DE2336469A1 - Brennkraftmaschine mit kontinuierlichem verbrennungsverfahren - Google Patents

Brennkraftmaschine mit kontinuierlichem verbrennungsverfahren

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DE2336469A1
DE2336469A1 DE19732336469 DE2336469A DE2336469A1 DE 2336469 A1 DE2336469 A1 DE 2336469A1 DE 19732336469 DE19732336469 DE 19732336469 DE 2336469 A DE2336469 A DE 2336469A DE 2336469 A1 DE2336469 A1 DE 2336469A1
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internal combustion
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Arthur F Mclean
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Ford Werke GmbH
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Ford Werke GmbH
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    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/08—Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases
    • F02C7/10—Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases by means of regenerative heat-exchangers
    • F02C7/105—Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases by means of regenerative heat-exchangers of the rotary type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/40—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means
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    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Description

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Verwaltung Köln-Deutz
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Postanschritt: Ford-Werke AG 5Köln 21 Postfach 2103 69 Telefon: (02 21) 8 25-1
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Betreff
Patentanmeldung Brennkraftmaschine mit kontinuierlichem Verbrennungsverfahren
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit kontinuierlichem Verbrennungsverfahren, mit Einrichtungen zur Erzeugung eines primären Stroms verdichteter, verhältnismäßig kalter Luft, dem über Einrichtungen Wärme und Treibstoff zur Erzeugung einer kontinuierlichen Verbrennung zugeführt wird und wobei die heißen Verbrennungsgase ein Arbeitselement treiben.
Die Katalyse als Mittel zum Aufrechterhalten einer flammenlosen Verbrennung und ohne chemische Einbeziehungen in die Verbrennung ist allgemein bekannt und die Grundlage vieler zweckmäßiger industrieller Anwendungen. Bisher gab es jedoch kaum eine praktische Anwendung der Katalyse ale primäres Mittel zum Erzeugen von Arbeitswärme in Brennkraftmaschinen mit kontinuierlicher Verbrennung, wie insbesondere bei Gasturbinen. Die entsprechende Anwendung einer katalytischen Verbrennung, wie sie Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ergibt unmittelbar eine Anzahl von Vorteilens
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Sitz der Gesellschaft Köln - Registergericht Köln, HRB 84 - Vorsitzender des Aufsichtsrates: Max lieber · Vorstand: Hans-Adolf Barthekneh, Vorsitzender Franz J. Bohr - Waldemar Ebers - Charles W. Flynn ■ Wilhelm Inden ■ Alfred Langer - Hans Schaberger Stellvertretend: Klaus-Dieter Banzhaf ■ Horst Bergemann ■ Paul A.Guckel - Hans-Joachim Lehmann
Reduzierung der unerwünschten Abgasemiesionen wie z. B. Stickoxydverbindungen auf ein Niveau von weniger als zwei Anteilen pro Mill; Erzielung einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung innerhalb der durch die Katalyse erzeugten heißen Verbrennungegase, die ein Turbinenrad antreiben und dadurch erhöhte Lebensdauer der Brennkraftmaschine.
