DE102017201808A1 - Turbine with a thermoelectric generator - Google Patents
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Abstract
Turbine (7), die eine Außenhaut (35), einen ersten Gasturbinenabschnitt (11) mit einer Gasturbine (19) und einen zweiten Dampfturbinenabschnitt (13) mit einer Dampfturbine (29) umfasst, wobei ein thermoelektrischer Generator (37) zwischen der Außenhaut (35) und dem zweiten Abschnitt (13) angeordnet ist.Turbine (7) comprising an outer skin (35), a first gas turbine section (11) with a gas turbine (19) and a second steam turbine section (13) with a steam turbine (29), wherein a thermoelectric generator (37) between the outer skin ( 35) and the second portion (13) is arranged.
Description
Die Erfindung betrifft eine Turbine mit einem thermoelektrischen Generator.The invention relates to a turbine with a thermoelectric generator.
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Das durch die vorliegende Erfindung zu lösende Problem besteht darin, eine Turbine mit verbesserten Fähigkeiten zur Erzeugung elektrischer Energie bereitzustellen, die kompakt und einfach zu warten ist.The problem to be solved by the present invention is to provide a turbine with improved electrical power capabilities that is compact and easy to maintain.
Dieses Problem wird durch eine Turbine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.This problem is solved by a turbine with the features of the independent claim. Preferred embodiments are defined in the dependent claims.
Die Turbine umfasst eine Außenhaut, einen ersten Gasturbinenabschnitt mit einer Gasturbine und einen zweiten Dampfturbinenabschnitt mit einer Dampfturbine, wobei ein thermoelektrischer Generator zwischen der Außenhaut und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist.The turbine comprises an outer skin, a first gas turbine section with a gas turbine and a second steam turbine section with a steam turbine, wherein a thermoelectric generator is arranged between the outer skin and the second section.
Bei einem mit der oben erwähnten Turbine ausgestatteten Fahrzeug erreicht das heiße Abgas aus der Gasturbine 600 bis 700 °C. Gleichzeitig hat das äußere Fluid (Luft oder Wasser) in Abhängigkeit des Fahrzeugtyps, seiner Flughöhe und der aktuellen Wetterbedingungen üblicherweise eine Temperatur zwischen ungefähr -85 °C bis +40 °C. Jedenfalls ist es wünschenswert, den thermoelektrischen Generator effektiv zwischen diesen beiden Extremen anzuordnen, um einen höheren Temperaturgradienten für eine bessere Effizienz des thermoelektrischen Generators auszunutzen. Dies ist der Grund, warum ein thermoelektrischer Generator zwischen der Außenhaut und dem zweiten Abschnitt mit der Dampfturbine angeordnet wird, wo das heiße Abgas der Gasturbine dazu verwendet wird, Flüssigkeit zum Kochen zu bringen und die Dampfturbine anzutreiben.In a vehicle equipped with the above-mentioned turbine, the hot exhaust gas from the gas turbine reaches 600 to 700 ° C. At the same time, the external fluid (air or water) usually has a temperature between about -85 ° C to + 40 ° C, depending on the type of vehicle, its altitude and current weather conditions. In any case, it is desirable to effectively place the thermoelectric generator between these two extremes to take advantage of a higher temperature gradient for better efficiency of the thermoelectric generator. This is the reason why a thermoelectric generator is placed between the skin and the second section with the steam turbine, where the hot exhaust of the gas turbine is used to boil liquid and drive the steam turbine.
Die Gasturbine kann einen elektrischen Generator antreiben und die Dampfturbine kann einen anderen elektrischen Generator antreiben. Dadurch können elektrische Generatoren vorgesehen werden, die dazu eingerichtet sind, effektiv im Hauptdrehzahl- und Hauptdrehmomentbereich der jeweiligen Gas- oder Dampfturbine zu arbeiten.The gas turbine can drive an electric generator and the steam turbine can drive another electric generator. As a result, electric generators can be provided which are adapted to operate effectively in the main speed and main torque range of the respective gas or steam turbine.
