DE2506040A1

DE2506040A1 - Gas turbine drive - has heat exchanger using fluid medium under pressure vaporized by exhaust gas

Info

Publication number: DE2506040A1
Application number: DE19752506040
Authority: DE
Inventors: James Stouffer Campbell
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-01-15
Filing date: 1975-02-13
Publication date: 1976-09-09
Also published as: CA1013581A

Abstract

The gas turbine drive consists of a gas turbine (10) with gas inlet (11) and outlet (15) devices and a combustion gas generator with an inlet for compressed air. A lead is provided for the latter has well as an outlet device for the combustion gas which is coupled to the gas inlet device (11). A heat exchanger (19) has its primary circulation (19a) connected to the gas outlet device (15), while its secondary circulation (19b) can b e switched between a pressurised fluid medium source and apparatus which injects the vaporized medium into the compressed air lead of the generator. The fluid medium is vaporized during its passage through the secondary circulation from the turbine exhaust gas in the primary.

Description

G A S @ U R B I N E Die Erfindung betrifft sine Gasturbine, und insbesondere ein Gasturbinen-friebwerk mit verbesserter Ausgangsleistung und geringerer Abgastemperatur und Konzentration an Verunreinigungen. The invention relates to, and in particular, a gas turbine a gas turbine engine with improved output and lower exhaust gas temperature and concentration of impurities.

Eine Gasturbine weist im allgemeinen ein Laufrad auf, das auf einer welle befestigt, beispielsweise verkeilt, und mit @@fangsschaufeln versenen ist, die jeweils so getormt sind, daß der Aufprall eines Ho@@geschwindigkeits-Gasstrahls auf die Schaufeln eine Bewegung der Schaufel auf dem Umfang des Laufrades bewirkt; dadurch wird auf die Welle ein mechanisches Drehmoment ausgeübt. Dabei wird aufgrund der Übertragung von kinetischer Energie auf die Schaufeln der autprallende Gasstrahl wesentlich verlangsamt, wenn der Gasstrahl die Einlaßeinrichtung verläßt.A gas turbine generally has an impeller that is mounted on a the shaft is fixed, for example wedged, and trimmed with @@ collecting shovels, which are each shaped so that the impact of a Ho @@ speed gas jet causes the blades to move on the circumference of the impeller; this exerts a mechanical torque on the shaft. This is due to the transfer of kinetic energy to the blades of the impinging gas jet slowed down significantly when the gas jet leaves the inlet device.

Der 0 ben erwähnte @ochgeschwindigkeits-Gasstrahl erfordert die Zulieferung eines Gases mit hohes Druck und mit hoher Temperatur; dazu kann beispielsweise ein Gasgenerator verwendet werden. Ein solcher Gaserzeuger muß eine Binrichtung aufweisen, die Luft komprimiert und die komprimierte Luft zu einer Verbrennungskammer oder einem Verbrennungszylinder liefert, in der ein @rennstoff an Luft unter Erzeugung von Ver-Orennungsgasen verbrannt werden kann; weiterhin muß ein solscher Gas generator auc eine Einrichtung enthalten, um diese Gase teilweise zu expandieren, damit die notwendige Energie für die Kompression der Luft erzeugt werden kann. Beispiele für einen solchen Gaserzeuger sind eine Freikolbenmaschine, wie sie später im folgenden besc.arieben werden soll, oder ein Rotationskompressor bzw. Umlaufverdichter, der einer Verbrennungskammer Luft zufünrt und durch eine weitere Gasturbine angetrieben wird, wie es üblicherweise bei Gasturbinen-Triebwerken vorgesehen ist, die auf vielen Anwendungsgebieten eingesetzt werden können.The above mentioned high speed gas jet requires delivery a high pressure and high temperature gas; for example, a Gas generator can be used. Such a gas generator must have an installation the air is compressed and the compressed air to a combustion chamber or a combustion cylinder supplies in which a @fuel in air with production can be burned by combustion gases; a gas generator of this type must also be used also contain a device to partially expand these gases so that the necessary energy for the compression of the air can be generated. examples for One such gas generator is a free-piston machine, as will be described later in the following besc.arieben, or a rotary compressor or circulation compressor that a combustion chamber supplies air and is driven by another gas turbine becomes, as is commonly provided in gas turbine engines, on many Areas of application can be used.