Bei der Anwendung der Katalyse ale primärer Arbeitswärmeerzeuger treten bestimmte Probleme auf. So die Unfähigkeit bei verhältnismäßig kalten Umgebungstemperaturen bei den für den Betrieb in Erwägung gezogenen Luft-Treibstoff-Gemischen zu starten. Typische Luft-Treibstoff-Gemische, die bei flammenbildenden Verbrennungeverfahren verwendet werden, liegen bei einem Mischungsverhältnis von 80 : 1 und nach Erreichung der Betriebstemperatur bei bis zu 190 : 1 während demgegenüber das Mischungsverhältnis für eine katalytische Verbrennung keine technisch maximale Grenze aufweist. So kann z. B- eine wirksame katalytische Verbrennung noch bei einem Luft-T reib stoff -Gemisch mit einem Mischungsverhältnis von 1000 : 1 stattfinden, im praktischen Betrieb wird jedoch ein Mischungsverhältnis von 150 : 1 verwendet. Ein solches Mischungsverhältnis ist jedoch zu mager, um eine flammenbildende Verbrennung zum Vorwärmen zu zünden und aufrecht zu erhalten. Als ein bei Raumtemperaturen praktisch erreichbares Ziel ist ein Luft-T reib stoff-Gemisch mit einem Mischungs verhältnis zwischen 8:1 bis 30 : 1 anzusehen, bei dem eine flammenbildende Verbrennung nach erfolgter Zündung aufrecht erhalten werden kann und wodurch eine Vorwärmung erreicht werden kann, durch die der Wärmeaustauscher und das Luft-Treibstoff-Gemisch auf eine vorbestimnte Temperatur gebracht werden kann, bei der die katalytische Verbrennung kontinuierlich stattfindet.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die primäre Arbeitewärme durch katalytische Verbrennung von mageren oder besondere mageren Luft-T reib stoff-
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Gemischen erzeugt wird und Einrichtungen zum Starten der Brennkraftmaschine bei verhältnismäßig kalten Umgebungstemperaturen und zum schnellen Erreichen der vorbestimmten Betriebstemperatur vorgesehen sind.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem Einrichtungen zur Treibstoffzufuhr vorgesehen sind, durch die ein homogenes Luft-Treibstoff-Gemisch von einer vorbestimmten Temperatur erzeugt wird, das in einer katalytischen Verbrennungseinrichtung in einer kontinuierlichen flammenlosen Oxydation in heiße Verbrennungsgase umgesetzt wird und eine 'Wärmeaustauscheinrichtung zur übertragung von Wärme von den heißen Verbrennungsgasen auf den verdichteten Luftstrom sowie eine Vorwärmeinrichtung zur Erwärmung des Luft-Treibstoff-Gemisches auf die vorbestimnte Temperatur angeordnet sind.
Die Vorwärmeinrichtung besteht hierbei aus einer Treibstoff zuführeinrichtung und einer Zündeinrichtung und hält eine flammenbildende Verbrennung eines Teiles des Luft-Treibstoff-Gemisches stromaufwärts der katalytischen Verb rennungseinrichtung aufrecht, bis das Gerrdsch die vorbestimmte Temperatur erreicht hat, bei der die katalytische Verbrennung kontinuierlich stattfindet.
Die Wärmeaustauscheinrichtung ist hierbei stromaufwärts der Vorwärmeinxichtung angeordnet und besteht aus einem bekannten sich drehenden, eine Vielzahl von axialen Kanälen enthaltenden scheibenförmigen Wärmeaustauscher aus keramischem Material, der abwechselnd von den heißen Verbrennungsgasen und dem verdichteten Luftstrom durchströmt wird.
Die Vorwärmeinrichtung weist hierbei eine Luftleiteinrichtung zum Abzweigen eines Teiles des Luftstromes auf und die Treibstoff zuführeinrichtung ist derart angeordnet, daß nur dem Teilstrom Treibstoff zugeführt wird und die Zündeinrichtung ist derart angeordnet, daß stromabwärts des Wärmeaus-
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tauschers an dessen Oberfläche eine flammenbildende Verbrennung stattfindet, die durch den Ringmantel des übrigen Luftstromes örtlich begrenzt wird.
Das Luft-Treibstoff-Gemisch, das über die Luftleiteinrichtung durch den Wärmeaustauscher geführt wird, weist ein Mischungsverhältnis von 8 : 1 bis 30 :1 auf.
Der verdichtete Luftstrom durchströmt hierbei den Wärmeaustauscher an einer Seite seiner Drehachse und die Luftleiteinrichtung weist einen Auslaß zum Wärmeaustauscher auf, der entgegen dem Drehsinn des Wärmeaustauschers versetzt ist.
Verwirbelungsschaufeln sind angeordnet, die einen sekundären Luftstrom in einem Bereich zwischen der Wärmeaustauschereinrichtung und der katalytischen Verbrennungseinrichtung einbringen und mit dem primären Luftstrom und dem Gemisch aus der Luftleiteinrichtung der Vorwärmeinrichtung verwirbeln.
Das verwirbelte Luft-Treibstoff-Gemisch weist hierbei ein Mischungsverhältnis von über 100 : 1 auf.
Die katalytische Verbrennungseinrichtung überspannt hierbei den Strömungsausgang für die heißen Verbrennungsgase zum Arbeitselement und sorgt für eine gleichmäßige Temperatur verteilung innerhalb der über das Arbeitselement strömenden Verbrennungsgase.