Alternativ dazu können die Gasturbine und die Dampfturbine denselben elektrischen Generator antreiben. Dadurch kann aufgrund des verringerten Platzbedarfs für die Komponenten der Turbine eine kompakte und effektivere Turbine bereitgestellt werden. Wie aus der unten beschriebenen Ausführungsform ersichtlich wird, können elektrische Generatoren wertvollen Raum innerhalb der Turbine einnehmen. Wenn die Anzahl der elektrischen Generatoren von zwei auf ein verringert wird, beispielsweise indem das Erfordernis für einen separaten elektrischen Generator für den zweiten Abschnitt und seine Dampfturbine beseitigt wird, kann der freigestellte Raum zur Vergrößerung der Distanz verwendet werden, über die das heiße Abgas von dem ersten Abschnitt um Rohre des zweiten Abschnitts fließen kann, um das Fluid darin zum Kochen zu bringen. Mit anderen Worten, die Distanz in einer Erstreckungsrichtung der Turbine wird erhöht, um die thermische Energie von dem heißen Abgas des ersten Abschnitts auf die Flüssigkeit des zweiten Abschnitts zu übertragen. Dies bedeutet, dass nicht nur die Effizienz des zweiten Abschnitts erhöht wird, sondern auch, dass ein größerer Bereich für den thermoelektrischen Generator erzeugt wird, der ebenfalls mehr elektrische Energie erzeugen kann.Alternatively, the gas turbine and the steam turbine may drive the same electric generator. As a result, a compact and more effective turbine can be provided due to the reduced space requirement for the components of the turbine. As will be apparent from the embodiment described below, electric generators may occupy valuable space within the turbine. When the number of electric generators is reduced from two to one, for example, by eliminating the need for a separate electric generator for the second section and its steam turbine, the clearance space may be used to increase the distance over which the hot exhaust gas from the first section may flow around tubes of the second section to bring the fluid therein to boil. In other words, the distance in an extending direction of the turbine is increased to transmit the thermal energy from the hot exhaust gas of the first section to the fluid of the second section. This means that not only the efficiency of the second section is increased, but also that a larger area is created for the thermoelectric generator, which can also generate more electrical energy.
Ein Getriebe kann die Gasturbine und/oder die Dampfturbine mit dem elektrischen Generator verbinden. Dadurch kann die Transmission, d.h. die Drehzahl und das Drehmoment in einem gewünschten, maximal effektiven Bereich für den jeweiligen Generator gehalten werden. In dem obigen Fall, in dem nur ein Generator vorhanden ist, kann das Getriebe Unterschiede zwischen der/dem von der Gasturbine und der Dampfturbine ausgegebenen Drehzahl und Drehmoment eliminieren, so dass der maximal effiziente Bereich für den einzigen Generator beibehalten wird.A transmission may connect the gas turbine and / or the steam turbine to the electric generator. This allows the transmission, i. the speed and the torque are kept in a desired, maximum effective range for the respective generator. In the above case, where there is only one generator, the transmission may eliminate differences between the speed and torque output by the gas turbine and the steam turbine, so that the maximum efficient range for the single generator is maintained.