Ini allgemeinen weist die Gaseinlaßeinrichtung für die Turbine einen Satz von Düsen oder einen Düsenring bzw. Leitkranz auf, von dem das Gas mit hoher Geschwindigkeit abgegeben wird, um auf die Turbinenschaufeln aufzutreffen. Das zugeführte Gas befindet sich auf hoher Temperatur und hohem Druck; beim Verlassen der Düse findet eine im wesentlichen adiabatische Expansion statt, beider die Auslaßtemperatur des Gases wesentlich verringert wird. Diese adiabatische Expansion und der folgende Abfall der Gastemperatur beeinflußt direkt den Wirkungsgrad der Turbine, da er eine Funktion der Energie ist, die an der Ausgangswelle in das mechanische Drehmoment umgewandelt wird. In einem typischen Fall ist jedoch die Temperatur aes Abgases nocn relativ hoch, sodaß sich bei vielen Gelegenheiten eine beträchtliche Verschwendung von nutzbarer Energie aus dem Binlaßgas ergibt.In general, the gas inlet means for the turbine comprises one Set of nozzles or a nozzle ring or nozzle ring, from which the gas at high Speed is delivered to impinge on the turbine blades. The supplied Gas is at high temperature and high pressure; when exiting the nozzle there is essentially adiabatic expansion at the outlet temperature of the gas is significantly reduced. This adiabatic expansion and the subsequent drop in gas temperature directly affects the efficiency of the Turbine as it is a function of the energy generated on the output shaft in the mechanical Torque is converted. In a typical case, however, the temperature is aes Exhaust gas is still relatively high, so that on many occasions there is a considerable amount Waste of usable energy results from the inlet gas.

Weiterhin stellt der Ausstoß von Abgasen mit so hohen Temperaturen einen wesentlichen lwJachteil bei der Entwicklung von kommerziell akzeptablen Gasturbinenmotoren für Personenkraftwagen und ählllicize Fahrzeuge darlbei aenen der Sicherheitsfaktor von sehr großer Bedeutung ist.Furthermore, there is the emission of exhaust gases with such high temperatures a significant disadvantage in the development of commercially acceptable gas turbine engines for passenger cars and ählllicize vehicles, the safety factor is also important is of very great importance.

Ein weiteres Problem bei vielen Gasturbinensystemen liegt in der Verunreinigung von dem Verbrennungsprozess, der das Arbeitsgas für die Turbine liefert; dieses Gas ist das Produkt der Verbrennung einer flüchtigen Mischung eines Brennstoffs -wie beispielsweise Dieselöl bzw. Dieselkraftstoff, Benzin oder Rohöl - mit komprimierter Luft. Allgemein ausgedrückt ist die Arbeitsleistung eines Verbrennungsprozesses eine Funktion der maximal erreichten Verbrennungstemperatur und des Drucks der entwickelten Verbrennungsgase. Mit Hochtemperatur-Verbrennungskammern ist jedoch ein Verunreinigungsproblem verbunden, da sich beträchtliche Mengen von Oxiden des Stickstoffs bilden, die im folgenden als Stickoxide oder NOx bezeichnet werden sollen. Diese Verunreinigung strömt nämlich durch die Turbine und wird zusammen mit den Abgasen von ihr ausgestoßen.Another problem with many gas turbine systems is contamination the combustion process that provides the working gas for the turbine; this Gas is the product of the combustion of a volatile mixture of a fuel - such as diesel oil or diesel fuel, gasoline or crude oil - with compressed Air. In general terms, it is the work output of a combustion process a function of the maximum combustion temperature reached and the pressure of the developed Combustion gases. However, there is a pollution problem with high temperature combustion chambers connected, since considerable amounts of oxides of nitrogen are formed, which in the the following are to be referred to as nitrogen oxides or NOx. This pollution namely flows through the turbine and is together with the exhaust gases from her expelled.