Anstelle der Luftleiteinrichtung der Vorwärmeinrichtung kann ein Luftleitblech angeordnet sein.
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Die Erfindung wird anhand zweier in den beiliegenden Zeichnungen gezeigter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Teil eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung der Temperatur des verdichteten Luftstromes über den Mischungsverhältnissen des Luft-Treibstoff-Gemisches.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 wird als Brennkraftmaschine mit kontinuierlichem Verbrennungsverfahren eine bevorzugte Gasturbine gezeigt. Die Gasturbine besitzt ein Gehäuse 10, das wesentlich den Strömungsverlauf der eintretenden Luft 8 bestimmt. Das Gehäuse 10 weist einen Einlaß 11 an einem Ende auf, der konzentrisch zur Achse 12 der Gasturbine liegt. Ein Zentrifugalverdichter 13 ist im Einlaß 11 angeordnet und liefert einen verdichteten Luftstrom in das Innere des Gehäuses 10. Der Verdichter 13 ist über eine Welle 14 mit einem Verdichter-Turbinenrad 15 verbunden. Die Welle 14 ist hierbei in geeigneter Weise im Gehäuse 10 drehbar gelagert. Ein Arbeits-Turbinenrad 16 bildet das Arbeitselement der Gasturbine und ist mit einer Abtriebswelle 17 verbunden. Der Strömungsverlauf in der Gasturbine ist hierbei so geführt, daß beide Turbinenräder 15 und 16 unmittelbar von den in der Verbrennungszone 9 erzeugten heißen Verbrennungsgasen beaufschlagt werden.
Die Einrichtungen, die dem über den Einlaß 11 angesaugten verdichteten Luftstrom Wärme und Treibstoff zuführen, bestehenais Einrichtungen zur katalytischen Verbrennung A, zur Vorwärmung B1, zum Wärmeaustausche und zur T reib stoffzufuhr D.
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Das Gehäuse 10 der Gasturbine bildet im Zusammenwirken mit einer Innenwand 19 einen Strömungsverlauf, in den die Einrichtungen A, B, C und D einragen. Im einzelnen erstreckt sich das Gehäuse 10 von den Spitzen der Schaufeln des Verdichters 13 radial nach außen und kehrt bogenförmig zurück, wobei es die vordere Hälfte 20 a eines scheibenförmigen Wärmeaustauschers 20 überspannt. Der scheibenförmige Wärmeaustauscher 20 bildet die Einrichtung zum Wärmeaustausch C und besteht in bekannter Weise aus keramischem Material, in dem eine Vielzahl von axialen Kanälen angeordnet sind, die sich parallel zur Drehachse 21 des Wärmeaustauschers 20 erstrecken. In einer Seitenansicht besitzt der den vorderen Teil 20 a dee Wärmeaustauschers 20 überspannende Teil des Gehäuses 10 einen D-förmigen Querschnitt, so daß er die eine Hälfte der Kreisfläche des Wärmeaustauschers 20 überspannt. Das Gehäuse 10 bildet auf diese Weise einen Strömungsverlauf 22, der den verdichteten Luftstrom durch den Wärmeaustauscher 20 führt.
Ein Strömungsverlauf 23 wird durch eine keramische Innenwand 19 gebildet, die den den Wärmeaustauscher 20 durchströmenden Luftstrom bogenförmig nach innen zu einer öffnung 24 führt, in der die Turbinenräder 15 und 16 drehbar angeordnet sind. Nachfolgend der öffnung 24 führt die Innenwand 19 den Strömungsverlauf wieder bogenförmig nach außen, wobei die heißen Verbrennungsgase den hinteren Teil 20 b des scheibenförmigen Wärmeaustauschers 20 durchstreichen*
Die katalytische Verbrennungseinrichtung A besteht aus einem bienenwabenf or mi gen, keramischen Element 25, das konisch oder zylindrisch ausgebildet ■ein kann und einen wesentlichen Bereich des Raumes 26 zwischen dem vorderen Teil 20 a des Wärmeaustauschers 20 und den Turbinenrädern 15 und 16 einnimmt.
