Original hybrid drive concept for internal combustion engines designed a medium mileage, and the performance differences limits to the mileage currently required are indicated by a additional mechanical or electrical energy storage ge covers or transferred into this.
Unter den Hybridantrieben haben bislang lediglich diejenigen gewisse Bedeutung erlangt, die aus der Kombination eines Ver brennungsmotors und eines Elektroantriebs bestehen, der entwe der aus einer mitgeführten Batterie oder über einen Stromabneh mer aus einem Stromnetz versorgt wird. Bekannt ist dabei - spe ziell für Busse - auch der sogenannte serielle Hybridantrieb, bei dem die Antriebskomponenten Verbrennungsmotor, Generator, Batterie und Elektromotor wirkungsmäßig aufeinanderfolgend "ge reiht" sind.So far, only those have been among the hybrid drives acquires certain meaning from the combination of a ver internal combustion engine and an electric drive, which entwe from an on-board battery or from a power supply is always supplied from a power grid. It is known - spe especially for buses - also the so-called serial hybrid drive, where the drive components of the internal combustion engine, generator, Battery and electric motor successively "ge rows "are.
Bei Pkw liegt der Schwerpunkt der bisherigen Entwicklung und des praktischen (versuchsweisen) Einsatzes jedoch bei Konzep ten, die einen alternativen direkten Einsatz des Verbrennungs motors (Otto- oder Dieselmotors) und des Elektromotors - insbe sondere auch an verschiedenen angetriebenen Rädern - vorsehen. Diese bekannten Antriebslösungen sind darauf ausgelegt, daß der Pkw mit dem Verbrennungsmotor im Überlandbetrieb annähernd die üblichen Fahrleistungen, im Stadtbetrieb aber im wesentlichen emissionsfrei mit wesentlich reduzierter Fahrleistung betrieben werden kann. Nachteilig sind dabei insbesondere der hohe kons truktive Gesamtaufwand, der große Platzbedarf und das hohe Ge wicht des Antriebes.The focus of development to date is on cars the practical (experimental) use of the concept that an alternative direct use of combustion motors (Otto or diesel engine) and the electric motor - esp especially on different driven wheels - provide. These known drive solutions are designed so that the Cars with the internal combustion engine in overland operation almost the usual mileage, but in city operations essentially operated emission-free with significantly reduced mileage can be. The high cons total constructive effort, the large space requirement and the high Ge importance of the drive.
Der Erfindung liegt die Aufgabe der Bereitstellung einer Ver brennungsmaschine für einen Kraftfahrzeug-Hybridantrieb zugrun de, die sich durch geringe Baugröße und geringes Gewicht so insbesondere durch geringen Energieverbrauch auszeichnet.The invention has for its object to provide a Ver combustion engine for a motor vehicle hybrid drive green de, which is characterized by small size and light weight characterized in particular by low energy consumption.
Diese Aufgabe wird durch eine Klein-Gasturbine mit den Merkma len des Anspruchs 1 gelöst.This task is accomplished by a small gas turbine with the Merkma len of claim 1 solved.
Mit dieser Lösung wird ein in mehrfacher Hinsicht neuer Weg zur Realisierung eines umweltfreundlichen und energiesparenden An triebes für kleine Kraftfahrzeuge beschritten. Zum einen wird der Einsatz einer Gasturbine, der bei Landfahrzeugen wegen des relativ hohen Kraftstoffverbrauches bisher auf ausgesprochen schwere Fahrzeuge beschränkt war, nunmehr für kleine und leich te Kraftfahrzeuge vorgeschlagen. Weiterhin wird der Einsatz dieser Gasturbine in einer besonders umweltfreundlichen Gesamt anordnung vorgeschlagen. Schließlich wird in diesem Kontext ei ne spezielle Ausführung mit erhöhtem Gesamtwirkungsgrad be schrieben.With this solution, a new path is being taken in several ways Realization of an environmentally friendly and energy saving approach drives for small motor vehicles. For one thing the use of a gas turbine, which because of the relatively high fuel consumption so far heavy vehicles was now limited to small and light te motor vehicles proposed. The stake continues this gas turbine in a particularly environmentally friendly overall arrangement proposed. Finally, in this context, ei ne special version with increased overall efficiency wrote.
