DE102004061837A1

DE102004061837A1 - Turbine engine with centrifugal-stabilized combustion

Info

Publication number: DE102004061837A1
Application number: DE200410061837
Authority: DE
Inventors: Gangolf Jobb
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2006-07-13
Also published as: WO2006066940A1

Abstract

Der gewohnte Bauplan der Gasturbine wird von innen nach außen gekehrt: Brennraum und Luftstrahl rücken ins Zentrum des Triebwerks, die Funktion der ehemals zentralen Welle wird von der Triebwerkswand übernommen. Der Brennraum wird damit zur Zentrifuge. Flammgase werden durch Fliehkraft von den Wänden weg ins Zentrum der Brennkammer gedrückt. Querschnitt von Brennraum und Luftstrahl sind fortan kreisrund statt ringförmig.The familiar blueprint of the gas turbine is turned from the inside out: the combustion chamber and air jet move into the center of the engine, the function of the formerly central shaft is taken over by the engine wall. The combustion chamber thus becomes a centrifuge. Flame gases are forced by centrifugal force away from the walls into the center of the combustion chamber. Cross-section of combustion chamber and air jet are now circular rather than annular.

Description

Fast alle heutigen Flugzeuge und manche Schiffe werden von Gasturbinen angetrieben. Auch in Kraftwerken sind Gasturbinen im Einsatz. Es gibt sie in großer Formenvielfalt. Sie erzeugen Schub durch Beschleunigung von Luft oder treiben Propeller und Stromgeneratoren. Als Motoren großer Leistung besitzen Gasturbinen einen höheren Wirkungsgrad und eine erheblich höhere Leistungsdichte als Kolbenmotoren. Unterhalb von etwa 500 kW sind allerdings Kolbenmotoren günstiger. Für den effizienten und gewichtsparenden Antrieb von Kraftfahrzeugen kommen Gasturbinen herkömmlicher Bauart daher nicht in Frage. Angesichts der weltweit großen Anzahl von Kraftfahrzeugen wäre die Entwicklung kleiner und dennoch effizienter Gasturbinen sowohl ökologisch wie auch ökonomisch außerordentlich interessant.Nearly All of today's aircraft and some ships are powered by gas turbines driven. Gas turbines are also used in power plants. It she gives in big Variety of shapes. They generate thrust by accelerating air or drive propellers and power generators. As motors of great power Gas turbines have a higher Efficiency and a significantly higher power density than piston engines. Below about 500 kW, however, piston engines are cheaper. For the efficient and weight-saving drive of motor vehicles come Gas turbines conventional Design therefore out of the question. Given the world's large number of motor vehicles would be the development of small yet efficient gas turbines both ecologically and also economically extraordinarily Interesting.

Eine Gasturbine gliedert sich grundsätzlich in drei Abschnitte: Verdichter, Brennkammer und die eigentliche Turbine. Einströmende Luft wird im Verdichter komprimiert, beim Durchlaufen der nachfolgenden Stufen entspannt sie sich wieder. In dem so erzeugten Druckgradienten wird Treibstoff verbrannt. Die entstehenden, heißen Gase dehnen sich aus und werden dabei gegen den Druckgradienten beschleunigt. Dieser Vorgang entspricht genau dem bekannten Aufsteigen heißer Luft im Druckgradienten der Atmosphäre. Die beschleunigte Luft wird schließlich mit der nachfolgenden Turbine in Drehbewegung umgesetzt und teilweise zum Antrieb des Verdichters benutzt. Verdichter und Turbine sind über eine oder mehrere Wellen miteinander verbunden und stehen im Leistungsgleichgewicht.A Gas turbine is basically divided into three sections: compressor, combustion chamber and the actual turbine. incoming Air is compressed in the compressor as it passes through the following Steps she relaxes again. In the pressure gradient thus generated Fuel is burned. The resulting, hot gases expand and become thereby accelerated against the pressure gradient. This process corresponds exactly the well-known rise of hot air in the pressure gradient the atmosphere. The accelerated air eventually becomes with the subsequent Turbine converted into rotary motion and partly to drive the Compressor used. Compressor and turbine are over one or several waves connected and are in power balance.

Die wellen befinden sich im Zentrum der zylindrischen Gasturbine. Sie werden ringförmig vom Arbeitsgas umströmt. In einem ebenfalls ringförmig die Welle umgebenden Brennraum zwischen Verdichter und Turbine wird Treibstoff verbrannt und damit Energie zugeführt. Spezielle Brennkammerelemente sollen eine möglichst vollständige Verbrennung gewährleisten.The Shafts are located in the center of the cylindrical gas turbine. she become ring-shaped flows around the working gas. In a likewise annular the Wave surrounding combustion chamber between compressor and turbine becomes Fuel burned and thus supplied with energy. Special combustion chamber elements should one possible full Ensure combustion.

