DE1113334B

DE1113334B - Gas turbine in connection with a gas generator

Info

Publication number: DE1113334B
Application number: DEB49587A
Authority: DE
Inventors: Max Bochskanl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1958-07-11
Filing date: 1958-07-11
Publication date: 1961-08-31
Also published as: DE1113334C2

Description

Gasturbine in Verbindung mit einem Gaserzeuger Es sind Treibgaserzeuger mit Flugkolben und einem Brennkraftzylinder mit zwei durch einen doppeltwirkenden Kolben voneinander getrennten Arbeitsräumen bekanntgeworden, bei welchen in dem Brennkraftzylinder drei Brennkraftkolben arbeiten, wovon der innere doppeltwirkende Kolben Auslaßschlitze und die beiden äußeren Einlaßschlitze steuern. Die Flugkolben dienen zum Verdichten von Luft in besonderen Zylindern, welche entweder allein oder gemischt mit Abgasen der Brennkraftzylinder einer Turbine zugeleitet wird.Gas turbine in connection with a gas generator They are propellant gas generators with flying piston and an internal combustion cylinder with two by one double-acting Pistons separate working spaces become known, in which in the Internal combustion cylinder three internal combustion pistons work, of which the inner double-acting Pistons control outlet ports and the two outer inlet ports. The flying pistons serve to compress air in special cylinders, which either alone or mixed with exhaust gases of the internal combustion cylinder is fed to a turbine.

Bei Explosionsturbinen wurde ein Kolbenverdichter empfohlen, der von einer Zweitaktmaschine getrieben wird, deren Zylinder .mit der Explosionskammer dauernd in offener Verbindung steht. Der Explosionsraum wird niemals gründlich durchgespült, wodurch vielmehr der Inhalt vermischt wird. Es liegt deshalb ein mangelhaftes Gemisch und daher eine geringere Leistung vor.In the case of explosion turbines, a reciprocating compressor was recommended that was manufactured by a two-stroke engine is driven, the cylinder .mit the explosion chamber is constantly in open communication. The explosion room is never flushed thoroughly, rather, the content is mixed up. There is therefore an inadequate mixture and therefore a lower performance.

An Gasturbinen, welche mit Explosionsgasen von Kolbengasmaschinen beaufschlagt werden, hat man kurze Düsen mit Ventilsteuerung empfohlen. Es ist bekanntgeworden, die Düse zur Entspannung und Abkühlung heißer, für die Turbine bestimmter Gase mit einem Kühlmantel zu versehen und aus einer Ausdehnungsdüse und einer Kühldüse zusammenzusetzen. Bei anderen Düsen hat man für Kühlung der Wandung und zur Vermeidung der Erosion gesorgt, oder es wurde der aus dem Kühlwasser entstehende Dampf für Energiegewinnung herangezogen.On gas turbines that operate with explosion gases from piston gas engines short nozzles with valve control have been recommended. It has become known the nozzle for the expansion and cooling of hot gases intended for the turbine to provide a cooling jacket and to assemble from an expansion nozzle and a cooling nozzle. With other nozzles you have to cool the wall and avoid erosion taken care of, or the steam generated from the cooling water was used to generate energy used.

Es wurde auch bekannt, Explosionsmotoren mit einer Gasturbine derart zu verbinden, daß die Explosionsgase zum Teil im Motor arbeiten, zum anderen auch der Turbine zugeführt werden. Außerdem hat man Turbinenanlagen mit Brennkammer, Zwischenkühlern, Hoch- und Niederdruckturbinen in Verbindung mit Axial-Turboverdichtern empfohlen. Eine andere Lösung betraf die Anordnung einer Luftpumpe in Verbindung mit zwei einfach wirkenden Verbrennungskolben und einem Kompressorkolben.It has also been known to use explosion engines with a gas turbine of this type to combine that the explosion gases work partly in the engine, on the other hand are fed to the turbine. There are also turbine systems with combustion chambers, Intercoolers, high and low pressure turbines in connection with axial turbo compressors recommended. Another solution involved placing an air pump in connection with two single-acting combustion pistons and one compressor piston.

