DE2263559C3

DE2263559C3 - Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE2263559C3
Application number: DE2263559A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr. 5110 Alsdorf Foerster; Guenter 5170 Juelich Hewing; Peter 5101 Haaren Quell
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1972-12-27
Filing date: 1972-12-27
Publication date: 1980-04-24
Also published as: US3895492A; FR2212488A1; FR2212488B1; GB1451207A; DE2263559A1; IT1000742B; JPS49124412A; DE2263559B2; JPS5233725B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage für den Fahrzeugantrieb mit einem geschlossenen Arbeitsgaskreislauf mit Kompressor und Turbine, die

">■> gemeinsam auf einer Welle angeordnet sind, sowie zwischen Kompressor und Turbine zur Erhitzung und zwischen Turbine und Kompressor zur Kühlung des Arbeitsgases angeordneten Wärmetauschern, wobei mit der Hochdruckseite und der Niederdruckseite des

m> geschlossenen Arbeitsgaskreislaufs über je ein mittels einer Schalteinrichtung steuerbares Ventil ein Gasspeicher zur Veränderung des Gasdruckes im Arbcitsgaskreislauf verbunden ist, wobei der als Erhitzer für das Arbeitsgas dienende Wärmetauscher in einem vom

*>> Arbcitsgaskrcislauf getrennten, zur Atmosphäre hin fiffenen Vcrbrennungsgaskrcislaiif einem Verbrennungsluft ansaugenden Gebläse und einer Brennkammer nachgeschallet ist und wobei eine Sieucreinrich-

tung zur Leistungsänderung vorgesehen ist.

In Gasturbinenanlagen wird die für die Energieumsetzung in der Turbine erforderliche Energie durch Verbrennen von Brennstoffen freigesetzt und zu einem Teil in mechanische Energie umgewandelt. Bekannt sind Gasturbinenanlagen mit offenem oder halboffenem Kreislauf, bei denen Luft aus der Atmosphäre angesaugt, verdichtet und durch Verbrennen des Treibstoffes in der verdichteten Luft erhitzt wird, vergleiche DE-PS 8 86 829 und DE-AS 11 79 420. Nach Abgabe der Arbeitsleistung an die Turbinen treten die Gase wieder in die Atmosphäre aus. Zum bekannten Stande der Technik gehört es auch, in Gasturbinenanlagen rekuperative oder regenerative Wärmetauscher vorzusehen. Die offenen Gasturbinenanlagen sind jedoch insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen wenig geeignet für kleinere Leistungseinheiten und auch für Zwecke, bei denen es auf die Erzeugung stark veränderlicher Leistung ankommt, wie dies beispielsweise bei Verwendung als Fahrzeugantrieb der Fall ist. Obwohl Gasturbinenanlagen den Vorzug haben, daß dabei sehr verschiedenartige mit Luft verb¹ snnbare Brennstoffe verwendbar sind und außerdem bei Verwendung flüssiger, fossiler Brennstoffe in weitaus geringerem Maße als bei der Verwendung von Kolbenmotoren die Umwelt belastende Abgase erzeugt werden, haben sich daher Gasturbinenanlagen gegenüber den Kolbenmotoren als Antrieb für Fahrzeuge bisher nicht durchsetzen können. Ein weiterer Nachteil für die Verwendung als Fahrzeugantrieb besteht darin, daß die Abmessungen der Turbinenanlagen wegen der Notwendigkeit, sie unter Verwendung von atmosphärischer Luft zu betreiben, nach unten hin begrenzt sind. Eine Verminderung der Leistung, wie sie dabei notwendig ist, ist nur dadurch möglich, daß die Temperatur des Verbrennungsgases abgesenkt wird. Ein Nachteil, den die bisher bekannten Gasturbinenanlagen mit den Kolbenmotoren gemeinsam haben, besteht darin, daß der spezifische Brennstoffverbrauch im Teillastb" trieb ähnlich ansteigt wie bei einem Kolbenmotor. In den Fällen, wo Gasturbinenanlagen als Fahrzeugantrieb verwendet wurden, hat es sich ferner als notwendig erwiesen, die Gasturbinen in einen Hochdruck- und in einen Niederdruckteil aufzuteilen, die beide voneinander mechanisch getrennt sind. In diesem Fall treibt eine Hochdruck :urbine nur den Kompressor an, während eine auf einer anderen Welle angeordnete Niederdruckturbine nur die Nutzleistung liefert. Derartige zweiwellige Gasturbinen weisen zwar eine für den Fahrzeugantrieb günstige Drehmomentcharakteristik auf, doch beansprucht die Anordnung von Hochdrucktijrbine und Niederdruckturbine auf je einer besonderen Welle einen verhältnismäßig großen Raum. Hinzu kommt, daß bei den bisher bekannten Gasturbinenanlagen von der laufenden Nutztürbinenwelle kein Bremsmoment aufgenommen werden konnte, und es war nicht möglich, die Turbine über diese Welle anzulassen. Nachteilig ist ferner, daß bei einer Gasturbinenanlage mit offenem Kreislauf die Turbine den Verbrennungsgasen unmittelbar ausgesetzt ist. Dadurch entsteht eine zusätzliche Beanspruchung. Nachteilig ist schließlich auch, daß die Verbrennungseinrichtung unter dem Druck von einigen Atmosphären stehen muß. Dem muß durch bauliche Maßnahmen Rechnung getragen werden.