Der zweite Abschnitt kann einen Wärmerückgewinnungsdampfgenerator umfassen, der zwischen dem ersten Abschnitt und der Dampfturbine angeordnet ist und/oder die Dampfturbine umgibt. Wenn der Wärmerückgewinnungsdampfgenerator die Dampfturbine umgibt, kann eine kompakte Turbine bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann das Abgas der Gasturbine über eine längere Distanz verwendet werden, da es nicht erforderlich ist, exklusiv für die Dampfturbine Raum in der Turbine zu reservieren. Dieser Vorteil trifft auch für die Bereitstellung eines zweiten Dampfturbinenabschnitts ohne Generator, wie oben erläutert, zu, was entweder durch die Verwendung lediglich eines Generators oder durch Anordnen des Generators des zweiten Dampfturbinenabschnitts außerhalb der Turbine realisiert werden kann.The second portion may include a heat recovery steam generator disposed between the first portion and the steam turbine and / or surrounding the steam turbine. When the heat recovery steam generator surrounds the steam turbine, a compact turbine may be provided. In addition, the exhaust gas of the gas turbine can be used over a longer distance, since it is not necessary to reserve space exclusively in the turbine for the steam turbine. This advantage also applies to the provision of a second steam turbine section without generator, as explained above, which can be realized either by the use of only one generator or by arranging the generator of the second steam turbine section outside the turbine.
Der thermoelektrische Generator kann zwischen der Außenhaut und einem Gehäuse des zweiten Abschnitts angeordnet sein. Dadurch kann eine hohe, gleichmäßige und konstante Temperaturdifferenz zwischen der durch die frische Außenluft gekühlten Außenhaut des Fahrzeugs und dem durch das aus der Gasturbine austretende Abgas geheizte Gehäuse genutzt werden. The thermoelectric generator may be disposed between the skin and a housing of the second portion. This allows a high, uniform and constant temperature difference between the cooled by the fresh outside air outer skin of the vehicle and the heated by the exiting the gas turbine exhaust gas housing can be used.
Alternativ dazu können ein Gehäuse des zweiten Abschnitts und/oder die Außenhaut einen Teil von wärmeleitenden Substraten des thermoelektrischen Generators bilden. Innerhalb des Gehäuses und/oder der Außenhaut können Vertiefungen oder Durchgangsöffnungen vorgesehen sein, die dazu eingerichtet sind, ein leitfähiges Substrat der thermoelektrischen Generatoren aufzunehmen. Dadurch kann der Wärmeverlust weiter minimiert werden. Darüber hinaus kann die Turbine kompakter und kosteneffizienter gestaltet werden, da weniger Material für das Gehäuse und/oder die Außenhaut benötigt wird.Alternatively, a housing of the second portion and / or the outer skin may form part of thermally conductive substrates of the thermoelectric generator. Recesses or through-holes may be provided within the housing and / or the outer skin, which are configured to receive a conductive substrate of the thermoelectric generators. As a result, the heat loss can be further minimized. In addition, the turbine can be made more compact and cost-efficient, as less material is needed for the housing and / or the outer skin.
Der thermoelektrische Generator kann an einer lösbaren Abdeckung der Außenhaut angeordnet sein, die dazu konfiguriert ist, temporären Zugang zu dem Inneren der Turbine zu gewähren. Dadurch wird die Wartung der thermoelektrischen Generatoren und der Abschnitte der Turbine vereinfacht. Insbesondere da die Abdeckung nicht nur geöffnet werden kann, während sie am Fahrzeug befestigt bleibt, sondern auch, weil sie einfach gelöst und zur Reparatur in einen anderen Ort gebracht werden kann. Dies kann wichtig sein, da die Substrate des thermoelektrischen Generators aufgrund der konstanten thermischen und folglich mechanischen Belastung während ihres typischen Einsatzes gewartet oder ersetzt werden müssen. Es versteht sich, dass auch mehrere Abdeckungen mit mehreren thermoelektrischen Generatoren vorhanden sein können.The thermoelectric generator may be disposed on a removable cover of the outer skin configured to provide temporary access to the interior of the turbine. This simplifies the maintenance of the thermoelectric generators and the sections of the turbine. In particular, since the cover can be opened not only while it remains attached to the vehicle, but also because it can be easily solved and brought to a different location for repair. This may be important because the substrates of the thermoelectric generator must be serviced or replaced due to the constant thermal and thus mechanical stress during their typical use. It is understood that multiple covers with multiple thermoelectric generators may be present.