In einer bevorzugten Auslegung hat die Kleinturbine eine Aus gangsleistung im Bereich zwischen 1 kW und 100 kW, insbesondere zwischen 3 kW und 15 kW. Eine Auslegung nahe der Untergrenze des genannten Bereiches wird dabei insbesondere für Zweiräder in Betracht kommen, während für einen Pkw-Antrieb Turbinen mit einer Ausgangsleistung ab etwa 5 kW bevorzugt sind. Je nach konkreter Auslegung wird die Kleinturbine im wesentlichen nur als Energiequelle zur Nachladung des Batteriesatzes oder als echte (Hilfs-)Antriebsquelle im Fahrbetrieb dienen.In a preferred embodiment, the small turbine has an off power output in the range between 1 kW and 100 kW, in particular between 3 kW and 15 kW. An interpretation close to the lower limit the area mentioned is particularly for two-wheelers come into consideration while using turbines for a car drive an output power from about 5 kW are preferred. Depending on The small turbine is essentially only a concrete design as an energy source for recharging the battery pack or as real (auxiliary) drive source when driving.
In Verfolgung des Entwicklungsziels eines möglichst kompakten und leichten Antriebes ist der elektrische Generator vorzugs weise baulich mit der Kleinturbine integriert, insbesondere stromaufwärts von deren Brennkammer in ihr Gehäuse eingebaut und auf der Turbinenwelle angeordnet.In pursuit of the development goal of being as compact as possible and light drive, the electric generator is preferred wise structurally integrated with the small turbine, in particular installed upstream of their combustion chamber in their housing and arranged on the turbine shaft.
Im Sinne des weiteren primären Entwicklungsziels eines mög lichst niedrigen Brennstoffverbrauchs weist die Kleinturbine vorzugsweise Mittel zur Wirkungsgradoptimierung durch Umwand lung thermischer Energie der Abgase in kinetische Energie (der Turbinenwelle) auf und ist hierzu insbesondere als kombinierte Gas-/Dampf-Turbine ausgebildet. Im Hinblick auf infrastruktu relle Randbedingungen der Nutzung eines mit dem vorgeschlagenen Hybridantrieb ausgestatteten Personenkraftwagens oder Zweirades ist die Kleinturbine für einen Betrieb mit Flüssigbrennstoff und/oder Erdgas ausgelegt und dem Hybridantrieb ein entspre chender Brennstoffvorratsbehälter zugeordnet. Bei der bevorzug ten Auslegung als kombinierte Gas-/Dampf-Turbine ist zudem ein Wasservorratsbehälter vorgesehen. In the sense of the further primary development goal of a possible The small turbine has extremely low fuel consumption preferably means for efficiency optimization by conversion thermal energy of the exhaust gases into kinetic energy (the Turbine shaft) and is especially for this purpose as a combined Gas / steam turbine trained. With regard to infrastructures Real boundary conditions of using one with the proposed Hybrid drive equipped passenger car or two-wheeler is the small turbine for operation with liquid fuel and / or natural gas and the hybrid drive corresponds assigned fuel storage container. With the preferred Design as a combined gas / steam turbine is also one Water reservoir provided.