Zum bekannten Stande der Technik gehören zwar auch Gasturbinen mit g< r.'hlosscnem Arbeitsgaskreislauf, vergleiche Df-PS 8 86 829. HF-PS 7 25 447. CiB-PS 6 38 696. Dabei dient ein Gas, das in einer Brennkammer von Brenngasen erhitzt wird, mit denen es nicht unmittelbar in Berührung kommt, als umlaufende* Arbeitsmittel; die Anpassung an die jeweils geforderte Leistungsabgabe erfolgte dabei durch Änderung von Menge und Druck des umlaufenden Arbeitsmittels. Zur Veränderung des Gasdruckes sind an den Arbeitsgaskreislauf angeschlossene Gasspeicher eingesetzt. Das Zuführen oder Ablassen von Gas wird in Abhängigkeil von der Wellendrehzahl und/oder in Abhängigkeit von der Druckänderung pro Zeiteinheit im Arbeitsgaskreislauf reguliert. Doch war die Anpassungsfähigkeit der bisher bekannten Gasturbinen mit geschlossenem Arbeitsgaskreislauf nicht ausreichend für die Anordnung als Antrieb von Fahrzeugen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasturbinenanlage mit geschlossenem Arbeitsgaskreislauf für den Fahrzeugbau zu schaffen, die bei einfachem, gewichts- und raumsparendem Aufbau sich gewünschten Leistungsänderungen dynamisch anpaßt und di? bei geringem Betriebsmittelbedarf neben einem gim-n Teillastverhalten ein gutes Beschleunigungs- und bremsmoment aufweist. Darüber hinaus soll die Gasturbinenanlage in einfacher Weise zu bedienen sein.

Diese Aufgabe wird bei einer Gasturbinenanlage der oben angegebenen Art gemäß der Erfindung durch eine Kombination von Merkmalen gelöst, wie sie im Patentanspruch 1 gekennzeichnet sind. Dabei geht die Erfindung in vorteilhafter Weise von einer Vereinfachung des Arbeitsgaskreislaufes aus, was zu niedrigem Leistungsgewicht und geringem Raumbedarf der Gasturbinenanlage führt. Statt eines besonderen Kühlmittels für den Kühler für das entspannte Arbeitsmittel wird die Verbrennungsluft des äußeren Verbrennungsgaskreislaufes benutzt. Dabei wird zugleich die Drehzahl des die Verbrennungsluft ansaugenden Gebläses und die Brennstoffzufuhr in Abhängigkeit von dem dem gewünschten Fahrverhalten des Fahrzeuges anzupassenden Last- und Bremsdrehmoment geregelt. Die Brennstoffdosierung erfolgt dabei zweckmäßig so, daß eine Brennstoffzuführung erst oberhalb einer Mindestdrehzahl des Gebläses zur Zuführung der Verbrennungsluft erfolgt und daß sie abhängig von dc>· Drehzahl des Gebläses so gesteuert wird, daß die in die Brennkammer einströmende Brennstoffmenge etwa proportional zu der vom Gebläse geforderten Luftmenge ist. Das hat den Vorteil, daß eine Zuführung von Brennstoff erst erfolgt, sobald die Anlaßdrehzahl erreicht ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß dadurch sichergestellt wird, daß bei allen in Frage kommenden Lastzusiänden die Verbrennungsgase annähernd konstante Temperatur aufweisen.

Zweckmäßig wird als Arbeitsmittel im geschlossenen Kieislduf Luft oder ein anderes mehratomiges Gas bei einem Druck über Atmosphärendruck verwendet. Dabei ist bei Benutzung von Kohlendioxyd als Arbeitsmittel der spezifische Brennstoffverbrauch bei einem Drittel der Vollast um etwa 40% niedriger als bei einer vergleichbare offenen Gasturbinenanlage, bei Vollast jedoch nur 10% höher.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung besteht nach Anspruch 2 darin, daß der der, Druck des geschlossenen Gaskreislaufs verändernde Gasspeicher aus mehreren parallel geschalteten Gasspeicl.cn besieht, die jeweils über von Sollwertgebern geregelte Ein- und Auslaßventile mit der Niedcrdruckseile und tier Hochdruckseite d> s geschlossenen Arbeitsgaskreislaufs verbunden sind

Diiiiiil liißt sich das Driicknivciiu im geschlossenen Kreislauf der jeweiligen Betriebsweise sehr genau anpassen, so daß sich auch bei Tcillaslzuständen eine sehr wirtschaftliche Betriebsweise ergibt. Die Betriebsweise erfolgt dabei so, daß bei l.astabsenkung mich das Druckniveau im geschlossenen Kreislauf abgesenkt und bei l.aststeigcrung angehoben wird.