Ausgellend von den obigen Erläuterungen liegt deshalb der vorliegenden Erfindung unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Gasturbine mit verringerter Abgastemperatur und erhöhtem Gaseinlaßdruck zu schaffen, deren Abgase nur geringere Mengen an NOx Verunreinigungen enthalten.The present explanation is therefore based on the above explanations Invention, inter alia, the object of an improved gas turbine with reduced To create exhaust gas temperature and increased gas inlet pressure, the exhaust gases only lower Contain amounts of NOx impurities.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Gasturbinen-Triebwerk geschaffen, das eine Gasturbine mit einer Gaseinlaßeinrichtung und einer Gasauslaßeinrichtung1 einen Generator für das Verbrennungsgas mit einer Auslaßeinrichtung für das Verbrennungsgas, die mit der Einlaßeinrichtung für das Turbinengas in Verbindung steht, und einen Wärmetauscher mit pwimaren und sekundären Kreisläufen aufweist, wobei der primäre Kreislauf mit der Gasauslaßeinrichtung der Turbine in Verbindung steht und der sekundäre Kreislauf zwischen eine Quelle für ein unter Druck stehendes, flüssiges, fluides Medium, das bei dem erforderlichen Druck durch das Abgas der Turbine in dem ersten Kreislauf verdampft werden kann, und eine Einrichtung geschaltet ist, um das fluide Medium in Gasform in die Leitung für die komprimierte Luft des Gasgenerators einzuführen, beispielsweise einzuspritzen.In accordance with the present invention, there is provided a gas turbine engine the one gas turbine with a gas inlet device and a gas outlet device 1 a generator for the combustion gas with an outlet device for the combustion gas, which is in communication with the inlet means for the turbine gas, and one Has heat exchangers with pwimaren and secondary circuits, with the primary Circuit is in communication with the gas outlet device of the turbine and the secondary Circuit between a source of a pressurized, liquid, fluid Medium that at the required pressure by the exhaust gas of the turbine in the first Circuit can be evaporated, and a device is connected to the fluid Introduce medium in gaseous form into the line for the compressed air of the gas generator, inject for example.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert.The invention is described below on the basis of exemplary embodiments explained in more detail with reference to the accompanying schematic drawings.

Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinen-Triebwerks, bei dem die Prinzipien der vorliegenden Erfindung vervwe-lldet werden; und Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Freikolbenmotors, der bei dem Gasturbinen-Triebwerk nach der vorliegenden Erfindung angewandt werden kann.The figures show: FIG. 1 a schematic representation of a gas turbine engine, in which the principles of the present invention are used; and Fig. 2 is a cross-sectional view of a free piston engine used in the gas turbine engine according to the present invention can be applied.

Wie sich insbesondere aus Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung ergibt, weist eine Turbinenstufe 10 eine Einlaßgasdüse 11, ein Laufrad 12, das auf einer Ausgangswelle 13 angebracht, beispielsreise verseilt ist, eine Laufradkammer 1.4 und eine Abgasleitung 5 auf. Ein Gas 16 illit erhönter £eniperatur tritt mit hoher Getrifft schwindigkeit aus der Düse il aus und auf das Laufrad 12, das ein mechanisches Drehmoment auf die Welle 13 ausübt und dadurch ire Drehung bewirkt. Das Gas 16 wird einer im wesentlichen adiabatiscnen Expansion unterzogen und verläßt die Laufradkammer 14 durch die Abgasleitung 15.As can be seen in particular from Fig. 1 of the accompanying drawing, has a turbine stage 10, an inlet gas nozzle 11, an impeller 12, which is on a Output shaft 13 attached, for example, is stranded, an impeller chamber 1.4 and an exhaust pipe 5. A gas 16 illit increased temperature occurs with high Hit speed from the nozzle il and on the impeller 12, which is a mechanical Exerts torque on the shaft 13 and thereby causes ire rotation. The gas 16 is undergoes a substantially adiabatic expansion and leaves the impeller chamber 14 through the exhaust pipe 15.