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Das bienenwabenförmige, keramische Element 25 ist hierbei mit einem geeigneten Katalysator überzogen, der eine flammenlose Verbrennung des Luft-Treibetoff-Gemieches bei einer vorbestimmten Temperatur fördert. Das bienenwabenförmige, keramische Element 25 überspannt hierbei den Strömungsausgang 53 der heißen Verbrennungsgase zu den Turbinenrädern 15 und 16 und sorgt dadurch für eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in den Verbrennungsgaeen.
Die Vorwärmeinrichtung B besteht aus einer Luftleiteinrichtung 30 mit einem kreisförmigen Einlaß 31 im mittleren Bereich des Strömungsverlaufes 22 und einem Auslaß 32 benachbart der Oberfläche 33 des Wärmeaustauschers 20. Die Luftleiteinrichtung 30 zweigt einen Teil des primären Luftstromes etwa in einem Verhältnis von l/3 zu 2/3 auf und führt diesen Teil durch einen mittleren Bereich 34 des Wärmeaustauschere 20. Der Auslaß 32 der Luftleiteinrichtung 30 kann hierbei in Richtung oberhalb der Ebene des Papiers in Fig. 1 angeordnet, d.h. entgegen der in der Zeichnung durch den Pfeil angegebenen Drehrichtung des Wärmeaustauschers 20 versetzt sein. Dieses Versetzen vermindert die Möglichkeit, daß Treibstoff während der Drehung des Wärmeaustauschers 20 zur Abetrömseite des Wärmeaustauschers 20 mitgenommen wird, ohne die Verbrennungszone 9 zu passieren. Eine Zündeinrichtung 38 erstreckt eich in den Raum 26 und ist angeordnet.um das Luft-Treibstoff-Gemisch zu zünden, das aus dem radialen Bereich 34 des Wärmeaustauschers 20 strömt. Die daraus entstehende flammenbildende Verbrennung wird in einem geringen Abstand (etwa 0, 05 bis 0, 075 mm) von der Oberfläche 39 des Wärmeaustauschers 20 durch den Ringmantel des übrigen Luftstromes (der keinen Treibstoff enthält) örtlich begrenzt. Die Wärme, die durch die flammenbildende Verbrennung 40 erzeugt wird, wird zum Teil durch den vorderen Teil 20 a des Wärmeaustauschers 20 und zum Teil durch den Luftstrom absorbiert, der die Wärme zur katalytischen Verbrennungseinrichtung 25 führt. Nachdem die Vorwärmeinrichtung B eine bestimmte Zeit,
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vorzugsweise 4 bis 9 Sekunden, in Betrieb war, hat der Wärmeaustauscher und der Luftstrom eine Temperatur von oder über 204 ° C erreicht, bei der innerhalb der katalytischen Verbrennungseinrichtung A eine kontinuierliche flammenlose Verbrennung stattfindet.
Die Wärmeaustau β ehe reinrich tun g C soll einen drehbaren Wärmeaustauscher aufweisen, da normale Einlaßtemperaturen, wie sie zur Aufrechterhaltung dner katalytiechen Verbrennung erforderlich sind, für feststehende Wärmeaustauscher zu hoch würden. Entsprechend den Eigenschaften eines aus keramischem Material bestehenden Wärmeaustauschers muß dieser normalerweise auf einer Temperatur unter 1060 ° C gehalten werden, um Brüche durch übermäßige Wärmeausdehnung zu vermeiden, was durch einen sich drehenden Wärmeaustauscher leichter erzielt werdenkann. Für den Wirkungsgrad ist es weiterhin wichtig, daß der Treibstoff in den Kanälen des Wärmeaustauschers vollständig verdampft und homogen mit der Luft vermischt wird. Die versetzte Anordnung der Luftleiteinrichtung 33 gegenüber dem Wärmeaustauscher 20 erleichtert das letztere. Luft, die nicht durch die Luftleiteinrichtung 30 abgezweigt wird, strömt frei durch den äußeren Bereich des Wärmeaustauschers 20 und formt einen Ringmantel aus Luft, der das aus dem Bereich 34 des Wärmeaustauschers 20 ausströmende Gemisch örtlich begrenzt. Während des Betriebes mit katalytischer Verbrennung wird dieser Ringmantel aus Luft mit dem Gemisch aus dem Bereich 34 des Wärmeaustauschers 20 innig vermischt und gelangt in die katalytisch^ Verbrennungseinrichtung A. Dies wird durch Verwirbelungsschaufeln 51 erzielt, über die über eine öffnung 50 ein sekundärer Luftstrom in den Raum 26 eingeführt wird, der sich mit dem primären Luftstrom und<tem Luft-Treibstoff-Gemisch innig verwirbelt.