Sind zwei oder mehrere Gasspeicher parallel geschaltet, so ist es vorteilhaft, wenn jeder Gasspeicher für die Änderung des Druckniveaus des Kreislaufs für einen vorbestimmten Druckbercich vorgesehen ist. |c größer die Zahl der Gasspeicher ist. die für einen vorbestimmten Änderungsbcrcich des Druckniveaus des geschlossenen Gaskrcislaufs vorgesehen ist. um so kleiner ist das dazu erforderliche .Speichervolumen So beträgt beispielsweise bei Anordnung von zwei Gasspeichern, von denen jeder etwa (.las gleiche ist als die Nutzleistung allein aufgrund der Druekpegelregulierung.

Anspruch 7 kennzeichnet einen Wärmetauscher, der als F.rhitzer oder Kühler für ilen Wärmeaustausch /wischen geschlossenem Arbeitsgaskrcisliiiif und offenem Ciaskreislauf einsct/bar ist und infolge seiner kompakten Bauweise nur einen verhältnismäßig geringen Raum beansprucht. liinc hinsichtlich raumsparender Auswirkung besonders vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, die Wärmeaustauscher koaxial zueinander anzuordnen und so /' schalten, daß der innere Wärmelauscher radial von außen nach innen von der aufzuwärmenden Verbrennungsluft und der äußere Wärmetauscher von innen nach außen von den Verbrennungsgasen durchströmt wird (Anspruch 8).

Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausbildung der Gasturbinenanlage gemäß Anspruch⁰) ist das Gehläse

Arbeitsgaskreislauf, der Änderungsbereich des Druckniveaus etwa 65%.

Wird zum Abspeichern aus dem geschlossenen Arbeitsgaskreislauf ein Teil des darin geführten Arbeitsmittels entnommen, so hai es sich wegen der verhältnismäßig hohen Kompressorauslaßtemperatur als zweckmäßig erwiesen, den zum Abspeichern vorgesehenen Teil des Gases vor der Einspeisung abzukühlen. Eine entsprechende Ausbildung der Gasturbinenanlage ist in Anspruch 3 und 4 angegeben. Danach wird das abzuspeichernde Gas durch den Innenraum eines mit einem Drahtbündel gefüllten regenerativen Wärmetauschers hindurchgeleitet, so daß es ohne weiteres möglich ist. kurzfristig aufeinanderfolgende Gasabspeicherungen vorzunehmen, ohne daß sich die Temperatur des auf dem Wärmetauscher austretenden Gases gegenüber der Eintrittstemperatur bei Durchströmen des kalten Wärmeaustauschers erhöht. Das hat den weiteren Vorteil, daß das .Speichervolumen der Gasspeichereinrichiung innerhalb des jeweiligen Druckniveauänderungsbereichs kleiner sein kann als dies der Fall wäre, wenn das Arbeitsmittel bei der TemDcratur. die es hinter dem KomDressor besitzt, gespeichert würde.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung geht von der Erkenntnis aus. daß es notwendig ist. sicherzustellen, daß bei Laständerungen die vor der Turbine im geschlossenen Gaskreislauf herrschende Gastemperatur nicht unter eine vorbestimmte und annähernd konstant zu haltende Temperatur absinkt. Dazu ist es notwendig, das Druckniveau irr geschlossenen Gaskreislauf der jeweils in der Brennkammer freigesetzten Wärmeleitung anzupassen. Das an den Arbeitsgaskreislauf angeschlossene Druckmeßgerät ist deshalb zweckmäßig mit der Niederdruckseite des Arbeitsgaskreislaufs verbunden (Anspruch 5). Dadurch wird beispielsweise erreicht, daß bei Verringerung der Nutzlast infolge Verminderung des Luftdurchsatzes im offenen Kreislauf die Leistung des Gebläses in stärkerem Maße verringert wird als die Nutzleistung. Damit ist eine zusätzliche Absenkung der Gastemperatur an der Eintrittsseite des Verdichters verbunden. Infolgedessen und infolge des bei der vorgesehenen Druckpegelregulierung im geschlossenen Gaskreislauf sich nur geringfügig ändernden Kuppiungswirkungsgrades wirkt sich dies so aus, daß der Kupplungswirkungsgrad bei Teillasten besser ist als bei Vollast. Durch die in Anspruch 6 angegebene Ausbildung der Gasturbinenanlage wird erreicht, daß auch eine Nutzleistung abgegeben werden kann, die kleiner

l.tifteintritisseite koaxial zu il· n Wärmetauschern angeordnet und über eine Kinglciiiing mit den die Luft vorwärmenden Wärmetauschern verbunden.

Die Größe der Bauformen der in der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung im geschlossenen Gaskreislauf angeordneten Turbomaschinen richtet sich nach der zu erzeugenden Auslegungslcistung und dem Auslcgungsdruckniveau im geschlossenen Gaskreislauf. Bei einer Nutzleistung von etwa 85 kW unter Verwendung von Luft als Arbeitsmittel und einem höchsten Auslegungsdruck im geschlossenen Gaskreislauf von 25 bar haben sich die Verwendung von Radialkompressoren und Zentripetalturturbiwen als günstig erwiesen. Bei einer das zehnfache der vorbezeichneten Nutzleistung übersteigenden Leistung ist es zweckmäßiger. Axialturbinen zu verwenden. Als Kompressoren werden dabei zweckmäßig solche axialer und radialer Bauweise verwendet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. I eine schematische Darstellung der Gasturbinenanlage.