Infolge der bisher großen Zahl der Arbeitszylinder und Kolben ist der Treibgaserzeuger im Ausmaß sehr kompliziert mit der Turbine und den Hilfsvorrichtungen zusammengestellt und beansprucht viel Raum, so daß eine solche Kraftanlage für kleinere und mittlere Leistungen, wie es im Fahrzeugbau der Fall ist, nicht verwendet werden kann. Die an den Düsen bisher stattfindenden Kühlvorgänge sorgen nicht für eine günstige Verwertung der in den Auspuffgasen enthaltenen Wärme, welche dadurch der Düse entzogen wird, wodurch außer der unvorteilhaft gelösten Bauart der Anlage der Betrieb unwirtschaftlich :,. -Die @r6,d.,"@ö t.o..;e7.t @'@t, " f o; im Zweitakt arbeitenden Gase t@.ge@oppelt- ergebenden entfallen beim Erfindungs- Die Erfindung bezieht sich auf einen zylindrischen, im Zweitakt arbeitenden Gaserzeuger mit doppeltwirkendem Kolben und mit einer Gasturbine, welche die zur Vorverdichtung der Luft bestimmten Kreiselverdichter antreibt und von einer im Bereich der Mitte der Länge des Gaserzeugers an diesem angeschlossenen Staudüse beaufschlagt ist. Die Erfindung verfolgt an dieser Gattung von Gaserzeugem in erster Linie das Ziel, die Bestandteile der Gaserzeuger und der Turbinenanlage raumsparend unterzubringen, eine möglichst hohe Ausbeute trotz der gedrängten Bauart in den drei Energieträgem, d. h. der Verbrennungsgase, der Auspuffgase und der Spülluft; zu erreichen und den Einzelteilen der Anlage eine günstige Einbaumöglichkeit zu gewähren.As a result of the previously large number of working cylinders and pistons, the propellant gas generator is very complicated to assemble with the turbine and the auxiliary devices and takes up a lot of space, so that such a power plant for small and medium-sized outputs, as is the case in vehicle construction, is not used can. The cooling processes that have taken place at the nozzles up to now do not ensure a favorable utilization of the heat contained in the exhaust gases, which is thereby withdrawn from the nozzle, which, apart from the disadvantageously detached design of the system, makes the operation uneconomical :,. -The @ r6, d., "@ Ö to.; E7.t @ '@ t, " f o; gases working in two-stroke t @ .ge @ oppelt- resulting are omitted in the case of the invention The invention relates to a cylindrical, two-stroke gas generator with a double-acting piston and a gas turbine which drives the centrifugal compressor intended for pre-compression of the air and is acted upon by a flow nozzle connected to the gas generator in the middle of the length of the gas generator. The invention pursues the goal of this type of gas generator primarily to accommodate the components of the gas generator and the turbine system in a space-saving manner, the highest possible yield despite the compact design in the three energy sources, ie the combustion gases, the exhaust gases and the purge air; to achieve and to grant the individual parts of the system an inexpensive installation option.

Diese Vorteile werden durch die Vereinigung nachfolgender Merkmale an der erwähnten Gattung von Anlagen erreicht: a) In der Wandung der Staudüse in an sich bei Düsenkanälen bekannter Weise wendelförmig ausgebildete Kanäle für die vorverdichtete Luft; b) Anordnung der Kreiselverdichter zu beiden Seiten des Gehäuses der Turbine; c) zu beiden Seiten des Gehäuses der Turbine im Auspuffstutzen eingebaute Druckausgleichsbehälter mit Verbindungsleitung, welche an die Kanäle anschließen; d) anschließend an die Brennstoffdüsen vorgesehene Druckkammer, welche mit dem Druckausgleichsbehälter über die unter c) genannte Ausgleichsleitung verbunden ist; e) zwischen der Druckkammer und einer am Hubende des Gaserzeugers für die Spülung und Ladung in an sich bekannter Weise bestimmten Öffnung eingeschaltetes Steuerorgan.These advantages are achieved by combining the following features achieved in the aforementioned type of systems: a) In the wall of the stagnation nozzle in per se known manner in nozzle channels helical channels for the pre-compressed air; b) Arrangement of centrifugal compressors on both sides of the housing the turbine; c) built into the exhaust port on both sides of the turbine housing Pressure equalization tank with connection line, which connect to the ducts; d) pressure chamber provided next to the fuel nozzles, which is connected to the pressure equalization tank is connected via the equalizing line named under c); e) between the pressure chamber and one at the stroke end of the gas generator for purging and loading control member switched on in a manner known per se.