Das Gas i6 ist das Verbrennungsprodukt des Kraftstoffs, der in dem Gasgenerator 17 verbrannt wird; es liegt deshalb in der Leitung 1ú, die den Gasgenerator 17 mit der Düse 11 verbindet, mit hohem Druck vor. Der Gaserzeuger hat einen oder mehrere zur Zuführung des Kraftstoffs dienende Eingänge, die in Ab;längigkeit von dem Typ des Gasgenerators und des darin verbrannten Kraftstoffs unterschiedliche Formen haben können; weiterhin weist der Gasgenerator einen Einlaß für die Aussenluft und eine Übertragungsleitung 7a für die komprimierte Luft auf.The gas i6 is the combustion product of the fuel contained in the Gas generator 17 is burned; it is therefore in the line 1ú, which the gas generator 17 connects to the nozzle 11, with high pressure before. The gas generator has an or several inlets which are used to supply the fuel and which are spaced from the type of gas generator and the one burned in it Fuel can have different shapes; furthermore, the gas generator has an inlet for the outside air and a transmission line 7a for the compressed air.

Die bisher schematisch beschriebene Anordnung wird herkömmlicherweise bei Gasturbinen-Triebwerken verwendet, die auf vielen Anwendungsgebieten eingesetzt werden können.The arrangement so far described schematically is conventional used in gas turbine engines which are used in many fields of application can be.

Gemäß der vorliegenden erfindung ist eine Abgasleitung 15 mit dem primären Kreislauf 19a eines Wärmetauschers 19 verbunden. Der sekundäre Kreislauf l9b des Wärmetauschers ist init einer Vorratsquelle eines unter Druck stehenden flüssigen fluiden hediums verbunden; außerdem ist die Aulaßseite des sekundären Kreislaufs 19b an einen Einlaß 20 für den Gasgenerator 17 angeschlossen. Das fluide Mediu in dem sekundären Kreislauf 19b des Wärmetauschers wird erwärmt und durch das heiße Abgas verdampft, das durch den primären Kreislauf 19a strömt. Anschließend wird das fluide Medium in Gasform unter Druck in den Gasgenerator 17 geführt. Damit wird die Stromungsgeschwindigkeit des Verbrennungsgases von dem Generator 17, ausgedrückt in Volumeneinheiten, durch die Hinzufügung des zusätzlich eingespritzten, unter Druck stehenden Gases erhöht, sodaß die Austrittsgeschwindigkeit des sich ergebenden Gases aus der Düs-e 11 in entsprechender Weise ansteigt.According to the present invention, an exhaust pipe 15 is with the primary circuit 19a of a heat exchanger 19 connected. The secondary cycle 19b of the heat exchanger is pressurized with a supply source liquid fluid hediums connected; in addition, the outlet side is the secondary Circuit 19b is connected to an inlet 20 for the gas generator 17. The fluid Mediu in the secondary circuit 19b of the heat exchanger is heated and through vaporizes the hot exhaust gas flowing through the primary circuit 19a. Afterward the fluid medium is fed into gas generator 17 in gaseous form under pressure. In order to the flow rate of the combustion gas from the generator 17 is expressed in units of volume, by adding the additionally injected, under Pressurized gas increases, so that the exit velocity of the resulting Gas from the nozzle 11 increases in a corresponding manner.

Das mechanische Drehmoment, das auf die Ausgangswelle 13 übertragen wird, ist eine Funktion der Kraft, die auf die Laufradschaufeln ausgeübt wird; d.ii. also, daß auf diese Weise das Drehmoment erhöht wird; da die erte Ausgangsleistung vollständig von der sonst überscllüssigen Energie, insbesondere der Abwärme, des Abgases geliefert wird, steigt der thermische Wirkungsgrad des Triebwerks in entsprechender Weise an.The mechanical torque transmitted to the output shaft 13 is a function of the force exerted on the impeller blades; d.ii. so that in this way that Torque is increased; since the first Output power completely from the otherwise excess energy, in particular the waste heat, the exhaust gas is supplied, the thermal efficiency of the increases Engine in a corresponding manner.

Ein wesentlicher Effekt der Injektion des zusätzlichen gasförmigen fluiden Mediums in den Gas generator liegt in der Erhöhung der Wärmekapazität der Verbrennungsgase und damit einer Verringerung der maxinialen Gastemperatur nach der Verbrennung.A major effect of the injection of the additional gaseous fluid medium in the gas generator lies in the increase in the heat capacity of the Combustion gases and thus a reduction in the maximum gas temperature of combustion.