Fig. 2 Steuereinrichtung für die Gasturbinenanlage nach F i g. 1 in schematischer Darstellung.

F i g. 3 Gasturbinenanlage gemäß F i g. 1 im Längsschnitt und teilweise schematischer Wiedergabe.

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines als Kühler für das Gas des geschlossenen Arbeitsgaskreislaufs verwendeten Wärmetauschers einer Gasturbinenanlage nach F i g. 3, teilweise im Schnitt.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, sind Tuibine 1, Kompressor 2, ein zur Abgabe der Nutzleistung vorgesehener Generator 3 und ein weiterer Generator 4 zur Erzeugung der Leistung für den Antrieb eines Gebläsemotors für die Verbrennungsluft sowie ein zur Kühlung der Generatoren 3 und 4 vorgesehenes Gebläse 5 und ein Anlaßmotor 6 auf einer gemeinsamen Welle 7 innerhalb eines unter Druck stehenden Behälters 8 gelagert. Die für die Welle 7 vorgesehenen Lager 9 sind auf Quer- und Längskräfte beanspruchbar. Der Kompressor 2, ein Erhitzer 10, die Turbine 1 und ein Kühler 11 werden in der angegebenen Reihenfolge im geschlossenen Arbeitsgaskreislauf von dem Arbeitsmittel durchströmt. An den Arbeitsgaskreislauf ist über ein Ventil 12 ein Gasbehälter 13 und für den Fall, daß als Arbeitsmittel Luft verwendet wird, ein mit einem Motor gekoppelter Kompressor 14 angeschlossen, so daß es möglich ist, etwaige Arbeitsmittelverluste im Arbeitsgaskreislauf auszugleichen.

Darüber hinaus sieht der Arbcitsgaskrcislaiif ulur eine Leitung 15 und über Einlaßventile 17 und 19 auf der llochdruckseitc des Arbcitskreislaufs sowie über eine Leitung 18 und über Auslaßventile Id und 20 auf der Niederdrnekseite mit zwei parallel geschalteten Gasspeichern 21 in Verbindung. Stall der beiden Gasspei ehe .'I können auch mehrere Gasspeicher, oder es kann statt dessen auch nur ein Gasspeicher vorgesehen sein. Der Druck in den Gasspeichern 21 ist niedriger als der Druck niif der I lochdruckseite des geschlossenen Arbeilsgaskreislaufs, aber höher als der Druck auf der Niederdruckseite. Infolgedessen ist es ohne weiteres möglich, auf der llochdruckscite einen Teil des Arbeitsmittels in die Gasspeicher 21 aufzunehmen. D.ibei isl. um die Speicherkapazität der Gasspeicher 21 /u vergrößern, in der Leitung 15 ein Wärmetauscher 22 vorgesehen. i;in das Arbeitsmittel abzukühlen, Umgekehrt !;:ß! sich üü¹. de;; Ciiiss^t'ichvrn 2\ auf der Niedcrdrikkscile Gas einspeisen, wobei der Druck im Arbeilskreislauf erhöhl wird.

Im iiiiUcren. mit der Außenluft in Verbinduni' stehenden Verbrennungsgaskreislauf sind hintereinander ein Geblase 23 zum Ansaugen von Luft, der von tier I.tiΓι durchslrömle Kühler 11 des Arbeitsgaskreislaufs, eine Brennkammer 24 und der Erhitzer IO angeordnet, aus dem die in der Brennkammer 24 gebildeten und ihn durchströmenden Verbrennungsgase über eine Abgasleitung 25 mit Gasmischer 26 in die Umgebung abströmen. Dem Geblase 23 sind ein Filier 27 sowie der zu¹ Luftvorwärmung dienende Wärmetauscher 22 vorgeschaltet. Zum Anlricb des Gebläses 23 ist ein Gebliiseniotor 28 vorgesehen, dessen Antriebswelle 30 mil einem Drehzahlmeßgcrät 29 verbunden ist. Auf der Antriebswelle 30 ist außerdem ein Brennstoffzerstäuber 31 so angeordnet, daß er zugleich einen Teil der äußeren Begrenzung eines Behälters 32 bildet, der unter dem auf der Gebläseaustriusseitc herrschenden Druck steht. Da der Behälter 32 unmittelbar an die Brennkammer 24 angrenzt, bildet der Brennstoffzerstäuber 31 zugleich mindestens einen Teil der gemeinsamen Begrenzung zwischen Brennkammer 24 und Behälter 32.

Der Brennstoffzerstäuber 31 steht mit einem Brennstoffbehälter 33 in Verbindung, der über eine am Ausgang des Gebläses 23 angeschlossene Leitung 34 mit Druckluft beaufschlagt wird, so daß die Brennstolförderung z.um Brennstoffzerstäuber 31 über eine zwischen Brennstoffbehälter 33 und Brennstoffzerstäuber 31 vorgesehene Brennstoffleitung 35 auch unter ungünstigen Bedingungen sichergestellt ist. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist in der Brennstoffleitung 35 außerdem ein in Abhängigkeit von der Drehzahl der Antriebswelle 30 über das Drehzahlmeßgerät 29 steuerbares Brennstoffventil 36 angeordnet.