Der Verkleinerung von Gasturbinen sind verschiedene Grenzen gesetzt. Mit abnehmendem Triebwerksdurchmesser vergrößert sich das Verhältnis von reibender Triebwerkswand zur Querschnittsfläche des Luftstrahls. Leistung muss mit immer größeren Reibungsverlusten erkauft werden. Auch die im Triebwerk brennende Flamme ist bei gegebenem Druck nicht beliebig verkleinerbar. Wird die Flamme zu klein, dann erzeugt sie zu wenig Wärme um das heranströmende Luft-Brennstoff-Gemisch zu entzünden und erlischt. Immer mehr Treibstoff gerät bei abnehmender Flamme ins Abseits und verlässt das Triebwerk unverbrannt. Die Flamme wird daher üblicherweise durch Erhöhen des Drucks verkleinert. Die komprimierten Gase reagieren auf engerem Raum und erzeugen dabei entsprechend mehr Wärme pro Volumen als bei niedrigem Druck. Die Verbrennung bleibt effizient. Allerdings wird der erhöhte Druck mit den zusätzlichen Reibungsverlusten eines stärkeren Verdichters erkauft. Gleichzeitig erhöht sich die Flammtemperatur. Es kommt zur Bildung von Stickoxiden, erhöhtem Wärmeverlust durch Strahlung, und zu stärkerer thermischer Belastung des Materials.Of the Reduction of gas turbines have different limits. With decreasing engine diameter, the ratio of rubbing engine wall to the cross-sectional area of the air jet. power must with ever greater friction losses be bought. The burning flame in the engine is at a given pressure not arbitrarily reducible. If the flame is too small, then generated they do not have enough heat around the oncoming Air-fuel mixture to ignite and goes out. More and more fuel gets into the decreasing flame Offside and leaves the engine unburned. The flame is therefore usually by elevating the pressure is reduced. The compressed gases react more tightly Space and generate correspondingly more heat per volume than at low Print. The combustion remains efficient. However, the increased pressure with the extra Frictional losses of a stronger compressor he buys. At the same time increased the flame temperature It comes to the formation of nitrogen oxides, increased heat loss by radiation, and to stronger thermal load of the material.

Erfindunginvention

Der gewohnte Bauplan der Gasturbine wird von innen nach außen gekehrt: Brennraum und Luftstrahl rücken ins Zentrum des Triebwerks, die Funktion der ehemals zentralen Welle wird von der Triebwerkswand übernommen. Der Brennraum wird damit zur Zentrifuge. Flammgase werden durch Fliehkraft von den Wänden weg ins Zentrum der Brennkammer gedrückt. Querschnitt von Brennraum und Luftstrahl sind fortan kreisrund statt ringförmig.Of the The familiar construction plan of the gas turbine is turned inside out: Combustion chamber and air jet move back into the center of the engine, the function of the formerly central wave is taken over by the engine wall. The combustion chamber thus becomes a centrifuge. Flame gases are going through Centrifugal force away from the walls pressed into the center of the combustion chamber. Cross-section of combustion chamber and air jet are now circular instead annular.

Bild 1 zeigt den Längsschnitt eines Strahltriebwerks zur Gewinnung von Schub, beispielsweise an einem Flugzeug. Ein rotationssymmetrischer Hohlkörper ist in seinem oberen Bereich drehbar um eine feste Achse gelagert. Er gliedert sich von oben nach unten in die bekannten Baugruppen der Gasturbine.image 1 shows the longitudinal section a jet engine to gain thrust, for example an airplane. A rotationally symmetrical hollow body is in its upper area rotatably mounted about a fixed axis. He is divided from above below in the known components of the gas turbine.

Der obere Teil ist der Verdichter. Die Pfeile weisen oben auf den ringförmigen Lufteinlass, unten in Ausströmrichtung. Die schraffierten Flächen sind Schaufelreihen. Bei schneller Rotation drücken flach angestellte Verdichterschaufeln die eintretende Luft relativ langsam, aber mit großer Kraft nach innen. Durch den einwärts abnehmenden Querschnitt des Einlasstrichters wird die Luft verdichtet. Gleichzeitig erhält die Luft einen Drehimpuls, der diese auf ihrem Weg nach innen immer schneller rotieren lässt. Es bildet sich ein Wirbel wie bei einer auslaufenden Badewanne. Der Verdichter ist so ausgelegt, dass die Luft am Ende mit der selben Geschwindigkeit rotiert wie das Triebwerk.Of the upper part is the compressor. The arrows point to the top of the annular air inlet, down in the outflow direction. The hatched areas are shovel rows. With fast rotation, flat compressor blades push the incoming air is relatively slow, but with great force inside. By the inward decreasing cross section of the inlet funnel, the air is compressed. At the same time receives the air is getting an angular momentum which these are getting on their way in rotates faster. It forms a vortex as with a leaking bathtub. The compressor is designed so that the air at the end with the same Speed rotates like the engine.

