-
Ortsbewegliche Gasturbinenanlage / Die Erfindung bezieht sich auf
eine ortsbewegliohe Gasturbinenanlage, insbesondere zum Antrieb eines Personenkraftfahrzeuges,
mit einem der Gasturbine nachgeschalteten, von den Turbinenabgasen durchströmten
Wärmetauscher zur Vorwärmung der der Brennkammer zugeführten Luft.
-
Ebenso wie bei stationären Anlagen ist es auch schon bei ortsbewcglichen
Gasturbinenanlagen bekannt, zwischen dem Verdichter und der Brennkammer einen Wärmetauscher
vorzusehen, in dem die aus der Turbine austretenden Verbrennungsabgase ihre Wärme
an die aus dem Verdichter austretende komprimierte Luft abgeben. Dadurch wird der
thermische Wirkungsgrad
der Gesamtanlage erhöht, was sich besonders
in einer Verringerung des Brennstoffverbrauchs auswirkt.
-
Nun hat sich Jedoch gezeigt, daß derartige Wärmetauscher einen erheblichen
Aufwand in Bezug auf Bauvolumen und Herstellkosten erfordern. Dabei wirken sich
die verhältnismäßig großen Abmessungen eines derartigen Wärmetauschers besonders
dort nachteilig aus, wo die Platzverhältnisse ohnehin beengt sind. Dies trifft beispielsweise
auf Personenkraftfahrzeuge zu, bei denen der Einsatz von Gasturbinenanlagen bisher
auch wegen der Größe des Wärmetauschen erschwert wird.
-
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine
mit einem Wärmetauscher ausgerüstete ortsbewegliche Gasturbinenanlage zu schaffen.,
bei der die Baugröße und damit die Herstellkosten des Wärmetauschers ohne wesentliche
Wirkungsgradeinbußen verringert sind.
-
Die Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der Erfindung darin, daß der
Wärmetauscher für einen einem Teillastpunkt der Gasturbinenanlage entsprechenden
Luftdurchsatz ausgelegt ist und daß den Wärmetauscher umgehende Bypassleitungen
vorgesehen sind, über die bei höheren Lasten der über den Teillast-Durchsatz hinausgehende
Mengenstrom geleitet wird. Dadurch, daß gemäß der Erfindung der Wärmetauscher von
vornherein für einen Teillast-Durchsatz ausgelegt ist und nicht, wie dies üblicherweise
erfolgt, für den bei Vollast der Anlage auftretenden Durchsatz, kann nun eine wesentliche
Verringerung der Bauabmessungen des Wärmetauschers erreicht werden. Diese Verkleinerung
des Wärmetauschers ist dabei auch mit keiner größeren Wirkungsgradeinbuße der Gesamtanlage
verbunden, da gerade
bei Personenkraftfahrzeugen, für die diese
Anlage im wesentlichen bestimmt ist, der Vollastbetrieb ohnehin nureinen sehr geringen
Anteil an der gesamten Betriebszeit ausmacht. Dadurch, daß nun die Auslegung des
Wärmetauschers für einen Teillast-Betriebspunkt, vorzugsweise für den beim Betrieb
eines Personenkraftfahrzeuges am häufigsten auftretenden Betriebsbereich, optimiert
ist, ergibt sich in den Rauptfahrbereichen der Gasturbinenadage sogar eine Erhöhung
des Wirkungsgrades durch Vergrößerung des Wärmeaustauschs. Bci höheren Lasten werden
Dank des dann arbeitenden Bypasses keine Leistungseinbußen auftreten, jedoch muß
in diesem verhältnismäßig selten auftretenden Leistungsbereich ein Verbrauchsansteig
in Kauf genommen werden. Durch die direkte Zuführung der an dem Wärmetauscher vorbeigeführten,
über den Teillast-Luftdurchsatz hinausgehendenBuftmenge direkt in die Brennkammer
bzw.
-
durch Zumischung der bygepassten Luft vor der Brennkammer kann zudem
eine im Einblick auf die NOx - Bildung vorteilhafte Absenkung der Verbrennungstemperatur
erreicht werden.