Außerdem ist bei .dieser Kombination vorgesehen, daß der Gaserzeuger in an sich bekannter Weise in mehrere einzeln einschaltbare Einheiten unterteilt ist und daß an beiden Seiten der Mittelebene der Gesamtanlage angeordnete Gaserzeuger die Gase getrennt in ein von beiden Seiten beaufschlagbares, in der Mittelebene angeordnetes Turbinenrad abgeben.In addition, this combination provides that the gas generator divided in a manner known per se into several individually switchable units and that gas generators are arranged on both sides of the central plane of the overall system the gases are separated into one in the middle plane, which can be acted upon from both sides dispense arranged turbine wheel.

Im Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen an Gaserzeugern und an mit diesen verbundenen Turbinen liegt beim Erfindungsgegenstand demnach ein einziger Zylinder ohne Verdichterkolben vor. Die Turbine betätigt hier Kreiselverdichter. Zwischen der Turbine und den Auslaßschlitzen ist eine die Abgase zuleitende Staudüse eingeschaltet, welche Kanäle in ihren Wänden für vorverdichtete Luft enthält. Die Unterteilung in mehrere einzeln einschaltbare Einheiten begünstigt einen besseren Wirkungsgrad und die beiderseitige Anordnung der Gaserzeuger an einem beidseitig beaufschlagbares Turbinenrad setzt ebenfalls außer dessen besserer Ausnutzung der Energie auch die Ausmaße der Anlage herab und ermöglicht eine günstigere Zugänglichkeit zu den Einzelteilen.In contrast to the known devices on gas generators and on with these connected turbines there is accordingly a single turbine in the subject matter of the invention Cylinder without compressor piston. The turbine operates centrifugal compressors here. Between the turbine and the outlet slots there is a baffle nozzle that conducts the exhaust gases switched on, which contains ducts in its walls for pre-compressed air. the Subdivision into several individually switchable units favors a better one Efficiency and the mutual arrangement of the gas generators on both sides actable turbine wheel also sets besides its better utilization of the Energy also reduces the size of the system and enables cheaper accessibility to the individual parts.

Die Einzelheiten der Erfindung sind in der Beschreibung unter Berücksichtigung der schematischen Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles erläutert.The details of the invention are considered in the description the schematic drawings of an embodiment explained.

Abb. I zeigt den in der Form eines Zylinders ausgebildeten Gaserzeuger im Schnitt durch die Zylinderlängsachse; Abb. 2 stellt die Gasturbine in der Seitenansicht in der Richtung a der Abb. 3 und Abb. 3 die Gasturbine in Ansicht, gesehen in der Richtung b der Abb. 2, dar.Fig. I shows the gas generator designed in the form of a cylinder in section through the cylinder longitudinal axis; Fig. 2 shows the gas turbine in side view in the direction a of Fig. 3 and Fig. 3, the gas turbine in view, seen in the Direction b of Fig. 2.

Gemäß den Zeichnungen bedeutet 1 den zylindrischen Gaserzeuger, an dessen beiden Seiten je ein Ring 2 aus Stahl oder einem ähnlich beschaffenen Werkstoff mit Düsen 3 anschließt. Jeder Ring 2 trägt eine regelnde Vorkammer oder Regelkammer 4.According to the drawings, 1 denotes the cylindrical gas generator, an the two sides of which each have a ring 2 made of steel or a similar material with nozzles 3. Each ring 2 carries a regulating antechamber or regulating chamber 4th

In dem Gaserzeuger ist ein auf beiden Seiten wirkender Kolben demnach ein Doppelkolben 5 geführt, welcher nach beiden Seiten je eine frei stehende Kolbenstange 6 trägt, die also nicht mit einem Triebwerk arbeitet, sondern für durchgehende Kühlung des Kolbens bestimmt ist. Jede Kolbenstange hat eigene Führung 7, an welcher ein Luftfilter 8, ein Saugventil 9, ein überdruckventi110 sowie eine hier nicht dargestellte Leitung bei der Öffnung 16 a für die komprimierte Teilregelluft vorgesehen ist.In the gas generator there is accordingly a piston acting on both sides a double piston 5 is guided, which has a free-standing piston rod on both sides 6, which does not work with an engine, but for continuous cooling of the piston is determined. Each piston rod has its own guide 7 on which a Air filter 8, a suction valve 9, an overpressure valve and one not shown here Line at the opening 16 a is provided for the compressed part of the control air.