Die Treibstoffzufuhreinrichtung D, die sowohl zum Betrieb der Vorwärmeinrichtung B als auch zum Betrieb der katalytischen Verbrennungseinrichtung A dient, weist einen Auslaß 41 auf, der sich in die Luftleiteinrichtung 30
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erstreckt, wodurch Treibstofftröpfchen auch bei verhältnismäßig niederen Temperaturen von 65 C wirksam dispergiert werden. Die Anordnung des Treibstoffauslasses 41 in einem Bereich mit niedriger Temperatur ermöglicht die Anwendung von verhältnismäßig billigen T reib stoff düsen, wie z.B. einer Zerstäuberdüse, die durch eine ausgezeichnete Atomisierung des Treibstoffes gekennzeichnet ist. Ein Steuerventil 42 ist vorgesehen, um die T reib stoffzufuhr zu unterbinden, sobald die vorbestimmte Temperatur erreicht ist, um die flamme η bildende Verbrennung 40 auszulöschen.
Die Eingangsoberfläche 28 der katalytischen Verbrennungseinrichtung 25 ist vorzugsweise geeignet, die katalytische Verbrennung eines Luft-Treibstoff-Gemisches von einer Temperatur zwischen 820 C und 930 C zu fördern. Luft-Treibstoff-Gemische von niedrigerer Temperatur, die in die katalytische Verbrennungseinrichtung 25 gelangen, werden zwar kontinuierlich katalytisch verbrannt, der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine wird hierdurch jedoch beeinträchtigt. Das Mischungsverhältnis der Luft-Treibstoff-Gemische, die die Eingangsoberfläche 28 der katalytischen Verbrennungseinrichtung 25 erreichen, kann außerordentlich hoch wie z. B. 1000 : 1 betragen, wobei im praktischen Betrieb Einschränkungen auf Mischungsverhältnisse von 100 : 1 bis 250 : 1 angebracht sind. Die Ausgangstemperatur aus der katalytischen Ver-
brennungseinrichtung 25 liegt vorzugsweise bei 1100 C und jede höhere Temperatur sollte auf maximal 1540 C begrenzt werden, um eine unzulässige Beanspruchung des keramischen Materials der katalytischen Verbrennungsdnrichtung 25 zu vermeiden. Darüber hinaus entstehen bei einer Ausgangstemperatur von 1650 C bis 1760 C bereits beträchtliche Mengen von Stickoxydverbindungen.
Verbrennungsgase mit einer Temperatur von über 1100 C beanspruchen bereits das Material der Turbinenräder in unzulässiger Wdse und machen eine Luftzuführung unmittelbar zwischen dem Eingang zu den Turbinenrädern und der katalytischen Verbrennungs einrichtung notwendig.