-
Es ist zwar schon eine Gasturbinenanlage mit einer Wärmetauschereinrichtung
bekannt, bei der in bestimmten Betriebszuständen die aus dem Verdichter kommendeLuft
Luft-unter Umgehung des Wärmetauschers direkt der Brennkammer zugeführt wird (DT-AS
1 221 495). Diese Betriebszustände liegen dabei dann vor, wenn die Abgaswärme äußeren
Wärmeverbraucherkreisen zugeführt werden soll. Bei dieser Anlage ist aber der Wärmetauscher
in üblicher Weise nach dem Vollast-Luftdurchsatz der stationären Anlage ausgelegt.
-
Auch bei einer anderen bekannten Ausführung einer Gasturbinenanlage
(DT-AS 1 426 325) ist die Möglichkeit aufgezeigt,
entweder mit oder
ohne regenerativen Wärmeaustausch zu arbeiten. Da allerdings hier nur diese beiden
Varianten vorgesehen sind, also Betrieb mit oder ohne Wärmeaustauscher, muß der
Wärmeaustauscher, wenn er vorgesehen wird, auch für den Vollast-Betriebspunkt der
Anlage ausgelegt sein.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß in den
Bypassleitungen Absperrvorrichtungen vorgesehen sind, die bei einer Überschreitung
der für die Wärmeaustauscherauslegung maßgeblichen Teillast der Gasturbinenanlage
die Bypassleitungen zunehmend zum Durchtritt der über den Teillast-Durchsatz hinausgehenden
Mengenströme öffnen. Dabei kann zur Steuerung dieser in den Bypassleitungen angeordneten
Absperrvorrichtungen, die beispielsweise durch Klappen oder Ventile gebildet werden,
direkt die an einer Stelle der Anlage gemessene Leistung oder der Durchsatz herangezogen
werden. Um ohne zusätzlichen Steuerungsaufwand auszukommen, kann eine selbsttätige
Funktion der Bypasse auch durch entsprechende Abstimmung der Verlust strecken im
Wärmetauscher und in den Bypassleitungen erreicht werden, indem beispelsweise die
in den Bypassleitungen angeordneten Absperrvorrichtungen als selbsttätig in Abhängigkeit
von dem im Wärmetauscher auftretenden Druckverlust gesteuerte Rückschlagklappen
ausgebildet sind.
-
Weitere Vorteile und die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind
in der nachfolgenden Beschreibung enthalten, die das in der Zeichnung schematisch
gezeigte Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in Figur 1 ein
Schaltbild der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage und
Figur 2 einen
Längsschnitt durch die in der Bypass-Leitung angeordnete Absperrvorrichtung.
-
In dem in der Figur 1 gezeigten Schaltbild der Gasturbinenanlage ist
mit 1 ein Verdichter, mit 2 ein Wärmetauscher, mit 3 eine Brennkammer und mit 4
eine über eine Welle 5 mit dem Verdichter 1 gekoppelte Gasturbine bezeichnet.
-
8 stellt den Nutzleistungsabtrieb der Gasturbine 4 dar. Die in den
Kreislauf eingezeichneten Pfeile deuten die Strömungsrichtung des Luft- bzw. Gasstromes
an.
-
Gemäß der Erfindung ist der Wärmetauscher 2 für einen sich bei Teillast
der Gasturbinenanlage einstellenden Durchsatz ausgelegt und es sind den Wärmetauscher
2 umgehende Bypassleitungen 6 und 7 vorgesehen, durch die bei höheren Leistungen
der Anlage auf der einen Seite die über den Teillast-Luftdurchsatz hinausgehende
Luftmenge direkt der Brennkammer 3 zugeführt wird und durch die auf der anderen
Seite ein entsprechender Anteil der Turbinenabgase direkt in den Auspuff geleitet
wird. Zur Steuerung des Durchsatzes durch die Bypassleitungen 6 und 7 dienen Absperrvorrichtungen
9, die ausgehend von dem zur Auslegung des Wärmetauschers herangezogenen Teillast-Betriebspunkt
der Anlage bei steigenden Leistungen die Bypassleitungen zunehmend öffnen.
-
Die Absperrvorrichtungen, die zweckmäßigerweise als Ventil- oder Klappenvorrichtungen
ausgebildet sind, können in Abhängigkeit von verschiedenen Kriterien gesteuert werden.
So wäre es möglich, diese in Abhängigkeit von dem an einer beliebigen Stelle des
Kreisprozesses gemessenen Durchsatz zu betätigen. Auch besteht die Möglichkeit,
die Steuerung der Absperrvorrichtung 9 in Abhängigkeit von der Leidfiung der Maschine
erfolgen zu lassen.