Der mittlere Teil ist die Brennkammer. Treibstoff wird durch die hohle Achse ins Zentrum des Luftwirbels eingespritzt und nährt die dort brennende Flamme. Die heißen Gase haben eine geringere Dichte als die umgebende Luft und werden durch Fliehkraft von den Wänden weg in die Mitte der Brennkammer gedrückt. Auch brennende Treibstofftröpfchen sowie noch nicht brennende Tröpfchen in deren Nähe erfahren durch Mikrokonvektion einen Sog in Richtung der Triebwerksachse, was mit dem Funkenflug eines Holzfeuers vergleichbar ist. Die Flamme wird in einem dünnen Plasmafaden zur Austrittsdüse geführt und ist durch eine Schicht aus rotierender Kaltluft von der Brennraumwand isoliert. Die heißen Verbrennungsgase werden bei ihrer Ausdehnung entlang des Plasmafadens beschleunigt und übertragen einen Teil ihres Impulses auf die benachbarte Kaltluft. Gleichzeitig sorgt der entstehende Geschwindigkeitsgradient für intensiven Sauerstofftransport in die Flamme sowie für zusätzlichen Sog auf die Treibstofftröpfchen nach innen. Große Tröpfchen werden dabei zerrissen. Die Verbrennung vollzieht sich im Strahlungsbrennpunkt der Brennkammer, der gerade mit der Rotationsachse zusammenfällt. Abgestrahlte Wärme wird auf die Flamme zurück geworfen und beschleunigt die Verbrennung.The middle part is the combustion chamber. Fuel is injected through the hollow axis into the center of the vortex and nourishes the flame burning there. The hot gases have a lower density than the surrounding air and are forced by centrifugal force away from the walls to the center of the combustion chamber. Even burning fuel droplets and not yet burning droplets in their vicinity experience by micro convection a suction in the direction of the engine axis, what with the Sparks flying a wood fire is comparable. The flame is guided in a thin plasma thread to the outlet nozzle and is isolated by a layer of rotating cold air from the combustion chamber wall. The hot combustion gases are accelerated as they expand along the plasma wall and transfer part of their momentum to the adjacent cold air. At the same time, the resulting velocity gradient provides intense oxygen transport into the flame as well as additional suction on the fuel droplets inward. Large droplets are being torn. The combustion takes place in the radiation focal point of the combustion chamber, which coincides with the axis of rotation. Radiated heat is thrown back onto the flame and accelerates combustion.

Der untere Teil ist die Turbine. Ihre schraffiert dargestellten Luftschaufeln winden sich schraubenartig an der Triebwerkswand entlang durch die Austrittsdüse. Sie meiden den Kontakt mit den sehr heißen Luftschichten im Inneren des Strahls. Stattdessen verwendet die Turbine Impuls und Drehimpuls der immer noch kühlen, wandnahen Luftströmung zum Drehen des Triebwerks. Der heiße Mittelstrahl schießt hingegen durch die Düse hinaus und erzeugt Schub. An der Düse kommt es zu vermehrter Impulsübertragung von den inneren auf äußere Strahlschichten, so dass den Luftschaufeln an der Düsenwand ausreichend Kraft zufließt.Of the lower part is the turbine. Her hatched illustrated air blades wind helically along the engine wall along the Outlet nozzle. They avoid contact with the very hot layers of air inside of the beam. Instead, the turbine uses momentum and angular momentum still cool, near-wall airflow to Turning the engine. The hot one Midstream shoots however, through the nozzle out and generates thrust. At the nozzle there is an increased momentum transfer from the inner to the outer beam layers, so that the air scoops on the nozzle wall sufficient force flows.