In einem ersten Ausführungsprinzip hat die Turbinenanordnung eine Brennkammer bzw. einen Verbrennungstunnel, die bzw. der der eigentlichen Turbine (dem Laufrad) vorgelagert ist und Was ser-Einspritzdüsen zur Wassereinspritzung aufweist. Mit der Wassereinspritzung wird einerseits eine Innenkühlung der Brenn kammer bzw. des Verbrennungstunnels und zum anderen eine Druck erhöhung des Arbeitsfluids (Verbrennungsgas und Wasserdampf) bewirkt. Diese Maßnahmen erbringen - geeignete Detailausführung der Konstruktion und Materialwahl vorausgesetzt - eine Erhöhung des energetischen Wirkungsgrades und eine Lebensdauererhöhung.In a first embodiment, the turbine arrangement a combustion chamber or a combustion tunnel, the the actual turbine (the impeller) and what has water injectors for water injection. With the On the one hand, water injection becomes internal cooling of the combustion chamber or the combustion tunnel and on the other hand a pressure increase in working fluid (combustion gas and water vapor) causes. These measures provide - suitable detailed execution the construction and choice of materials - an increase of energy efficiency and an increase in service life.
Gemäß einem alternativen Ausführungskonzept ist die Brennkammer bzw. der Verbrennungstunnel von einer ringförmigen äußeren Kam mer umgeben, in die das Wasser eingespritzt wird. Die Brennkam mer wird somit von außen gekühlt und zugleich Wasserdampf als Arbeitsmedium für einen parallel zur eigentlichen Gasturbine geschalteten sekundären Energiewandler erzeugt. Dieser sekundä re Energiewandler ist speziell eine Dampfturbine, die insbeson dere mit dem Laufrad der Gasturbine auf einer gemeinsamen Welle sitzt und einen gemeinsamen Generator antreibt.According to an alternative embodiment, the combustion chamber is or the combustion tunnel from an annular outer chamber surrounded into which the water is injected. The Brennkam mer is thus cooled from the outside and at the same time water vapor Working medium for one parallel to the actual gas turbine switched secondary energy converter generated. This secondary re energy converter is specifically a steam turbine, in particular the other with the impeller of the gas turbine on a common shaft sits and drives a common generator.
Die erwähnten vorteilhaften Maßnahmen beim Materialeinsatz und konstruktiven Lösungen umfassen eine kalkabweisende und korro sionsbeständige Ausführung der mit den Verbrennungsgasen in Kontakt kommenden Oberflächen der erstgenannten Anordnung bzw. der mit dem Wasserdampf in Berührung kommenden Flächen bei der zweiten Ausführung. Weiterhin ist zweckmäßigerweise eine Kon densatoreinrichtung zur Rückgewinnung und Sammlung von zum Be trieb eingesetztem Wasser vorgesehen, um den Frischwasserbedarf und damit die Größe des für Frischwasser benötigten Vorratsbe hälters wesentlich zu verringern.The mentioned advantageous measures in the use of materials and constructive solutions include a lime-repellent and corro sion-resistant design with the combustion gases in Contacting surfaces of the first-mentioned arrangement or the areas in contact with water vapor at the second execution. Furthermore, a con is expedient capacitor device for the recovery and collection of be used water provided to meet fresh water needs and thus the size of the reservoir needed for fresh water to reduce significantly.
Den besonderen Einsatzbedingungen eines Kraftfahrzeugantriebes entsprechend, ist die Klein-Gasturbine mit Mitteln zur, insbe sondere katalytischen, Abgasreinigung ausgerüstet, die den be sonderen Verbrennungsbedingungen und der hierdurch bedingten speziellen Schadstoffzusammensetzung der Abgase angepaßt sind. Besonderes Augenmerk ist auch in diesem Zusammenhang der Hand habung des in der oben genannten ersten grundsätzlichen Ausfüh rungsart in den Abgasen enthaltenen Wasserdampfanteils zu schenken.The special operating conditions of a motor vehicle drive accordingly, the small gas turbine with means for, esp Special catalytic, exhaust gas cleaning equipped, the be special combustion conditions and the resulting conditions special pollutant composition of the exhaust gases are adapted. Particular attention is also given to the hand in this context have the first basic execution mentioned in the above type of water vapor contained in the exhaust gases give.