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Eine Brennkraftmaschine nach Fig. 1 wird gestartet, indem Umgebungeluft über den Einlaß 11 in das Gehäuse 10 eingesaugt wird, wo es durch den Verdichter 13 verdichtet wird und entlang dem Strömungsverlauf 22 weitergeführt wird. Der verdichtete Luftstrom wird durch die Luftleiteinrichtung 30 in vorbestimmte Teile aufgeteilt und dem durch die Luftleiteinrichtung 30 strömenden Teilstrom wird durch die Treibstoffzufuhreinrichtung D Treibstoff zugeführt. Der Teilstrom wird durch die Luftleiteinrichtung 30 zu einem mittleren Bereich 34 des Wärmeaustauschers 20 geführt. Gleichzeitig dazu strömt der übrige Luftstrom durch die äußeren Bereiche des Wärmeaustauschers 20 und bilden einen Ringmantel für das Luft-Treibstoff-Gemisch im mittleren Bereich 34. Der diesem Teilstrom zugeführte Treibstoff wird so gesteuert, daß Luft-Treibstoff-Gemische von den in Fig. 2 gezeigten Mischungsverhältnissen erzielt werden. Die Verbrennung kann nunmehr mit oder ohne Zündquelle (Funke) stattfinden, abhängig von der Temperatur und den chemischen Eigenschaften des Gemisches. Jedoch kann bei bestimmten Kombinationen von Lu ft-T reib stoff- Gemischen und Temperaturen auch mit einer Zündeinrichtung keine flammenbildende Verbrennung erzielt werden (siehe die Bereiche außerhalb der von den Linien 45 und 46 eingeschlossenen schraffierten Flächen in Fig. 2). Tests haben gezeigt, daß bei einer durchschnittlichen Umgebungstemperatur von etwa 10 C die Grenzen des Luft-Treibstoff-Gemisches innerhalb von 8:1 bis 30 : 1 liegen müssen, um eine kontinuierliche flammenbildende Verbrennung zu erzielen. Ein hoher Grad an zuverlässiger Zündung kann erzielt werden, wenn Mischungen im Bereich der Linie 47 in Fig. 2 (mit einem Mischungsverhältnis von 15 : 1 bis 25 : l)verwendet werden. Daher muß die Luftleiteinrichtung 30 in Verbindung mit der T reib stoffzufuhr derart ausgelegt werden, daß Luft-Treibstoff-Gemische zwischen 15 : 1 und 25 : 1 erzielt werden, um eine absolut sichere Vorwärmung beim Starten der Brennkraftmaschine zu gewährleisten. Um jedoch einenbesseren Wirkungsgrad der Vorwärmung zu erzielen, sollte das Mischungsverhältnis nahe der Linie 46
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der nicht mehr zündfähigen Gemische liegen und somit näher bei 30 : 1 liegen. Sobald die Lufttemperatur im System die vorbestimmte Temperatur (siehe Linie 48 in Fig. 2) erzielt hat, bei der die katalytische Verbrennung kontinuierlich stattfindet, kann das Mischungsverhältnis des Luft-T reib stoff Gemisches weiter abgemagert werden.
Die Zündeinrichtung D ist vorgesehen, um einen Funken zu erzeugen, um das aus dem Bereich 34 des Wärmeaustauschers 20 ausströmende Luft-T reib stoff Gemisch zu entzünden und eine flammenbildende Verbrennung aufrecht zu erhalten. Die flammenbildende Verbrennung 40 kann an bestimmten Punkten Temperaturen bis 1650 C aufweisen, wodurch eine schnelle Vorwärmung erzielt wird. Während dieser Startphase der Brennkraftmaschine wirkt die katalytische Verbrennungseinrichtung A nicht andef s als ein Durchlaß für das Gemisch aus Luft und Verbrennungegasen. Während dieser Phase ist es nicht wichtig, ob der Ringmantel des Hauptluftstromes homogen mit dem den Treibstoff enthaltenden Teilstrom verwirbelt wird, da vorerst nur wichtig ist, daß die Betriebetemperatur des Wärmeaustauschers und der katalytischen Verbrennungseinriehtung rasch erzielt wird. Normalerweise sind 6 bis 9 Sekunden erforderlich, um die Temperatur auf 204 C (der Mindesttemperatur, die für die katalytische Verbrennung - siehe'Fig. 2 - erforderlich ist) anzuheben. Nachdem entsprechende Signale angezeigt haben, daß die gewünschte Temperatur (des Luftstromes, der durch die katalytische Verbrennungseinriehtung strömt) erreicht ist, werden Steuereinrichtungen (nicht gezeigt) wirksam, um die flammenbildende Verbrennung 40 auszulöschen, indem vorübergehend die T reib stoffzufuhr unterbrochen wird. Safche Steuereinrichtungen können gleichzeitig die Wirksamkeit der katalytischen Verbrennungseinriehtung A feststellen, bevor die flammenbildende Verbrennung 40 ausgelöscht wird.
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Sobald eine kontinuierliche katalytisch^ Verbrennung erreicht ist, ist es wichtig, daß der gesamte Luftstrom unterhalb des Wärmeaustauschers innig verwirbelt wird, um den vorhandenen Treibstoff (der von der Treibstoffzuführeinrichtung D über die Luftleiteinrichtung 30 geliefert wird) homogen und gleichmäßig mit den übrigen Luftteilen zu vermischen, bevor er in die katalytieche Verbrennungseinrichtung A eintritt. Wie bereits beschrieben, sind hierfür Verwirbelungsschaufeln 51 vorgesehen, die sekundäre Luft über Öffnungen 50 zuführen.