(Eine) derartige Abdeckung (en) kann/können faltbar und vorzugsweise gelenkig an der Außenhaut angebracht sein. Dadurch wird ein rasches und einfaches Öffnen und Schließen der Turbine mit direktem Zugang zu dem Inneren und dem/den thermoelektrischen Generator(en) gewährleistet.Such cover (s) may be foldable and preferably hinged to the outer skin. This ensures quick and easy opening and closing of the turbine with direct access to the interior and the thermoelectric generator (s).
Der thermoelektrische Generator kann keramische wärmeleitende Platten als wärmeleitende Substrate umfassen. Keramiken behalten bekannterweise ihre strukturelle Form unter thermischer Last bei und sind dazu in der Lage, sehr hohen Temperaturen standzuhalten.The thermoelectric generator may comprise ceramic heat conducting plates as heat conducting substrates. Ceramics are known to retain their structural shape under thermal load and are capable of withstanding very high temperatures.
Darüber hinaus kann ein Fahrzeug, vorzugsweise ein Luftfahrzeug, insbesondere bevorzugt ein Flugzeug oder eine Drohne eine der oben beschriebene Turbinen umfassen, vorzugsweise an einem Heckabschnitt des Fahrzeugs angeordnet. Der stromlinienförmige Heckabschnitt eines Fahrzeugs hat üblicherweise eine sich verjüngende Form, die in Richtung des Endes des Heckabschnitts schmäler wird. Gleichzeitig können die Querschnittsabmessungen der Turbine, die die gleiche Haupterstreckungsrichtung hat wie das Fahrzeug, konstant sein oder sich mit einem Winkel verjüngen, der im Vergleich zum Heckabschnitt des Fahrzeugs geringer ist. Wenn die Turbine in dem Heckabschnitt des Fahrzeugs angeordnet ist, wobei der zweite Abschnitt näher an der Spitze des Heckabschnitts liegt, variiert folglich der Abstand zwischen den Außenabmessungen der Turbine und der umgebenden Außenhaut des Fahrzeugs und wird in Richtung des zweiten Abschnitts der Turbine, wo die thermoelektrischen Generatoren angeordnet sind, geringer. Daher ist es wünschenswert, die Turbine, insbesondere den zweiten Abschnitt mit den thermoelektrischen Generatoren, so nah an der Spitze des Heckabschnitts anzuordnen wie möglich. Dann ist der Abstand zwischen dem zweiten Abschnitt und der Außenhaut minimal und die Effizienz der thermoelektrischen Generatoren maximiert. Falls mehrere thermoelektrischer Generatoren verwendet werden, können sie auch die gleiche Größe aufweisen. Zu diesem Zweck könnte auf den elektrischen Generator in dem zweiten Abschnitt verzichtet werden und/oder der Wärmerückgewinnungsdampfgenerator könnte die Dampfturbine umgeben wie oben erläutert.In addition, a vehicle, preferably an aircraft, particularly preferably an aircraft or a drone, may comprise one of the turbines described above, preferably arranged at a rear section of the vehicle. The streamlined rear portion of a vehicle usually has a tapered shape that narrows toward the end of the rear portion. At the same time, the cross-sectional dimensions of the turbine, which has the same main direction of extension as the vehicle, may be constant or taper at an angle that is smaller compared to the rear portion of the vehicle. Thus, when the turbine is disposed in the rear portion of the vehicle, with the second portion closer to the apex of the rear portion, the distance between the outer dimensions of the turbine and the surrounding outer skin of the vehicle varies and is directed toward the second portion of the turbine where the thermoelectric generators are arranged, lower. Therefore, it is desirable to arrange the turbine, in particular the second section with the thermoelectric generators, as close to the tip of the rear section as possible. Then the distance between the second portion and the skin is minimal and the efficiency of the thermoelectric generators is maximized. If multiple thermoelectric generators are used, they may also be the same size. For this purpose, the electric generator in the second section could be dispensed with and / or the heat recovery steam generator could surround the steam turbine as explained above.