Die vorgeschlagene Anordnung umfaßt eine Turbinensteuereinheit zur Steuerung mindestens eines Betriebsparameters der Klein- Gasturbine zur Beeinflussung ihrer Ausgangsleistung, wobei die Turbinensteuereinheit insbesondere Brennstoffzufuhr-Steuermit tel und Wasserzufuhr-Steuermittel sowie eine Verarbeitungsein heit zur Bestimmung eines einen Zusammenhang zwischen der Brennstoffzufuhr und der Wasserzufuhr repräsentierenden Steuer kennlinie aufweist.The proposed arrangement comprises a turbine control unit for controlling at least one operating parameter of the small Gas turbine to influence its output, the Turbine control unit, in particular fuel supply control tel and water supply control means and a processing unit to determine a relationship between the Fuel supply and tax representing water supply has characteristic.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im üb rigen aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschrei bung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Von diesen zeigen:Advantages and advantages of the invention result in practice from the subclaims and the following description Exercise of preferred embodiments with reference to the figures. Of show this:
Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Klein-Gasturbine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 1 is a schematic diagram of a small gas turbine according to a first embodiment of the invention,
Fig. 2 eine Prinzipskizze einer Klein-Gasturbine gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 is a schematic diagram of a small gas turbine according to a second embodiment of the invention,
Fig. 3 eine Prinzipskizze einer Klein-Gasturbine gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung und Fig. 3 is a schematic diagram of a small gas turbine according to a third embodiment of the invention and
Fig. 4 eine Prinzipskizze einer Klein-Gasturbine gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 4 is a schematic diagram of a small gas turbine according to a fourth embodiment of the invention.
Die Fig. 1 und 2 zeigen Klein-Gasturbinen 100 bzw. 200 gemäß dem oben erwähnten ersten Ausführungsprinzip der Erfindung, nämlich mit Wassereinspritzung in eine Brennkammer bzw. einen Verbrennungstunnel. Figs. 1 and 2 show small gas turbines 100 and 200 according to the aforementioned first embodiment principle of the invention, namely with water injection into a combustor or an internal combustion tunnel.
Die Klein-Gasturbine 100 gemäß Fig. 1 hat eine weitgehend ku gelförmige Brennkammer 101 mit einem steuerbaren Lufteinlaßven til 103, einer Brennstoff-Einspritzdüse 105 und einer Wasser einspritzdüse 107. An die Brennkammer 101 schließt sich der ei gentliche Arbeitsbereich 109 mit einem Laufrad 111 (der Turbine im engeren Sinne bzw. Arbeitsturbine) an. Die Darstellung ist insoweit stark vereinfacht, als sämtliche peripheren Einrich tungen, insbesondere Vorratsbehälter und Zufuhrleitungen für Brennstoff und Wasser, eine Turbinensteuereinheit, ein Konden sator und ein Abgaskatalysator sowie der mit der Turbinenwelle 113 verbundene elektrische Generator für einen Kraftfahrzeug- Hybridantrieb weggelassen sind.The small gas turbine 100 shown in FIG. 1 has a largely ku gel-shaped combustion chamber 101 with a controllable air inlet valve 103 , a fuel injector 105 and a water injector 107th The actual working area 109 adjoins the combustion chamber 101 with an impeller 111 (the turbine in the narrower sense or working turbine). The illustration is greatly simplified insofar as all peripheral devices, in particular storage tanks and supply lines for fuel and water, a turbine control unit, a condenser and an exhaust gas catalytic converter, and the electrical generator connected to the turbine shaft 113 for a motor vehicle hybrid drive are omitted.