-
Eine verhältnismäßig einfache Steuerungsmöglichkeit, die zudem selbsttätig,
also ohne weiteren Stexrungsaufwand abläuft, ist in der Figur 2 schematisch aufgezeigt.
Hierbei wird die Absperrvorrichtung 9 von einer in der Bypassleitung 6 drehbar angeordneten
Klappe 10 gebildet. Eine Zugfeder 12, die mit einem Ende an einem feststehenden
Teil, beispielsweise der Bypassleitung 6 befestigt ist, greift mit dem anderen Ende
an einem an der Klappenwelle 11 befestigten Hebel 13 an und beaufschlagt somit die
Klappe 10 in Schließrichtung.
-
Auf die Schließfläche der Klappe 10 wirkt nun, da die Bypassleitung
6 in Strömungsrichtung vor und hinter dem wärmetauscher 2 an die zu der Brennkammer
3 führende Luftleitung angeschlossen ist, der im Wärmetauscher auftretende Druckverlust
in Öffnungsrichtung. Dieser sich aus den Strömungsverlusten im Wärmetauscher ergebende
Druckverlust steigt entsprechend der Durchsatzmenge bei steigender Leistung der
Gastzbinenanlage. Infolgedessen wird auch die Klappe 10 bei zunehmender Leistung
mit einer größeren Kraft in Öffnungsrichtung beaufschlagt.
-
Durch geeignete Bemessung der Schließfeder 12 und der Größe der Klappe
10 der Absperrvorrichtung 9 sove der Strömungsverluste in dem Wärmetauscher 2 kann
nun erreicht werden, daß die Klappe 10 in dem Moment die Bypassleitung 6 selbsttätig
zu öffnen beginnt, indem die für die Auslegung des Wärmetauschers maßgebliche Teillast
der Gasturbinenanlage erreiht ist. Die auf diese Weise erreichte Abstimmung der
Verluststrecken im Wärmetauscher 2 und in der Bypassleitung 6 sorgt dann dafür,
daß die über den Teillast-Luftdurchsatz hinausgehende Luftmenge unter Umgehung des
Wärmetauschers direkt der Brennkammer 3 zugefiihrt wird. Auch die Äbsperrvorrichtung
9 in der Bypaßleitung 7 für die
Turbinenabgase kann in entsprechender
Weise ausgebildet sein.
-
Abweichend von der in der Zeichnung gezeigten, die Erfindung keineswegs
einschränkenden Ausführung einer Eraftfahrzeug-Gasturbinenanlage wäre es gegebenenfalls
auch möglich, nur eine den Wärmetauscher umgehende Bypassletfung, etwa auf der kalten
Luftseite, vorzusehen. In diesem Fall würde der bei höheren Leistungen der Anlage
auf der Abgasseite stark anwachsende Druckverlust zu einer Leistungseinbuße der
Gesamtanlage führen, die durch eine entprechend größere Spitzenleistung der Gasturbine
ausgeglichen werden müßte.-Dadurch,daß der wärmetauscher gemäß der Erfindung nicht
für den Vollast-Durchsatz sondern für einen im Per--sonenkraftfahrzeug-Betrieb wesentlich
häufiger auftretenden Teillastbereich optimiert ist, ergibt sich neben der Einsparung
an Baugröße und Baukosten auch eine Verbesserung des Teillastverbrauches. Eine bei
-der erfindungsgemaßen Ausbildung in Kauf zu nehmende Erhöhung des Verbrauches im
höheren Lastbereich wird sich dagegen in der Regel deshalb nicht negativ auf den
Gesamtverbrauch niederschlagen, weil diese Betriebsbereiche bei Personenkraftfahrzeugen
wesentlich seltener auftreten.
-
Die Zumischung der den Wärmetauscher umgehenden, verhältnismaßig kalten
Luft vor oder in der Brennkammer bewirkt zusätzlich noch eine Absenkung der ansonsten
in den vollastnahen Leistungsbereichen besonders hohen Verbrennungstemperaturen
und reduziert so nebenbei in überraschender und besonders vorteilhafter Weise die
gerade bei den höheren Teillasten im Verbrcnnungsprozess zuStretende Stickozidbildung.