Im Bereich der Mitte des Zylinders 1 befinden sich zwei Auspufföffnungen 11, welche abwechselnd mittels des Doppelkolbens 5 geöffnet und geschlossen werden.In the area of the middle of the cylinder 1 there are two exhaust openings 11, which are opened and closed alternately by means of the double piston 5.

An jedem Ende des zylindrischen Gaserzeugers 1 ist eine Öffnung 13, welche mittels des Regulierorgans 14 geöffnet oder geschlossen wird, für die Spülung des Zylinders und Ladung desselben vorgesehen, wobei ein Regelorgan unabhängig von dem anderen z. B. hydraulisch oder mittels ähnlich wirkender Vorrichtung betätigt wird.At each end of the cylindrical gas generator 1, an opening 13, which is opened or closed by means of the regulating member 14 , is provided for purging the cylinder and charging the same, one regulating member being independent of the other z. B. is operated hydraulically or by means of a similarly acting device.

Für die Kühlung des Zylinders 1 dient die Leitung 15, welche das Kühlmittel über den größten Teil des Mantels des Gaserzeugers z. B. über 60 bis 70% der Mantelfläche leitet. Auch die Kolbenstange 6 wird, wie bereits erwähnt, gekühlt, wozu das Kühlmittel durch die Leitung 16 zugeführt wird. Die Kolbenstange ist gegen Verdrehung um ihre Längsachse gesichert, wozu sie z. B. im Querschnitt quadratisch, rechteckig oder polygonal gestaltet ist.The line 15, which carries the coolant, is used to cool the cylinder 1 over most of the shell of the gas generator z. B. over 60 to 70% of the surface area directs. As already mentioned, the piston rod 6 is also cooled, including the coolant is fed through line 16. The piston rod is against twisting around theirs Longitudinal axis secured, for which purpose it z. B. square, rectangular or cross-section is polygonal.

Der geschilderte Gaserzeuger ist an die Turbine 17 mittels vier Staudüsen 18 angeschlossen, deren Wandung wendelförmig angeordnete Kanäle 19 enthält, durch welche vorverdichtete Luft strömt. Im Bereich des Anschlusses der Staudüse 18 an den Gaserzeuger ist eine Öffnung 20, von welcher Leitungen 21 zu einem Behälter 22 für vorverdichtete und gewärmte Luft abzweigen. Es sind, wie die Abb. 3 zeigt, je zwei solche Behälter an jeder Seite des Turbinengehäuses vorgesehen.The described gas generator is connected to the turbine 17 by means of four baffle nozzles 18 , the wall of which contains helically arranged channels 19 through which pre-compressed air flows. In the area where the nozzle 18 is connected to the gas generator, there is an opening 20, from which lines 21 branch off to a container 22 for pre-compressed and warmed air. As shown in Fig. 3, two such containers are provided on each side of the turbine housing.

Für die im hohen Maße angestrebte Vorverdichtung der Luft dient ein an- jeder Seite des Turbinengehäuses an der Turbine angeordneter Kreiselverdichter 23. Die von dem Kreiselverdichter angesaugte Luft entzieht dem Turbinengehäuse und dem Gaserzeuger die Wärme, so daß eine gründliche Kühlung dieser Bauteile einerseits und Vorwärmung der zu verdichtenden Luft andererseits resultiert.A is used for the pre-compression of the air, which is aimed at a high degree centrifugal compressor arranged on each side of the turbine housing on the turbine 23. The air sucked in by the centrifugal compressor is withdrawn from the turbine housing and heat, so that a thorough cooling of these components on the one hand and preheating of the air to be compressed on the other hand results.