In die Brennkammer 101 wird zusammen mit dem über die Brenn stoff-Einspritzdüse(n) 105 eingespritzten Brennstoff - bevor zugt nach einem vorbestimmten Zeitregime, das einen geringfügi gen zeitlichen Versatz gegenüber der Brennstoffeinspritzung realisieren kann - über die Wassereinspritzdüse(n) 107 fein zerstäubt Wasser injiziert. Durch die schlagartige Verdampfung des Wassers wird einerseits die Brennkammer 101 von Innen ge kühlt und zum anderen ein zusätzlicher Gasdruck erzeugt, der die Leistung der Klein-Gasturbine 100 erhöht.In the combustion chamber 101 together with the fuel injected via the fuel injection nozzle (s) 105 - before given according to a predetermined time regime, which can realize a slight time offset compared to the fuel injection - via the water injection nozzle (s) 107, atomized water injected. The sudden evaporation of the water, on the one hand, cools the combustion chamber 101 from the inside and, on the other hand, generates an additional gas pressure, which increases the output of the small gas turbine 100 .
Analog arbeitet die Klein-Gasturbine 200 nach Fig. 2, die sich aber in ihrem Aufbau von der Ausführungsform nach Fig. 1 unter scheidet. Sie umfaßt eine annähernd zylindrische Brennkammer 201 mit mehreren Brennstoff-Einspritzdüsen 205 und Wasserein spritzdüsen 207 und zwei eingangs- bzw. ausgangsseitig der Brennkammer 201 angeordnete Laufräder 210 (Verdichter) bzw. 211 (Arbeitsturbine), die auf einer gemeinsamen, durchgehenden Tur binenwelle 213 sitzen. Im Bereich des vorderen Laufrades (Ver dichters) 210 sitzt auf der Turbinenwelle 213 ein Generator 215 eines Hybridantriebes. Der Generator 215 ist somit derart ange ordnet, daß er eine geringe thermische Belastungen erfährt und dennoch eine kompakte Bauweise der Gesamtanordnung realisiert wird.The small gas turbine 200 according to FIG. 2 operates analogously, but differs in structure from the embodiment according to FIG. 1. It comprises an approximately cylindrical combustion chamber 201 with a plurality of fuel injectors 205 and Wasserein spray nozzles 207 and two impellers 210 (compressor) and 211 (power turbine) arranged on the input and output sides of the combustion chamber 201 , which sit on a common, continuous turbine shaft 213 , In the area of the front impeller (Ver poet) 210 , a generator 215 of a hybrid drive sits on the turbine shaft 213 . The generator 215 is thus arranged in such a way that it experiences a low thermal load and yet a compact design of the overall arrangement is realized.
Die für die Ausführungen nach Fig. 1 und 2 zweckmäßige kalkab weisende und korrosionsfeste Oberflächenbeschaffenheit der mit dem Verbrennungsgas/Wasserdampf-Gemisch in Kontakt kommenden Flächen läßt sich weitgehend mit keramischen bzw. keramikbe schichteten Bauteilen realisieren. Um eine Ansammlung von Rest wasser im System zu vermeiden, sollte dieses im Fahrzeug vor zugsweise "hängend" eingebaut sein.Necessary for the embodiments according to FIGS. 1 and 2 expedient limescale-setting and corrosion-resistant surface finish of the combustion gas water vapor mixture coming in contact surfaces can / largely with ceramic or coated components keramikbe realized. In order to avoid the accumulation of residual water in the system, it should preferably be installed in the vehicle before it "hangs".
In Fig. 3 und 4 sind Klein-Turbinenanordnungen 300 bzw. 400 ge zeigt, die jeweils aus einer miteinander integrierten Klein- Gasturbine 300A bzw. 400A und einer Klein-Dampfturbine 300B, 400B zusammengesetzt sind.In Fig. 3 and 4 small turbine assemblies 300 and 400 ge are shown, each composed of an integrated small gas turbine 300 A or 400 A and a small steam turbine 300 B, 400 B.