Der Ausgang des Gebläses 23 ist über eine Leitung 38 auch mit einem Kühler 37 verbunden, der zur Kühlung von Kühlluft für die Generatoren 3 und 4 dient. Die Kühlluft wird den Generatoren 3 und 4 mittels des auf der Welle 7 angeordneten Gebläses 5 zugeführt.

Wie am besten aus F i g. 2 zu entnehmen ist, wird die Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung mittels eines an sich bekannten Anlassers 39 angelassen. Das geschieht in der Weise, daß über einen Steuerpfad s 1 ein Hauptsteuerorgan 40 und von dort über einen Steuerpfad 5 2 sowie über einen Steuerpfad 5 3 und ein Stellglied 42 sowie ein weiteres Steuerorgan 41 ein Ventil 44 in einem Hochdruck- und Niederdruckseite des Arbeitsgaskreislaufs verbindenden Bypass 43 geöffnet wird. Ferner wird mittels des Anlassers 39 über

den Sleiierpfad λ I. das Steuerorgan 40 und weitere Steuerpfndc s 4 und s 5 sow ie über Stellglieder 45 und 46 die Stellung der den Druckpegel im geschlossenen Arbeitsgiiskreisliiuf regulierenden Lin- und Auslaßventile 19 und 20 und über einen Sleiierpfad s6 und ein Steuerorgan 47 mittels des von einer Hnttcrie 48 gespeisten Anlaßmotors (> die Welle 7 angefahren. Durch den Anlasser 39 wird gleichzeitig mil den vorbezcichnclcn Vorgängen über einen Steuerpfad s 7 mich ein Steuerorgan 49 betätipl. das mittels einer von der Batterie 48 gespeisten Vorglüheinrichtung 50 eine Zündung in der Brennkammer 24 auslöst. Eingeleitet durch Betätigen des Anlassers 39 wird ferner über einen Steuerpf.id s 8. eine Steuereinrichtung 51 und über einen weiteren Steuerpfad s 9 die Bewegung eines Stellgliedes 52 mit der Wirkung, daß das Brennstoffventil 36 eingestellt wird. I Iber einen Steuerpfad s 10 wird vom Ani;»*;*.£r 39 schließlich ;y.>ch ein Steuerorgan 53 mit der Wirkung betätigt, daß die Drehzahl des vom Generator 4 elektrisch betriebenen Gehläsemotors 28 zum Ansaugen von Verbrennungsluft über das Gebläse 23 eingestellt wird.

Zur Einstellung des gewünschten Lastdrehmoments und des Bremsdrehmoments sind als Sollwertgeber ein Lastbctäligungsorgan 60 und ein Bremsbetätigungsorgan 61 sowie Rcgclorgane 54, 55 vorgesehen. Das Lastbetätigungsorgan und das Bremsbetätigungsorgan werden jeweils durch eine Feder 56 oder 57 sowie durch ein Gegenlager 58 oder 59 in einer festen Ruhelage gehalten. Eine Betätigung der Organe 60 oder 61 wird — wie aus F i g. 2 hervorgeht — über die Rcgelorgane 54 und 55 sowie Stcuerpfade λ 11 und 5 12 auf das Hauptsteuerorgan 40 übertragen. Dem Hauptsteuerorgan 40 wird außerdem über einen Steuerpfad s 13 und einen Meßwertverieiler 62 der von einem auf der Niederdruckseite des Arbcitsgaskrcislaufs angeordneten Druckmeßgerät 63 gemessene Druck aufgeschaltet. Das Hauptsteucrorgan 40 schaltet ferner über die .Steuerpfade 5 4 und s 5 und über die Stellglieder 45 und 46 das Einlaßventil 19 und das Auslaßventil 20 zum Gasspeicher 21. Außerdem wird durch das Hauptsteuerorgan 40 über den Steuerpfad 5 2. das Steuerorgan 4L den Steuerpfad s 3 und das Stellglied 42 die Stellung des im Bypass 43 vorgesehenen Ventils 44 gesteuert. Ventile 95 und % an der Gasspeichereinrichtung 21 sind so geschaltet, daß jeweils eines der beiden Ventile während der Steuerung der Ventile 19 und 20 geöffnet und das andere geschlossen ist. Welches der beiden Ventile 95 und 96 geöffnet und weiches geschlossen ist. ist abhängig von dem Druck in den einzelnen Gasspeichern 21. Die Steuerung der Ventile übernimmt in Abhängigkeit von Meßsignalen von den Druck in jedem Gasspeicher messenden Druckmeßgeräten 64 und 65 ein Stellglied 66. das über Steuerpfade 514. 515 ansteuerbar ist.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform sind die an der Hochdruckseite der Gasspeichereinrichtung 21 vorgesehenen Einlaßventile 17 und 19 so geschaltet, daß jeweils eines der beiden Ventile während der Steuerung geöffnet und das andere geschlossen ist. Das gilt auch für die an der Niederdruckseite der Gasspeichereinrichtung 21 angeschlossenen Auslaßventile 16 und 20. Welches der Ventile jeweils geöffnet und welches geschlossen ist. wird auch in diesem Fall abhängig vom Druck in den einzelnen Gasspeichern 21 gesteuert.