Bild 2 zeigt den Längsschnitt einer Gasturbine zur Gewinnung von Wellenarbeit, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug. Hier sind drei rotationssymmetrische Hohlkörper zwiebelschalenartig und drehbar ineinander geschachtelt. Jede Schale gliedert sich von oben nach unten in die bekannten Baugruppen der Gasturbine. Luftschaufeln sind schraffiert dargestellt. Die Pfeile zeigen die Fließrichtung der Luft an den umlaufenden Ein- und Austrittsöffnungen. Benachbarte Schalen drehen sich in entgegengesetzter Richtung. Die Verschachtelung beabsichtigt eine Kaskadierung des Verdichters, wobei jede Stufe von einem eigenen Turbinenanteil getrieben wird.image 2 shows the longitudinal section a gas turbine for obtaining shaft work, for example in a motor vehicle. Here are three rotationally symmetrical hollow body onion-shell-like and rotatably nested. Each shell is divided by top down in the known components of the gas turbine. air blades are shown hatched. The arrows show the flow direction the air at the circumferential inlet and outlet openings. Neighboring bowls turn in the opposite direction. The nesting intends one Cascading the compressor, each stage of its own Turbine component is driven.

Treibstoff wird durch die obere Achse in den Luftwirbel der innersten Schale eingeblasen. Durch hohe Verdichtung, Fliehkraft-Stabilisierung und Wärmereflexion vollzieht sich auch hier die Verbrennung effizient und auf engstem Raum. Luft wird zur Turbine hin beschleunigt. Anders als bei obigem Strahltriebwerk wird hier der gesamte Luftstrahl auf die Luftschaufeln geleitet. Um thermische Beschädigung des Triebwerks zu vermeiden, muss zuvor der heiße Mittelstrahl auf eine erträgliche Temperatur abgekühlt werden. Dies geschieht am einfachsten durch Vermischen mit der außen rotierenden Kaltluft. Ein zusätzlicher Schaufelkranz am Ende der Brennstrecke verlangsamt die Rotation der Gassäule und hebt dadurch die Fliehkraft-Stabilisierung auf. Heiße und kalte Luft können sich danach vermischen. Auf der unteren Achse befindet sich noch ein Umlenkkörper aus feuerfestem Material, der die Reste des heißen Mittelstrahls von der Wand ablenkt.fuel passes through the top axis into the air vortex of the innermost shell blown. Due to high compression, centrifugal stabilization and heat reflection here, too, combustion takes place efficiently and in the narrowest of places Room. Air is accelerated toward the turbine. Unlike the above Jet engine here is the entire air jet on the air blades directed. To thermal damage To avoid the engine, the hot center jet must first be at a tolerable temperature be cooled. This is most easily done by mixing with the outside rotating Cold air. An additional one Blade ring at the end of the focal length slows down the rotation the gas column and thereby neutralizes the centrifugal force stabilization. Hot and cold Air can mix afterwards. On the lower axis is still a deflecting body made of refractory material containing the remains of the hot center jet from the wall distracting.

Oberhalb des Verdichters kann man den ineinander geschachtelten Wellen eine Nutzleistung entnehmen und sie beispielsweise drei Stromgeneratoren zuführen. Die Restwärme der Abgase überträgt man am besten mittels eines Wärmetauschers auf die einströmende Frischluft.Above of the compressor you can see the nested waves one Take power and you, for example, three power generators respectively. The residual heat the exhaust gases are transferred on best by means of a heat exchanger on the incoming Fresh air.

Vorteileadvantages

Ein runder Luftstrahl hat an der Triebwerkswand eine deutlich kleinere Reibungsfläche als ein ringförmiger Strahl von gleicher Stärke. Dies mindert Reibungsverluste vor allem im Bereich zwischen Brennraum und Turbine, wo die Luft sehr schnell strömt.One round jet of air has a much smaller at the engine wall friction surface as a ring-shaped Beam of equal strength. This reduces friction losses, especially in the area between the combustion chamber and turbine, where the air flows very fast.

Nimmt man die Flammgeometrie als begrenzenden Faktor bei der Miniaturisierung, dann kann ein Triebwerk mit einer einzelnen, zentralen Brennkammer erheblich kleiner gebaut sein als ein anderes, bei dem mehrere baugleiche Brennkammern ringförmig angeordnet sind.takes the flame geometry as a limiting factor in miniaturization, then an engine with a single, central combustion chamber be built much smaller than another, in which several identical Combustion chambers ring-shaped are arranged.

Die Stabilisierung der Flamme durch Fliehkraft gewährleistet eine effiziente Verbrennung auch bei geringer Kompression. Es genügen kleinere Verdichter mit geringeren Reibungsverlusten. Triebwerke werden dadurch leichter und billiger.The Stabilization of the flame by centrifugal force ensures efficient combustion even with low compression. It suffice with smaller compressors lower friction losses. Engines are lighter and cheaper.