Die obige Turbine kann in vielen Fahrzeugarten, wie zum Beispiel Wasserfahrzeugen, Landfahrzeugen und Luftfahrzeugen eingesetzt werden. Aufgrund der sehr niedrigen Temperaturen der Außenluft eines in großer Höhe fliegenden Flugzeugs ist es insbesondere vorteilhaft, die Turbine in Luftfahrzeugen, insbesondere Flugzeugen einzusetzen, da deren Flughöhe im Vergleich zu anderen Luftfahrzeugen, wie zum Beispiel Helikoptern, üblicherweise sehr hoch und konstant ist. Dies trifft auch auf Drohnen zu.The above turbine can be used in many types of vehicles, such as watercraft, land vehicles and aircraft. Due to the very low temperatures of the outside air of a high-altitude flying aircraft, it is particularly advantageous to use the turbine in aircraft, especially aircraft, since their altitude compared to other aircraft, such as helicopters, is usually very high and constant. This also applies to drones.
Die Erfindung wird mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen ähnliche Elemente ähnliche Bezugszeichen haben, detaillierter beschrieben. Zur besseren Lesbarkeit der Zeichnungen sind nur einige der ähnlichen Bezugszeichen angegeben, während die anderen für den Fachmann einfach ableitbar sind. In diesen Zeichnungen ist
-
1 eine perspektivische Ansicht eines Flugzeugs mit einer erfindungsgemäßen Turbine, die in den Heckabschnitt des Flugzeugs integriert ist, -
2 eine Ansicht einer Anordnung der Elemente im Inneren der Turbine gemäß1 , die einen ersten Gasturbinenabschnitt auf der linken Seite und einen anschließenden zweiten Dampfturbinenabschnitt auf der rechten Seite hat, -
3 eine Multiebenen-Ausschnittsansicht des Heckabschnitts gemäß1 mit einer Mehrzahl von thermoelektrischen Generatoren, die zwischen einer Außenhaut der Turbine/des Flugzeugs und dem zweiten Abschnitt angeordnet sind, und -
4 eine vergrößerte Ausschnittsansicht eines der thermoelektrischen Generatoren, die zwischen der Außenhaut und dem zweiten Abschnitt gemäß3 angeordnet sind.
-
1 a perspective view of an aircraft with a turbine according to the invention, which is integrated in the rear portion of the aircraft, -
2 a view of an arrangement of the elements in the interior of the turbine according to1 having a first gas turbine section on the left side and a subsequent second steam turbine section on the right side, -
3 a multi-level cutaway view of the rear section according to1 with a majority thermoelectric generators disposed between an outer skin of the turbine / aircraft and the second section, and -
4 an enlarged sectional view of one of the thermoelectric generators, between the outer skin and the second section according to3 are arranged.