Der Aufbau der Gasturbinen-Komponente 300A der Turbinenanord nung 300 nach Fig. 3 ähnelt demjenigen der Klein-Gasturbine 100 nach Fig. 1 und umfaßt eine annähernd kugelförmige Brennkammer 301 und Brennstoff-Einspritzdüsen 305 sowie ein Laufrad bzw. eine Arbeitsturbine 311 auf einer Turbinenwelle 313. Die Brenn kammer 301 und der die Arbeitsturbine 311 umgebende Gehäuseab schnitt der Gasturbine 300A sind von einer im wesentlichen ringförmigen Außenkammer 302 umgeben. In deren vorderem, die Brennkammer 301 umgebenden Bereich sind Wassereinspritzdüsen 307 vorgesehen, und im hinteren Bereich ist ein Dampfturbinen- Laufrad 312 vorgesehen, das ebenfalls auf der Turbinenwelle 313 sitzt.The structure of the gas turbine component 300 A of the Turbinenanord voltage 300 according to FIG. 3 is similar to that of the small gas turbine 100 according to FIG. 1 and comprises an approximately spherical combustion chamber 301 and fuel injection nozzles 305 as well as an impeller or a working turbine 311 on a turbine shaft 313 . The combustion chamber 301 and the housing section surrounding the working turbine 311 section of the gas turbine 300 A are surrounded by a substantially annular outer chamber 302 . In its front area surrounding the combustion chamber 301 , water injection nozzles 307 are provided, and in the rear area a steam turbine impeller 312 is provided, which is also seated on the turbine shaft 313 .
Der Betrieb der Klein-Gasturbine 300A entspricht weitgehend demjenigen einer herkömmlichen Gasturbine. Der Verbrennungsvor gang innerhalb der Brennkammer 301 sollte dabei so gesteuert werden, daß (beispielsweise infolge Einstellung eines relativ mageren Kraftstoff-Luft-Gemisches) relativ hohe Temperaturen entstehen.The operation of the small gas turbine 300 A largely corresponds to that of a conventional gas turbine. The combustion process within the combustion chamber 301 should be controlled so that (for example due to the setting of a relatively lean fuel-air mixture) relatively high temperatures arise.
In die Außenkammer (Dampfkammer) 302 wird über die Wasserein spritzdüsen 307 ausschließlich Wasser eingespritzt. Der auf die heiße Brennkammerwand auftreffende Wassernebel verdampft schlagartig und erzeugt in der Dampfkammer einen Dampfdruck, der als Arbeitsdruck für die Klein-Dampfturbine 300B genutzt wird. Die eingespritzte Wassermenge wird so dosiert, daß einer seits eine günstige Arbeitstemperatur für die Gas- wie die Dampfturbine eingestellt und das System andererseits ausrei chend gekühlt wird. Stellgrößen hierfür sind die eingespritzte Wassermenge und das eingestellte Kraftstoff-Luft-Gemisch.Only water is injected into the outer chamber (steam chamber) 302 via the water injection nozzles 307 . The water mist that strikes the hot combustion chamber wall evaporates suddenly and generates a steam pressure in the steam chamber, which is used as the working pressure for the small steam turbine 300 B. The amount of water injected is metered in such a way that a favorable working temperature for the gas and steam turbine is set on the one hand and the system is sufficiently cooled on the other hand. The manipulated variables for this are the amount of water injected and the fuel / air mixture set.