Außerdem ist an dem Turbinengehäuse im Zusammenhang mit jedem .Gaserzeuger je ein Auspuff 24 derart angeordnet, daß der Behälter 22 umströmt und von den Gasen ebenfalls vorgewärmt wird. In addition, an exhaust 24 is arranged on the turbine housing in connection with each gas generator in such a way that the flow around the container 22 and is also preheated by the gases.

Der geschilderte Gaserzeuger arbeitet folgendermaßen: Befindet sich der im Zweitakt arbeitende doppeltwirkende Kolben 5 z. B. in der gezeichneten Lage, also links, so hat er die im Gaserzeuger 1 eingeschlossene vorverdichtete Luft endgültig verdichtet. In diese höchst gespannte Luft wird der Brennstoff durch die Düsen 3 eingespritzt, worauf die Explosion stattfindet. Der Doppelkolben wird demnach nach rechts getrieben, wobei die Auspufföffnungen 11 durch den Doppelkolben 5 geöffnet werden, so daß die Verbrennungsgase ungehindert in die Staudüse 18 strömen und in dem Laufrad der Turbine Arbeit verrichten. In diesem Augenblick, d. h. nach dem Ausströmen der Auspuffgase, öffnet das Regulierorgan 14 der in der regelnden Vorkammer 4 vorhandenen Druckluft den Weg in die Explosionskammer, welche jetzt durchgespült wird. Hierauf sperrt der Doppelkolben 5 diesen Weg ab, und die Explosionskammer wird mit vorverdichteter, heißer, aus der regelnden Vorkammer 4 strömenden Luft gefüllt.The described gas generator works as follows: If the double-acting piston 5 working in the two-stroke cycle is located e.g. B. in the position shown, ie on the left, so he has finally compressed the precompressed air enclosed in the gas generator 1. The fuel is injected into this highly pressurized air through the nozzles 3, whereupon the explosion takes place. The double piston is accordingly driven to the right, the exhaust ports 11 being opened by the double piston 5, so that the combustion gases flow unhindered into the stagnation nozzle 18 and do work in the impeller of the turbine. At this moment, ie after the exhaust gases have flowed out, the regulating member 14 opens the path of the compressed air present in the regulating pre-chamber 4 into the explosion chamber, which is now flushed through. The double piston 5 then blocks this path, and the explosion chamber is filled with pre-compressed, hot air flowing out of the regulating antechamber 4.

Hat der Doppelkolben die erforderliche Verdichtung geleistet, so schließt das rechts gezeichnete Regulierorgan 14 diesen Raum ab, und die dort befindliche, verdichtete Luft wird endgültig auf das Höchstmaß verdichtet und erhitzt, worauf der Brennstoff, gleich dem Vorgang in( dem linken Teil, eingespritzt wird. Kurz nach der Explosion gibt der Doppelkolben den Auspuff frei, wie es bereits in dem linken Teil geschehen ist. Die Verbrennungsgase dringen in die Turbine ein und verrichten dort Arbeit, so daß das Spiel den bereits beschriebenen Verlauf fortsetzt.When the double piston has achieved the required compression, it closes the regulating member 14 drawn on the right from this space, and the one located there, Compressed air is finally compressed and heated to the maximum, whereupon the fuel, like the process in (the left part, is injected. Briefly after the explosion, the double piston releases the exhaust, as it already did in that left part is done. The combustion gases penetrate the turbine and perform work there so that the game continues the course already described.