Zum Nachspeisen von Arbeitsgas in den geschlossenen Arbeitsgaskreislauf st am Ventil 12 eine mit der

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Hochtfruckseite verbundene Ciasleitiiiig 88 angeschlossen. D.is Ventil 12 wird mittels eines Stellgliedes 67 in Abhängigkeit vom Druckmeßgerät 63 über den Meßwcrtverleilcr 62 und Steuerpfad s 16 so gesteuert, daß es sich nur dann öffnet, wenn der Druck im Arbeitsgaskreislauf auf der Niederdruckseite unter einen vorgegebenen Mindest wert absinkt. Um /u erreichen, daß die vom Gebläse 23 geforderte Verbrennungsluftmenge dem Druckpegel im geschlossenen Ciaskreislauf angenähert proportional ist, wird die Drehzahl des Gebläsemotors 28 mittels des Sleuerorgans 53 gesteuert, das von dem Druckmeßgcrät 63 über den Meßwertverteiler 62 und einen Steuerpfad s 17 ein entsprechendes Signal empfängt. Die Brennstoffzufuhr wird durch das in der Brennstoffleitung 35 angeordnete Brennstoffventil 36 und durch den Brennstoffzerstäuber Il so gesteuert, daß sich in der Brennkammer 24 eine vorbestimmte, annähernd konstante Vcrbrennungstem-■;cr;;!;;r cin'tclli D;;·; "c.chich! dadurch daß die vom Drehzahlmeßgerät 29 abgegebenen Meßwertsignale über einen Steuerpfad s 18, einen Mcßwcrtverteiler 29,-f, einen Steuerpfad s 19, die Steuereinrichtung 51. den Steuerpfad s 9 und das Stellglied 52 an das in der Brennstoffleitung 35 angeordnete Brennstoffventil 36 abgegeben werden.

Bei der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung ist außerdem eine Überwachungseinrichtung 68 mit Drehzahlmesser zur Überwachung der Drehzahl der Welle 7 vorgesehen, deren Signale sich mit den Signalen aus der Drehzahl der Antriebswelle 30 für das Gebläse 23 und der Temperatur in der Brennkammer 24 im Hauptsteuerorgan 40 überlagern. Das der Drehzahl der Welle 7 entsprechende Meßsignal wird über einen Steuerpfad s 20 dem Steuerorgan 41 aufgeschaltet. Wird eine vorbestimmte Drehzahl der Welle 7 überschritten, so wird durch die Abgabe eines Signals an das Stellglied 42 über den Steuerpfad 5 3 bewirkt, daß das Bypassventil 44 sich öffnet.

In ähnlicher Weise wird die Drehzahl der Welle 30 geregelt. Das geschieht dadurch, daß dem Steuerorgan 53, das die Drehzahl des Gebläsemotors 28 steuert, von dem Drehzahlmeßgerät 29 über den Stpiipmfnd «18 den Meßwertverteiler 29,·) und einem Steuerpfad 5 21 ein Signal zugeführt wird.

Überschreitet die Temperatur in der Brennkammer 24 einen vorgegebenen zulässigen Maximalwert, so wird ein von einer in der Brennkammer 24 angeordneten Temperaturmeßeinrichtung 69 erzeugtes Meßsignal der Steuereinrichtung 51 über einen Steuerpfad 5 22 zugeleitet. Von der Steuereinrichtung 51 wird dann ein Signal an das Stellglied 52 über den Steuerpfad 5 9 abgegeben, das Brennstoffventil 36 geschlossen und somit die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer 24 abgesperrt.

In Fig. 3 ist zur Vereinfachung der Darstellung der Gasturbinenanlage die Steuereinrichtung nicht eingezeichnet. Bei dieser Ausführungsform sind der Erhitzer 10 und der Kühler 11, die dem Wärmeaustausch zwischen Arbeitsgaskreislauf und Verbrennungsgaskreislauf dienen, zylindrisch ausgebildet und koaxial zueinander angeordnet. Die Turbine 1 und Kompressor 2 bilden einen auf einer Welle angeordneten Turbosatz. Auf der Welle 7 ist vom Turbosatz angetrieben der Generator 3 angeordnet. Die aus der Atmosphäre entnommene und vom Gebläse 23 angesaugte Luft strömt in Pfeilrichtung durch eine in Focm eines Kreisringspaltes ausgebildete Ansaugöffnung zum Filter 27 end von dort über eine am Wärmetauscher 22 entlang geführte Leitung 90 zum fliegend gelagerten Ciebläse 23. Am der Antriebswelle 30 des Gebläses 23 sind der Gebläsemotor 28 mit regelbarer Drehzahl und das als Fliehkraftregler ausgebildete Drehvahlmeßgerät . 29 zur Steuerung des Brennsioffveniils 36 und des Brennstoffzerstäubers .31, in den die Brennstoffleitung 35 einmündet, angeordnet. Koaxial /um Gebläse 23 und zur Antriebswelle 30 und koaxial zueinander sind Kühler 11 und Erhitzer 10 angeordnet.
id Bei dieser Anordnung wird die vom Ciebläse 23 kommende Luft durch eine Ringlcilung 91 auf der Außenseite des Kühlers Il und über einen konisch ausgeführten Gasverteile: 70 zum Kühler Il geführt. Nach der radial von außen nach innen erfolgenden ■ Durchströniung des Kühlers 11 gelangt die vorgewärmte Luft durch einen konisch ausgeführten Gassammlor 71 zur ringförmig ausgebildeten Brennkammer 24. Von dort strömt das Verbrennungsgas durch einen hohlkern außen durch den Erhitzer 10 und anschließend durch einen hohlkegelförmig ausgebildeten Gassammler 73 sowie durch ein Spiralgehäuse 74 und von dort über die Abgasleitung 25 in die Umgebung. Am Ende der Abgasleitung 25 befinden sich Abgasrohre 75 und auf diesen aufgesetzt der Gasmischer 26.

