DE2353956C3 - Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge, die zumindest einen Verdichter und zumindest eine mit diesem über eine Welle verbundene Gasturbine in liegender Anordnung, einen Wellenabtrieb zur Übertragung von Nutzleistung, einen obenliegenden Abgaswärmetauscher zur Erwärmung der verdichteten Luft und eine Brennkammer aufweist, wobei die verdichtete Luft und das Abgas den Abgaswärmetauscher im Gegenstrom durchströmen, wobei die Einlaß- und Auslaßöffnungen des Abgaswärmetauschers jeweils mit Sammelräumen verbunden sind und wobei die Brennkammer parallel zur und im wesentlichen über der Gasturbine innerhalb des mittig gelegenen Warmluftsammeiraums des Abgaswärmetauschers angeordnet ist

Es ist eine Gasturbinenanlage mit einem Abgaswärmetauscher bekanntgeworden (US-PS 25 91 540), bei der die Brennkammer innerhalb eines ringförmigen Wärmetauschers angeordnet ist. Auch ist der Wärmetauscher mit der Brennkammer liegend oberhalb des Verdichter- und Turbinensatzes angeordnet. Abgesehen davon, daß die Bauart des Wärmetauschers trotz der gewählten Anordnung ungünstige Abmessungen der Gasturbinenanlage und somit Schwierigkeiten beim Einbau in ein Kraftfahrzeug zur Folge hat, treten, bedingt durch die axiale Luftführung im Wärmetauscher unerwünscht hohe Strömungsverluste auf. So erfolgt z. B. die Luftzuführung zur Brennkammer zum Teil senkrecht zu den eingesetzten Wärmetauscherrohren, wodurch eine beruhigte Zuströmung zur Brennkammer nicht erfolgen kann. Andererseits erfährt dos heiße Abgas beim Durchströmen der sehr langen Wärmetauscherrohre eine unerwünscht hohe Drosselung, die durch Erhöhung des Gegendruckes zur Verringerung der Leistung der Gasturbinenanlage führt. Ein weiterer

Nachteil der vorliegenden Anordnung liegt darin, daß

lange Strömungswege, verbunden mit Wärme- und

Strömungsverlusten für den Gasführungskanal von der Brennkammer zur Turbine und für den Abgaskanal von

der Turbine zum Wärmetauscher vorliegen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, obige

ίο Nachteile zu vermeiden und mit einfachen Mitteln eine

Gasturbinenanlage mit einem Wärmetauscher so τα

verbessern, daß sie kleine Abmessungen hat und ein günstiger thermischer Wirkungsgrad erzielt wird.

Gelöst wird diese Aufgabe der Erfindung dadurch,

|5 daß die Brennkammer zwischen dem in an sich bekannter Weise als Plattenwärmetauscher ausgebildeten Abgaswärmetauscher und der Gasturbine angeordnet ist und daß der Zuluftsammeiraum des Abgaswärmetauschers in Form zweier oberhalb der äußeren, seitlichen Wärmetauscherkanten parallel zur Welle der Gasturbinenanlage verlaufender Lufteintrittskanäle ausgebildet ist Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Abgaswärmetauschers als Plattenwärmetauscher und die erfindungsgemäße Anordnung der Brennkammer zwischen Wärmetauscher und Gasturbine sind außerordentlich günstige Abgas- und Luftführungen mit im wesentlichen vertikaler Durchströmung im Gegenstrom möglich. In oberen Segmenten des Wärmetauschers, die den erfindungsgemäßen Luftein trittskanälen benachbart sind und in unteren Segmenten des Wärmetauschers, die einen Warmluftsammelkanal einschließen, findet dabei in günstiger Weise eine Umlenkung statt, die entsprechende Führungskanäle ersetzt und zugleich die Wärmetauscherfläche vergrö ßert wobei in diesen Teilen eine Beaufschlagung im Kreuzstrom erfolgt. Die erfindungsgemäßen Lufteintrittskanäle sind so angeordnet, daß sie innerhalb der durch den Wärmetauscher bestimmten Breite der Gasturbinenanlage liegen. Weiterhin haben die Luftein-

*° trittskanäle durch diese Anordnung in günstiger Weise gemeinsame Wandteile mit der Abgasführung. Gleiches gilt für den die Brennkammer aufnehmenden Warmluftsammeiraum durch die erfindungsgemäße Anordnung der Brennkammer zwischen Abgaswärmetauscher und Gasturbine. Bei einer Gasturbinenanlage mit zumindest zwei Brennkammern ist es günstig, wenn der Wärmetauscher einen mittig angeordneten Lufteintrittskanal und eine der Anzahl der Brennkammern entsprechende Zahl von auf der Gasturbinenseite angeordneten, die Brennkammern aufnehmenden Warmluftsammeiräume aufweisen.