Die folgenden Modifikationen der obigen Ausführungsform werden bereitgestellt:
- •
Die thermoelektrischen Generatoren 37 können zwischen der Außenhaut35 des Flugzeugs angeordnet sein und ebenso Teile des ersten Gasturbinenabschnitts11 einschließlich der Gasturbine19 des ersten Gasturbinenabschnitts 11. - •
Der thermoelektrische Generator 37 oder Generatoren 37 kann/können nur an der lösbaren Abdeckung39 angeordnet sein. Es kann auch eine Mehrzahlvon lösbaren Abdeckungen 39 vorgesehen sein. - •
Obwohl die Gasturbine 19 und dieDampfturbine 29 zwei separate elektrische Generatoren23 ,33 antreiben, können Sie auch den gleichen elektrischen Generator antreiben. Zu diesem Zweck kann eine der Abtriebswellen21 ,31 hohl sein, um die Hindurchführung der anderen der Abtriebswellen21 ,31 zu ermöglichen, sodass beide Abtriebswellen21 ,31 zu dem gleichen Generator der zwei Generatoren23 ,33 führen können. Eine weitere Möglichkeit ist, dass der einzige Generator zwischen dem ersten unddem zweiten Abschnitt 11 ,13 angeordnet ist, sodass Abtriebswellen der Gasturbine19 und der Dampfturbine27 jeweils von zwei verschiedenen Seiten zu dem Generator führen können. - • Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein
Getriebe die Gasturbine 19 und/oder dieDampfturbine 29 mit dem jeweiligen der zwei elektrischen Generatoren23 ,33 oder dem einzigen elektrischen Generator verbinden, um die Transmission, d. h. die Drehzahl und das Drehmoment der jeweiligen Abtriebswellen 21, 31 für den/die elektrischen Generator(en) anzupassen. - • Alternativ oder zusätzlich dazu kann die
Dampfturbine 29 im Inneren des Wärmerückgewinnungsdampfgenerators25 angeordnet sein, sodass der Wärmerückgewinnungsdampfgenerator25 die Dampfturbine29 umgibt. Zu diesem Zweckwären die Fluidrohre 27 in Umfangsrichtung um dieDampfturbine 29 angeordnet. - • Um die Effizienz des thermoelektrischen
Generators 37 zu erhöhen, können wärmeleitendenSubstrate 43 ,49 ander Außenhaut 35 und/oder dem Gehäuse 41 vorgesehen sein. - •
Das Gehäuse 41 des zweiten Dampfturbinenabschnitts13 kann sich weiter erstrecken, um auchdas Gehäuse 41 des ersten Gasturbinenabschnitts11 zu sein. - • Obwohl die obige Ausführungsform ein Flugzeug
1 mit der hier offenbartenTurbine 7 zeigt, können viele Fahrzeugarten, beispielsweise Luftfahrzeuge, insbesondere Flugzeuge oder Drohnen mit einerderartigen Turbine 7 ausgestattet sein.
- • The
thermoelectric generators 37 can between theouter skin 35 be disposed of the aircraft and also parts of the firstgas turbine section 11 including thegas turbine 19 of the firstgas turbine section 11. - • The
thermoelectric generator 37 orgenerators 37 Can / can only on theremovable cover 39 be arranged. It can also have a plurality ofremovable covers 39 be provided. - • Although the
gas turbine 19 and thesteam turbine 29 two separateelectric generators 23 .33 You can also power the same electric generator. For this purpose, one of the output shafts21 .31 be hollow to the passage of the other of the output shafts21 .31 to allow both output shafts21 .31 to the same generator of the twogenerators 23 .33 being able to lead. Another possibility is that the only generator between the first and thesecond section 11 .13 is arranged so that output shafts of thegas turbine 19 and thesteam turbine 27 can each lead from two different sides to the generator. - Alternatively or additionally, a transmission may be the
gas turbine 19 and / or thesteam turbine 29 with the respective one of the twoelectric generators 23 .33 or the single electric generator to adjust the transmission, ie the speed and the torque of therespective output shafts 21, 31 for the / the electric generator (s). - • Alternatively or additionally, the steam turbine can
29 inside the heatrecovery steam generator 25 be arranged so that the heatrecovery steam generator 25 thesteam turbine 29 surrounds. For this purpose, the fluid pipes would be27 in the circumferential direction around thesteam turbine 29 arranged. - • To the efficiency of the
thermoelectric generator 37 can increase, heat-conductive substrates 43 .49 on theouter skin 35 and / or thehousing 41 be provided. - • The
housing 41 the secondsteam turbine section 13 can continue to extend to thehousing 41 of the firstgas turbine section 11 to be. - Although the above embodiment is an airplane
1 with the turbine disclosed here7 can show many types of vehicles, such as aircraft, especially aircraft or drones with such aturbine 7 be equipped.
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- US 2016/0104831 A1 [0004]US 2016/0104831 A1 [0004]
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