Bei dem vorgeschlagenen Strahltriebwerk (Bild 1) werden die äußeren Schichten des austretenden Luftstrahls von den Schaufeln der Düsenwand stark gebremst. Der Übergang zwischen dem schnellen Mittelstrahl und der Umgebungsluft ist daher viel weicher als bei einem herkömmlichen Triebwerk, so dass mit geringerer Schallemission zu rechnen ist.at the proposed jet engine (Figure 1) becomes the outer layers the exiting air jet from the blades of the nozzle wall strong braked. The transition between the fast center jet and the ambient air is therefore much softer than a conventional one Engine, so that is expected to lower noise emissions.

Der vorgeschlagene Turbinenmotor (Bild 2) könnte mit einer Vielzahl unterschiedlicher Brennstoffe betrieben werden. Außer brennbaren Flüssigkeiten und Gasen könnte man insbesondere auch feine Feststoffpartikel einblasen.Of the proposed turbine engine (Figure 2) could be with a variety of different Fuels are operated. Except flammable liquids and gases could In particular, it is also possible to blow in fine solid particles.

Ein Turbinengetriebenes Kraftfahrzeug könnte je nach Angebot mit unterschiedlichen Kraftstoffen betankt werden. Mit einem schnell drehenden Turbinenmotor könnte auf engstem Raum reichlich Strom für einen Hybridantrieb bereit gestellt werden.One Turbine-driven motor vehicle could, depending on the offer with different Fueled fuel. With a fast rotating turbine engine could Ample power available for a hybrid drive in the tightest of spaces be put.

Weitere Einsatzmöglichkeiten des Turbinenmotors sind die Stromgewinnung in Kraftwerken, sowie die kombinierte Strom-Wärme-Produktion in Haushalten und Gemeinden. Wirtschaftlich interessant wäre die effiziente Verstromung von Biomasse wie Ernteabfälle, Holzschnitzel oder Klärschlamm. Diese Stoffe müssten zuvor durch Trocknen und Mahlen in eine rieselfähige Form gebracht werden. Vorteilhaft wäre hierbei die direkte Umsetzung der Biomasse in nutzbare Drehbewegung.Other possible uses of the turbine engine are the power generation in power plants, as well as the combined heat and power production in households and communities. Economically interesting would be the efficient generation of electricity from biomass such as harvest waste, wood chips or sewage sludge. These substances would first have to be brought into a free-flowing form by drying and grinding. The advantage here would be the direct conversion of the biomass into usable rotary motion.

Fliehkraft-stabilisierte Verbrennung eignet sich hervorragend zur Verfeuerung langsam brennender Stoffe. Die längere Brennzeit kann durch eine verlängerte Brennstrecke ausgeglichen werden. Gegenüber der sonst üblichen Wirbelschichtfeuerung durchläuft der Brennstoff hier die Brennkammer nur einmal. Die Rückgewinnung und das erneute Aufheizen des übrig gebliebenen Brennstoffs entfällt.Centrifugal stabilized Combustion is ideal for firing slow burning Substances. The longer one Burning time can be prolonged by a Burning distance are compensated. Compared to the usual fluidized bed combustion passes through the Fuel here the combustion chamber only once. The recovery and the re-heating of the left over remaining fuel is eliminated.

Die Fliehkraft-Stabilisierung eines Plasmas könnte sich einmal bei der Nutzung der Kernfusion als nützlich erweisen. Wenn die Kernfusion im Zentrum des vorgeschlagen Turbinenmotors erfolgte, dann würde Fusionsenergie direkt in Drehbewegung umgewandelt.The Centrifugal stabilization of a plasma could occur once during use of nuclear fusion as useful prove. If the nuclear fusion in the center of the proposed turbine engine took place, then would Fusion energy converted directly into rotary motion.

Claims

Gas turbine engine for generating thrust or Wave power characterized by that this one single, central combustion chamber has, that the transmission the torque from the turbine to the compressor via the engine wall, that the flowing ones Rotate gas masses inside the engine, that as a result the rotation are the hot ones Flammgase by centrifugal force away from the walls in the center of the engine depressed become, that the combustion in the radiation focal point of the combustion chamber takes place and therefore the flame loses little energy through radiation.

Gas turbine engine according to claim 1, characterized in that, to achieve multi-stage compression, several, Rotary hollow bodies filled with blades are nested on one another like onions are, which rotate against each other, and each one compressor stage as well as the associated Combine turbine stage in itself.

Gas turbine engine according to claim 1, characterized in that, if necessary, the centrifugal force stabilization of the flame attenuated or is lifted by at least one own blade ring inside the combustion chamber, which the passing gases offset in counter rotation.

Gas turbine engine according to claim 1, characterized in that the residual heat the exhaust gases through a heat exchanger on the incoming Transfer fresh air becomes.