Am Behälter 8, in dem Turbine 1, Kompressor 2 und die Generatoren 3 und 4 angeordnet sind, sind insgesamt vier Gasleitungsanschlüsse zur Verbindung mit dem zylindrischen Erhitzer 10 und dem ebenfalls zylinderförmigen Kühler 11 vorgesehen. Dabei wird das vom Kompressor 2 kommende Arbeitsmittel einem Spiralgehäuse 92 zugeführt und sodann dem Erhitzer 10 über am äußeren Umfang des Erhitzers 10 angeordnete Gasverteiler 83 zugeleitet. Der Erhitzer 10 wird dabei radial von außen nach innen durchströmt. Am inneren Umfang des Erhitzers 10 wird das Arbeitsmittel im Gassammler 84 gesammelt und einem Spiralgehäuse 85 zugeführt. Von dort gelangt das Arbeitsmittel zum Einlaß der Turbine 1. Nach Expansion in der Turbine wird das Arbeitsmittel zu einer am inneren Umfang des Kühlers 11 angeordneten Spirale 76 erführt und durchdringt die vom Gassammler 71 zum Gebläse 23 führende Ringleitung 91 dergestalt, daß die äußere Durchdringung gasdicht und die innere Durchdringung nicht gasdicht ausgebildet ist. Vor der Spirale 76 gelangt das Arbeitsmittel über auf dem inneren Umfang des Kühlers 11 angeordnete Gasverteiler 78 und durch diese zum Kühler 11. Der Kühler 11 wird radial von innen nach außen durchströmt. Das durch einen auf der Außenseite des Kühlers 11 angeordneten Gassammler

79 austretende Arbeitsmittel wird dann zu einer Spirale

80 und von dort zum Einlaß des Kompressors 2 geleitet, wo es verdichtet wird. Die Verbindungsleitung zwischen Spirale 80 und Einlaß des Kompressors durchdringt die Brennkammer 24. Die Durchdringung ist gasdicht ausgeführt. Der zur Aufnahme des Gebläsemotors 28 bestimmte Raum des Behälters 32 ist von der Brennkammer 24 durch den Brennstoffzerstäuber 31 getrennt und gegenüber der Umgebung mittels eines Abschlusses 86 abgeschlossen. Der im Raum herrschende Druck entspricht dem vom Gebläse 23 erzeugten Luftdruck.

Wie aus F i g. 4 hervorgeht, wird bei zylindrischer Ausbildung von Erhitzer 10 oder Kühler 11 beispielsweise das Arbeitsmittel durch Spirale 76 zu den in Längsrichtung auf der Innenseite einer zylindrischen Wärmetauschermatrix 77 aufgeschweißten Gasvertcilern 78 geführt. Die Gasverteiler 78 sind jeweils auf der

dem (iaseinlaß gegenüberliegenden Seile gasdicht verschlossen. Durchströmt das Arbeitsmittel des geschlossene¹¹, ilaskreislaufs die Wärmetauschermatrix 77 von der Innenseile des zylindrischen Wärmelauschers her in Richtung /um Außemnnfang hin, so wird es doll von dem in Längsrichtung auf tier Matrix aufgeschweißten, an einem finde gasdicht verschlossenen (iassamm-

ler 79 aufgenommen. Von dort wird das Arbeitsmittel /ur Spirale 80 geleitet, die an dem der Spirale 7h gegenüberliegenden linde des Wärmetauschers angeordnet ist. Durch die Spirale 80 hindurch strömt das Arbeltsmittel der lirennkammer 24 /u. Die ^riassainmlei 79 sintl von einer Abdeckung 81 und die (iasverteiler 78 von einer Abdeckung 82 umgeben.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. Gasturbinenanlage für den Fahrzeugantrieb mit einem geschlossenen Arbeitsgaskreislauf mit Kompressor und Turbine, die gemeinsam auf einer Welle angeordnet sind, sowie zwischen Kompressor und Turbine zur Erhitzung und zwischen Turbine und Kompressor zur Kühlung des Arbeitsgases angeordneten Wärmetauschern, wobei mit der Hochdruckseite und der Niederdruckseite des geschlossenen Arbeitsgaskreislaufes über je ein mittels einer Schalteinrichtung steuerbares Ventil ein Gasspeicher zur Veränderung des Gasdruckes im Arbeitsgaskreislauf verbunden ist, wobei der als Erhitzer für das Arbeitsgas dienende Wärmetauscher in einem vom Arbeitsgaskreislauf getrennten, zur Atmosphäre hin offenen Verbrennungsgaskreislauf einem Verbrennungsluft ansaugenden Gebläse und einer Brennkammer nachgeschaltet ist und wobei eine SteuereinricV tung zur Leistungsänderung vorgesehen ist,