In besonderer erfindungsgemäßer Ausführung ist der Warmluftsammeiraum im wesentlichen zylindrisch ausgebildet und an seinem dem Brennkammerkopf

benachbarten Ende eine verschließbare Öffnung angeordnet, durch die die Brennkammer ein- und ausbaubar ist. Hierdurch ergeben sich trotz der zentralen, internen Anordnung der Brennkammer und der wartungsbedürftigen Brennstoffdüse außerordent-

Hch erleichterte Instandsetzungsmöglichkeiten.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt ist. Es zeigt Abb. 1 eine komplette Gasturbinenanlage in Seiten ansicht, mit erfindungsgemäß angeordneter Wärmetau scher-Brennkammereinheit;

A b b. 2 einen Schnitt durch die Wärmetauscher-Brennkammereinheit der Gasturbinenanlage gemäß

den Linien IWI in Abb, 1;

Abb,3 einen Schnitt durch die Wärmetauscher-Brennkammereinheit mit anschließender Gasturbineneinheit gemäß der Linie HI-III in A b b, 2;

A b b, 4 einen TeilschnHt entsprechend dem Kreis IV in A b b, 3, in wesentlich vergrößertem Maßstab,

In der A b b, 1 ist mit 1 ein Gaserzeuger bezeichnet, der einen Verdichter, eine Verdichterturbine und eine Arbeitsturbine beinhaltet Weiterhin ist mit 2 ein Luftfilter bezeichnet, durch das der Verdichter die Luft ι ο ansaugt Oberhalb des Gaserzeugers 1 ist eine Wärmetauscher-Brennkammer-Einheit 3 angeordnet An der dem Luftfilter 2 benachbarten Stirnseite des Gaserzeugers 1 sind für den Betrieb der Gasturbinenanlage und ggfs. eines Kraftfahrzeuges benötigte Hilfsaggregate 4 angeflanscht Auf der den Hilfsantrieben entgegengesetzten Stirnseite des Gaserzeugers 1 tritt eine mit 5 bezeichnete Abtriebswelle aus.

Die im Schnittbild gemäß Abb.2 in vergrößertem Maßstab dargestellte Wärmetauscher-Brennkammereinheit 3 weist ein Gehäuse 6, den eigentlichen Abgaswärmetauscher 7, die Brennkammer 8 und den Warmluftsammeiraum 12 auf. Der Abgaswärmetauscher 7 ist parallel zu den Turbinenwellen oberhalb derselben angeordnet und dichtend im Gehäuse 6 gelagert Die Lufteintrittskanäle 11 sind entlang der äußeren Kanten des Wärmetauschers 7 innerhalb des Gehäuses 6 angeordnet Zwischen Wärmetauscher 7 und dem Gaserzeuger 1 ist der Warmluftsammeiraum 12 angeordnet in dem die Brennkammer 8 eingebaut ist Der Abgaswärmetauscher 7 ist entsprechend der Erfindung als Plattenwärmetauscher ausgeführt, wobei luft- bzw. abgasleitende Rippen mit 13 bezeichnet sind. In den beiden Hälften des Schnittes sind Wärmetauscherkanäle dargestellt, die durch die Wärmetauscherplatten begrenzt sind und jeweils spiegelbildlich ergänzt in hintereinanderliegende Ebenen abwechselnd für heißes Abgas und verdichtete Luft vorgesehen sind Auf der linken Hälfte ist der Wärmetauscher zwischen zwei luftführenden Platten geschnitten, während die rechte -to Seite einen Schnitt zwischen zwei heißes Abgas führenden Wärmetauscherplatten darstellt Die beiden Hälften können dabei in einer Ebene liegen, wie gezeigt wobei die mittlere Rippe eine Trennung zwischen Luft und Abgas darstellt, oder es können die dargestellten Kanäle für Luft und Abgas sich jeweils über die gesamte Wärmetauscherbreite erstrecken. Die Rippen 13 sind in einem oberen Teil 9 am Lufteintrittskanal 11 und in einem unteren Teil 10 am Warmluftsammeiraum 12 jeweils in den Kanälen, bezogen auf benachbarte v> Ebenen gegensinnig gegenüber dem Mittelteil des Abgaswärmetauschers 7 abgewinkelt, so daß sich in diesen Teilen ein Kreuzstrom ergibt. Die äußeren Trennwände zwischen der Luft und dem heißen Abgas sind als dicke Linien ausgeführt. Pfeile verdeutlichen den Weg des jeweils durch die Rippen 13 geführten Gasstroms, wobei links die Luft und rechts das Abgas gezeigt wird.