Herkömmliche Einrichtungen können hierbei benutzt werden, um die Treibstoff zufuhr zu erhöhen oder zu vermindern, wie auch die Drehzahl des Verdichtere 13, um eine gleichmäßige katalytische Verbrennungstemperatur in Übereinstimmung mit der gewünschten Drehzahl des Arbeits-Turbinenrades 16 zu erzielen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. Es weist im wesentlichen einen Hilfsverbrennungsraum 49 auf, in dem eine flammenbildende Verbrennung vor In gangkomm en der katalytischen Verbrennung aufrecht erhalten wird und die als Teiler der Luftströmung wirkt. Im einzelnen besitzt diese Gasturbine einen Lufteinlaß 53, der hinter dem primären Verbrennungsraum 54 liegt. Wände 55 bilden einen Strömungsverlauf 56, der die Luft in einem Zentrifugalverdichter 57 führt, der eine Achse 58 aufweist. Der Strömungsverlauf vom Verdichter 57 verläuft radial nach außen und wird bogenförmig zur einen Seite eines Wärmeaustauschers geführt. Nach Durchtritt des Wärmeaustauschers wird der Strömungsverlauf über Wände 61 und 62 zum vorderen Ende der Gasturbine geführt, wo ein Teil des Luftstromes in den Hilfsverbrennungsraum 49 gelangt (der Hilfsverbrennungsraum wäre im Fall einer herkömmlichen Gasturbine der primäre Verbrennungsraum) .
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Der Hilfeverbrennungeraum 49 kann im wesentlichen einen Durchmesser aufweisen, der dem Durchmesser .der Turbinenräder 64 und 65 (mit den gegenüberliegenden Leiträdern 77 und 78) entspricht. Eine Hilfskammer 66 (angedeutet) kann wahlweise innerhalb des Domes 63 angeordnet werden, um die flammenbildende Verbrennung auf einen geringeren Durchmesser als. den Durchmesser des Hilfsverbrennungsraumes 49 zu beschränken. Eine Treibstoffzuführeinrichtung 67 ist in herkömmlicher Weise angeordnet und liefert Treibstoff in den Dom 63, der über eine Zündeinrichtung 68 gezündet werden kann.
Der primäre Luftstrom, der zur Erzeugung der für die Vorwärmung erforderlichen flammenbildenden Verbrennung notwendig ist, tritt in den Hilfsverbrennungsraum 49 über öffnungen 69 benachbart der Treibstoffzuführeinrichtung 67 ein. Ein Teil Luftstrom tritt über öffnungen 70 in den Hilfsverbrennungsraum 49 ein und erzeugt eine Verwirbelung im Verbrennungsraum 49. Sobald die Temperatur des Luftstromes 204 C überstiegen hat, wird die Treibstoffzufuhr unterbrochen, um die flammenbildende Verbrennung 70 auszulöschen, um darauffolgend die T reib stoffzufuhr mit einem Luft-Treibstoff-Gemisch von geringerem Mischungsverhältnis als während der Vorwärmung zu versorgen. Die primäre und sekundäre Luftströmung wird hierbei im Hilfsverbrennungsraum innig verwirbelt und hierauf dem primären Verbrennungsraum 54 zugeführt, in dem eine katalytische Verbrennungseinrichtung 73 angeordnet ist. Um die Auegangstemperatur der katalytischen Verbrennungseinrichtung 73 zu steuern, wird ein weiterer Luftteilstrom über öffnungen 74 zwischen der katalytischen Verbrennungseinrichtung 73 und den Turbinenrädern 64 und 65 eingeführt.
Eine Modifizierung des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispieles ist durch die Anwendung eines Luftleitbleches 76 ( angedeutet) anstelle der Luftleiteinrichtung 30 möglich, das für eine entsprechende Abzweigung verschiedener Luftteilströme sorgt.