gekennzeichnet durch durch die Kombination der folgenden Merkmale:

a) Kompressor (2) und Erhitzer (10) sowie Turbine

(I) und Kühler (11) sind im Arbeitsgaskreislauf unmittelbar hintereinander geschaltet,

b) die vom Gebläse (23) angesaugte Verbrennungsluft ist als Kühlmittel durch den Kühler

(II) geführt,

c) der Gasspeicher (21) weist einen Druck auf, der zwischen dem maximalen Druck auf der Hochdruckseite und dem minimalen Druck auf der Niederdruckseite des Arbeitsgaskreislaufs liegt, und ist über ein Einlaßventil (17, 19) mit der Hochdruckseite und ük.-r ein Auslaßventil (16, 20) mit der Niederdruckseile verbunden, wobei die Schalteinrichtung für Einlaßventil (17, 19) und Auslaßventil (16,20) mit Sollwertgebern (54, 55, 6, 61) für Last- und Bremsdrehmoment in Wirkverbindung steht,

d) die Hochdruckseite und die Niederdruckseite des Arbeitsgaskreislaufs sind miteinander durch eine Bypassleitung (4.1) verbunden, die ein von der Überwachungseinrichtung (68) für die Drehzahl der Turbinenwelle steuerbares Ventil (44) aufweist,

e) an den Arbeitsgaskreislauf ist ein Dnickmeßgerät (63) angeschlossen, dessen Signal einer Steuereinrichtung (62, 40, 53) zugeführt wird, die in Abhängigkeit von den vorbestimmten oberen und unteren Grenzen des Druckes im Arbcitsgaskreislauf mit den Ventilen (16,20; 17, 19) zwischen Gasspeicher und Arbeitsgaskreislauf so in Wirkverbindung steht und die Drehzahl des Gebläses (23) sowie die Brennstoffzufuhr (36,52) so beeinflußt, daß der Druck im Arbeitsgaskreislauf in vorgegebenen Grenzen verändert wird,

f) die Anordnung einer mit einer die Brennstoffzufuhr (36, 52) verändernden Steuereinrichtung (51) verbundenen Tcmpcraturmcßcinrichtung (69) in der Brennkammer (24).

?.. Gasturbinenanlage mich Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasspeicher (21) aus mehreren parallel geschalteten Gasspeichern besteht.

i. Gasturbinenanlage nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet. (IaK in ilcr den geschlosse

nen Arbeitsgaskreislauf mit dem Gasspeicher (21) verbindenden Leitung (15) ein im Strom der Verbrennungsluft vor dem Gebläse (23) liegender, regenerativer Wärmetauscher(22) vorgesehen ist.

4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der regenerative Wärmetauscher (22), aus einem Behälter mit an der Außenfläche angeordneten Kühlrippen und einem an der Innenwandung angelöteten Drahtbügel aus massiven, gut wärmeleitenden, in geringem Abstand zueinander angeordneten Drähten gebildet ist.

5. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das an den Arbeitsgaskreislauf angeschlossene Druckmeßgerät (63) mit der Niederdruckseite des Arbeitsgaskreislaufs verbunden ist

6. Gasturbinenanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die an das Druckmeßgsrät (63) angeschlossene Steuereinrichtung (62, 40) mit dem im Bypass (43) angeordneten Ventil (44) verbunden und so geschaltet ist, daß dieses nach Unterschreiten eines vorbestimmten Druckes im Arbeitsgaskreislauf geöffnet und bei Überschreiten eines vorbestimmten Druckes geschlossen wird.

7. Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere der für den Wärmetausch zwischen Arbeitsgaskreislauf und Verbrennungsgaskreislauf vorgesehenen Wärmetauscher (10, 11) hohlzylinderförmig und derart ausgebildet sind, daß die beiden Gasströme den Zylindermantel in Richtung der Normalen im Gegenstrom durchströmen.

8. Gasturbinenanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher (10, 11) koaxial zueinander angeordnet und so geschaltet sind, daß der innere Wärmetauscher (11) als Kühler radial von außen nach innen von der aufzuwärmenden Verbrennungsluft und der äußere Wärmetauscher (10) als Erhitzer von innen nach außen von den Verbrennungsgasen durchströmt wird.

9. Gasturbinenanlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (23) auf der Lufteintrittsseite koaxial zu den Wärmetauschern angeordnet und über eine Ringleitung (91) mit den die Luft vorwärmenden Wärmetauschern (11) verbunden ist.