Da der wesentliche Teil des Schnittes gemäß A b b. 3 die gleiche Wärmetauscher-Brennkammereinheit wie in Abb.2 darstellt, sind gleiche Teile mit den gleichen Zahlen bezeichnet Die Linien innerhalb des Wärmetauschers 7 stellen die Wärmetauscherplatten dar, die mit 14 bezeichnet sind. Der Warmluftsammeiraum 12 ist zylindrisch ausgeführt und dichtend, jedoch verschiebbar mit dem Gehäuse 6 verbunden. Das Gehäuse 6 hat in Verlängerung des Warmluftsammeiraums 12 eine Öffnung, die mit dem Deckel 15 verschlossen ist Der Deckel 15 ist abnehmbar am Gehäuse 6 befestigt wobei die öffnung im Gehäuse 6 einen größeren Durchmesser hat als die Brennkammer 8, so daß diese bei Wegnahme des Deckels 15 leicht ein- und ausgebaut werden kann. Im Deckel 15 ist eine Brennstoffleitvrg 16 befestigt, die zur Brennkammer 8 führt Die Brennkammer 8 selbst ist über zwei Kragen 17, die im Warmluftsammeiraum 12 bzw. am Abgaswärmetauscher 7 befestigt sind, gelagert, so daß sich die Brennkammer 8 sowohl axial verschieben als auch radial ausdehnen kann. Die Brennkammer 8 mündet in einen Gasführungskanal 18, der zu der in A b b. 3 dargestellten Gasturbine 19 führt.

Aus Abb.4 ist ersichtlich, daß der Kragen 17 Bohrungen 20 hat so daß die Warmluft nicht nur zur Kopfseite der Brennkammer sondern auch entlang deren Mantelfläche strömen kann. Der Kragen 17 stützt sich gegen an der Brennkammer 8 befestigten Laschen 21, die an der Brennkammerwand befestigt sind. Pfeile zwischen den Wärmetauscherplatten 14 zeigen die Strömung des heißen Abgases und der erwärmten Luft an. Die abgasführenden Kanäle haben seitlich versetzte Eintritte und sind zum Warmluftsammeiraum 12 hin verschlossen, während die warmluftführenden Kanäle zu diesem hin geöffnet sind.

Es sei darauf hingewiesen, daß entsprechend der Erfindung auch mehrere Brennkammern am Luftaustrittsende des Wärmetauschers angeordnet sein können, wobei dann die Lufteintrittskanäle 11 entsprechend geändert sind. Weiterhin ist die Erfindung auch auf einen regenerativen Wärmetauscher anwendbar, wobei beispielsweise eine senkrechte Mittelachse gemäß A b b. 2 die Drehachse einer Wärmetauschermatrix sein kann, durch die auf der einen Seite heißes Abgas abströmt und auf der anderen Seite zu erwärmende Luft zugeführt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Gasturbinenanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge, die zumindest einen Verdichter und zumindest eine mit diesem über eine Welle verbundene Gasturbine in liegender Anordnung, einen Wellenabtrieb zur Übertragung von Nutzleistung, einen obenliegenden Abgaswärmetauscher zur Erwärmung der verdichteten Luft und eine Brennkammer aufweist, wobei die verdichtete Luft und das Abgas den Abgaswärmetauscher im Gegenstrom durchströmen, wobei die Einlaß- und Auslaßöffnungen des Abgaswärmetauschers jeweils mit Sammelräumen verbunden sind und wobei die Brennkammer parallel zur und im wesentlichen über der Gasturbine innerhalb des mittig gelegenen Warmluftsammelraums des Abgaswärmetauschers angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (8) zwischen dem in an sich bekannter Weise als Plattenwärmetauscher ausgebildeten Abgaswäirmesauscher (7) und der Gasturbine (19) angeordnet ist und daß der Zuluftsammeiraum des Abgaswärmetauscher (7) in Form zweier oberhalb der äußeren, seitlichen Wärmetauscherkanten parallel zur Welle der Gasturbinenanlage verlaufender Lufteintrittskanäle (11) ausgebildet ist

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Warmluftsammeiraum (12) im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist und an seinem dem Brennkammerkopf benachbarten Ende eine verschließbare öffnung (15) aufweist, durch die die Brennkammer (8) ein- und ausbaubar ist