Die mit dem Doppelkolben mitgeführte Kolbenstange 6 verdichtet, sobald der Kolben in die äußerste rechte oder linke Endlage gelangt ist, die Luft und drückt sie über eine nicht dargestellte Leitung bei der Öffnung 16 a für eine Teilregelung. Der überdruck wirkt über das Überdruckventil 10 über die im äußeren Teil vorgesehenen Kanäle der Staudüse 18. Die vom Kreiselverdichter komprimierte, warme Luft strömt durch die Kanäle 19 der Wandung der Düse 18 in den Behälter 22, wo die nun vorverdichtete und warme Luft der regelnden Vorkammer 4 zur Verfügung steht und von wo sie der jeweiligen Zündungsphase des Gaserzeugers 1 mittels der Steuerorgane 14 zugeleitet wird. Der Behälter 22, welcher hier die Rolle eines regelnden Wärmeaufladers im überströmvorgang spielt, wird dabei mittels der aus der Turbine ausströmenden Abgase ebenfalls erwärmt, so daß die Ausnutzung der Abwärme wesentlich günstiger wird.The piston rod 6 carried along with the double piston compresses the air as soon as the piston has reached the extreme right or left end position and presses it through a line (not shown) at the opening 16 a for partial regulation. The overpressure acts via the overpressure valve 10 via the channels of the stagnation nozzle 18 provided in the outer part. The warm air compressed by the centrifugal compressor flows through the channels 19 of the wall of the nozzle 18 into the container 22, where the now pre-compressed and warm air of the regulating antechamber 4 is available and from where it is fed to the respective ignition phase of the gas generator 1 by means of the control elements 14. The container 22, which here plays the role of a regulating heat supercharger in the overflow process, is also heated by means of the exhaust gases flowing out of the turbine, so that the waste heat can be used more efficiently.

Die Explosion spielt sich also an beiden Seiten des Kolbens 5 ab. Die Verbrennung des Brennstoffes erfolgt bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Gaserzeuger bei jedem Hub des Kolbens, so daß die doppelte Leistung erreicht wird und die Verluste durch die Abgase nur einmal gegenüber den bisherigen Bauarten auftreten. Die Wärme wird infolge der Ausbildung der Staudüse besser ausgenutzt. Außerdem ist die Gasturbine mit ihrem Gaserzeuger im Aufbau sehr raumsparend und für beliebige Leistungen günstig verwendbar.The explosion therefore takes place on both sides of the piston 5 . In the gas generator designed according to the invention, the fuel is burned with each stroke of the piston, so that double the power is achieved and the losses through the exhaust gases occur only once compared to the previous designs. The heat is better utilized as a result of the formation of the stagnation nozzle. In addition, the construction of the gas turbine with its gas generator is very space-saving and can be used inexpensively for any performance.

Bei der beschriebenen Turbinenart sind die Steuerorgane als Regelschieber ausgebildet, was gegenüber den gebräuchlichen und empfindlichen Ventilen vorteilhaft ist.In the case of the type of turbine described, the control elements act as regulating slides formed, which is advantageous over the common and sensitive valves is.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Cylindrical two-stroke gas generator with double-acting piston and with a gas turbine, which drives the centrifugal compressor intended for pre-compression of the air and is acted upon by a dynamic nozzle connected to the gas generator in the middle of the length of the gas generator, characterized by the combination of the following features : a) In the wall of the stagnation nozzle (18) in a manner known per se in nozzle cooling channels, helically formed channels (19) for the pre-compressed air; b) arrangement of the centrifugal compressor (23) on both sides of the housing of the turbine (17); c) on both sides of the housing of the turbine in the exhaust port (24) built-in pressure compensation tanks (22) with connecting lines (21) which connect to the ducts (19) ; d) pressure chamber (4) which is provided next to the fuel nozzles (3) and which is connected to the pressure equalization container (22) via the line (21) ; e) switched on between the pressure chamber (4) and a certain at the stroke end of the gas generator (1) for flushing and charge in a known manner sich- opening (13) control organ (14). 2. Gas generator according to claim 1, characterized in that it is divided into several switchable units in a manner known per se. 3. Gas generator according to claim 1 and 2, characterized in that gas generators arranged on both sides of the central plane of the overall system emit the gases separately into a turbine wheel which can be acted upon from both sides and is arranged in the central plane. Considered publications: German Patent Nos. 830127, 756168, 656 231, 558 015, 504 787, 439 566, 276 406, 247 254; Swiss patents Nos. 324 828, 278 715, 233 651, 60 617, 59 246; French Patent Nos. 1 121 219, 833 955, 794 630, 744 239; British Patent Nos. 573153, 447 855, 260 364; U.S. Patent Nos. 2502127, 2454138, 1176 207, 1456 479; »Engine tech. Zeitschrift ", Volume 19, No. 7 (July 1958), pp. 255 to 257; "Archive for the Energy Industry", No. 8 of April 25, 1955, p. 303.