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Claims (1)

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    Patentansprüche
    1. / Brennkraftmaschine mit kontinuierlichem Verbrennungsverfahren,
    mit Einrichtungen zur Erzeugung eines primären Stroms verdichteter, verhältnismäßig kalter Luft, dem über Einrichtungen Wärme und Treibstoff zur Erzeugung einer kontinuierlichen Verbrennung zugeführt wird und wobei die heißen Verbrennungsgase ein Arbeitselement treiben, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur T reibstoffzufuhr (D) vorgesehen sind, durch die ein homogenes Luft-Treibstoff-Gemisch von einer vorbestimmten Temperatur erzeugt wird, das in einer katalytischer! Verbrennungseinrichtung (A) in einer kontinuierlichen flammenlosen Oxydation in heiße Verbrennungsgase umgesetzt wird und eine Wärmeaustauscheinrichtung (C) zur Übertragung von Wärme von den heißen Verbrennungsgasen auf den verdichteten Luftstrom sowie eine Vorwärmeinrichtung (B) zur Erwärmung des Luft-Treibstoff-Gemi8che8 auf die vorbestimmte Temperatur angeordnet sind.
    2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmeinrichtung (B) aus einer Treibstoff zuführeinrichtung (41, 42) und einer Zündeinrichtung (38) besteht und eine flammenbildende Verbrennung (40) eines Teiles des Luft-Treibstoff-Gemisches stromaufwärts der katalytischen Verbrennungeeinrichtung (25) aufrecht erhält, bis das Gemisdidie vorbestimmte Temperatur erreicht hat, bei der die katalytische Verbrennung kontinuierlich stattfindet.
    3. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscheinrichtung (C) stromaufwärts der Vorwärmeinrichtung (D) angeordnet ist und aus einem bekannten sich drehenden, eine Vielzahl von axialen Kanälen enthaltenden scheibenförmigen Wärmeaustauscher (20) aus keramischem Material besteht, der abwechselnd von den heißen Verbrennungsgasen und dem verdichteten Luftstrom durchströmt wird.
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    ORIGINAL INSPECTED
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    4. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmeinrichtung (B) eine Luftleiteinrichtung (30) zum Abzweigen eines Teiles des Luftstromes aufweist und die Treibstoff zuführeinrichtung (41, 42) derart angeordnet ist, daß nur dem Teilstrom Treibstoff zugeführt wird und die Zündeinrichtung (38) derart angeordnet ist, daß stromabwärts des Wärmeaustauschers (20) an dessen Oberfläche (39) eine flammenbildende Verbrennung stattfindet, die durch den Ringmantel des übrigen Luftetromes örtlich (Bereich 34) begrenzt wird.
    5. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft-Treibstoff-Gemisch, das über die Luftleiteinrichtung (30) durch den Wärmeaustauscher (20; Bereich 34) geführt wird, ein Mischungsverhältnis von 8:1 bis 30 : 1 aufweist.
    6. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der verdichtete Luftstrom den Wärmeaustauscher (20) an einer Seite seiner Drehachse durchströmt und die Luftleiteinrichtung (30) einen Auslaß (32) zum Wärmeaustauscher (20) aufweist, der entgegen dem Drehsinn des Wärmetauschers (20) versetzt ist.
    7. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Verwirbelungsschaufeln (51) angeordnet sind, die einen sekundären Luftstrom in einen Bereich (26) zwischen der Wärmeaustauschereinrichtung (C) und der katalytischen Verbrennungseinrichtung (A) einbringen und mit dem primären Luftstrom und dem Gemisch aus der Luftleiteinrichtung (30) der Vorwärmeinrichtung (B) verwirbeln.
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    H. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch ge-
    k ο η η :·. ο i ι· Ii net, daß das verwirbelte Luft-T reibstoff-Gemisch ein Mistlurngsverhällnis von über 100 : 1 aufweist.
    9. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytische Verbrennungseinrichtung (25) den Strömungsausgang (53) für die heißen Verbrennungsgase zum Arbeitselement (16) überspannt und für eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der über das Arbeiteelement (16) strömenden Verbrennungegaee sorgt.
    10. Hrennkraftmaechine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gele r η η ·λ c i r h η et , daß anstelle der Luftleiteinrichtung (30) der Vorwärmeinrifhlung (D) ein Luftleitblech (76) angeordnet ist.
    US-420 / 10. Juli 1973
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