Die Klein-Turbinenanordnung 400 nach Fig. 4 arbeitet auf grund sätzlich dieselbe Weise wie die in Fig. 3 gezeigte und vorste hend beschriebene Anordnung, wobei der Aufbau der Gasturbine 400A - einschließlich der Anordnung eines elektrischen Genera tors 415 - weitgehend dem Aufbau nach Fig. 2 entspricht. Er um faßt demnach ein erstes Laufrad (Verdichter) 410 und ein zwei tes Laufrad (Arbeitsturbine) 411 auf einer gemeinsamen Ab triebswelle 413, deren entsprechende Gehäuseabschnitte durch eine tunnelartig ausgebildete Brennkammer 401 voneinander ge trennt sind. Die Brennkammer 401 ist hier nur mit Brennstoff- Einspritzdüsen 405 versehen.The small turbine arrangement 400 according to FIG. 4 basically works in the same way as the arrangement shown in FIG. 3 and described above, whereby the construction of the gas turbine 400 A - including the arrangement of an electrical generator 415 - largely the construction according to FIG corresponds. 2,. He therefore summarizes a first impeller (compressor) 410 and a two-th impeller (power turbine) 411 on a common drive shaft 413 , the corresponding housing sections of which are separated by a tunnel-shaped combustion chamber 401 . The combustion chamber 401 is here only provided with fuel injectors 405 .
Die gesamte Gasturbine 400A ist von einer langgestreckten Au ßenkammer 402 umgeben, in deren vorderem, dem Lufteinlaß nächstliegenden Bereich ein Dampfturbinen-Verdichterrad 414 und in dessen hinterem, dem Abgasauslaß nächstliegenden Bereich ein Dampfturbinen-Laufrad (Arbeitsturbine) 412 angeordnet ist. Der Raum zwischen beiden Laufrädern 412, 414 weist Wassereinspritz düsen 407 auf. The entire gas turbine 400 A is surrounded by an elongated outer chamber 402 , in the front area closest to the air inlet a steam turbine compressor wheel 414 and in the rear area closest to the exhaust gas outlet a steam turbine impeller (working turbine) 412 is arranged. The space between the two impellers 412 , 414 has water injection nozzles 407 .
Auch bei dieser Anordnung ist eine weitgehend kalkresistente und korrosionsfeste Ausführung der mit dem Wasserdampf in Kon takt kommenden Oberflächen, beispielsweise aus Keramik, Email oder Edelstahl, zweckmäßig.This arrangement is also largely resistant to limescale and corrosion-resistant design of the with the steam in Kon tactical surfaces, for example made of ceramic, enamel or stainless steel, appropriate.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die den Figuren (die lediglich als Prinzipskizzen zu verstehen sind) zu entnehmenden und oben beschriebenen Ausführungen beschränkt, sondern im Rah men der Ansprüche ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.The implementation of the invention is not based on the figures (the are only to be understood as sketches) and above-described designs limited, but in the framework men of the claims also in a variety of modifications possible that are within the scope of professional action.
Der Begriff "Kraftfahrzeug-Hybridantrieb" soll hier auch Boots antriebe einschließen.The term "motor vehicle hybrid drive" is also used here for boats include drives.
100100
; ;
200200
; ;
300300
A; A;
400400
A Klein-Gasturbine
A small gas turbine
101101
; ;
201201
; ;
301301
; ;
401401
Brennkammer
combustion chamber
103103
Lufteinlaßventil
Air inlet valve
105105
; ;
205205
; ;
305305
; ;
405405
Brennstoff-Einspritzdüse
Fuel injector
107107
; ;
207207
; ;
307307
; ;
407407
Wassereinspritzdüse
water injection
109109
Arbeitsbereich
Workspace
111111
; ;
211211
; ;
311311
; ;
411411
Laufrad (Arbeitsturbine)
Impeller
113113
; ;
213213
; ;
313313
; ;
413413
Turbinenwelle
turbine shaft
210210
Laufrad (Verdichter)
Impeller
215215
; ;
415415
Generator
generator
300300
; ;
400400
Klein-Turbinenanordnung
Small-turbine assembly
300300
B; B;
400400
B Klein-Dampfturbine
B Small steam turbine
302302
; ;
402402
Außenkammer (Dampfkammer)
Outer chamber (steam chamber)
312312
; ;
412412
Dampfturbinen-Laufrad
Steam turbine impeller
414414
Dampfturbinen-Verdichterrad
Steam turbine compressor
Claims (16)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8131 | Rejection |