Obwohl ein Absinken der Verbrennungstemperatur selbst den Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses und damit den gesamten Wirkungsgrad der Ausgangsleistung des Triebwerks verringern würde, so wird doch diese Verringerung mehr als ausgeglichen durch die erhöhte Strömungsgeschwindikeit, ausgedrückt in Voluijieneinheiten, die sich dadurch ergibt, daß das gasförmige fluide Medium unter relativ hohem Druck in die Brennkammer eingeführt, beispielsweise eingespritzt wird. Dadurch ergibt sich also eine Netto-Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades und der Ausgangsleistung, die von einer niedrigeren Brennkammertemperatur begleitet ist.Although a decrease in the combustion temperature itself increases the efficiency of the combustion process and thus the overall efficiency of the output power of the engine would decrease, this decrease is more than compensated for by the increased flow rate, expressed in volume units, the it results from the fact that the gaseous fluid medium is under relatively high pressure introduced into the combustion chamber, for example injected. This results in So there is a net increase in thermal efficiency and output power, which is accompanied by a lower combustion chamber temperature.

Bereits oben wurde darauf hingewiesen, daß die Stickoxide NOx eine wesentliche Verunreinigung bei jedem Prozess darstellen, für den Luft bei hohen Temperaturen verbrannt werden muß. Es hat sich herausgestellt, daß es im allgemeinen eine kritische Temperatur für jeden bestimmten Typ von Brennkammer, jedes Kraftstoffgemisch, jeden Verbrennungsdruck, usw. ergibt; oberhalb dieser kritischen Temperatur steigen die NOx-Emissionen scharf an, sodaß angestrebt wird, diese Temperatur für die spezifischen Parameter des Verbrennungsprozesses zu bestimmen. Dies läßt sich relativ einfach durch Experimente und Berechnungen durchführen; ist die kritische Temperatur einmal bestimmt so können die Injektionsgeschwindigkeit und der Druck des gasförmigen fluiden j'jediums ohne Schwierigkeiten so eingestellt werden, daß sic eine geeignete Temperatur in der Brennkammer ergibt. Dabei muß weiterhin berücksichtigt werden, daß eie zu starke Abkühlung der Brennkammer zu einem merklichen Absinken des Wirkungsgrades sowie zu der Emission von anderen Verunreinigungen- beispielsweise Kohlenwasserstoffenführt, die unvollständig verbrannt werden, die optimale maximale Temperatur in der Brennkammer sollte deshalb etwas über der kritischen Temperatur für die ifOx-Emission liegen. Wie oben erwähnt wurde, läßt sich die optimale Temperatur leicht durch Einstellung der Zuführgeschwindigkeit und des Drucks des gasförmigen fluiden Mediums erreichen; dazu müssen nur der Wärmetauscher und die zugehörigen Absperrorgane usw. in geeigneter Weise ausgelegt und geeicht werden.It was already pointed out above that the nitrogen oxides NOx represent a significant impurity in any process for which air is at high Temperatures must be burned. It has been found in general a critical temperature for each particular type of combustion chamber, each Fuel mixture, any combustion pressure, etc .; above this critical Temperature, the NOx emissions rise sharply, so the aim is to maintain this temperature to determine the specific parameters of the combustion process. This leaves relatively easy to carry out through experiments and calculations; is the critical one Once the temperature is determined so can the injection speed and the pressure of the gaseous fluid j'jediums can be adjusted without difficulty so that sic results in a suitable temperature in the combustion chamber. This must still be taken into account that too much cooling of the combustion chamber leads to a noticeable drop the efficiency as well as the emission of other impurities - for example Hydrocarbons that are incompletely burned lead to the optimum maximum The temperature in the combustion chamber should therefore be slightly above the critical temperature for the ifOx emissions. As mentioned above, it can be the optimal temperature easily by adjusting the feed rate and pressure of the gaseous reach fluid medium; all that needs to be done is the heat exchanger and the associated Shut-off devices etc. are designed and calibrated in a suitable manner.

Die Zusammensetzung des verdampften fluiden Mediums stellt keine kritische Größe dar, wobei selbstverständlich vorausgesetzt wird, daß sie mit dem speziellen verwendeten Verbrennungsprozess verträglich ist; weiterhin darf die Zusammensetzung nicht zu chemischen oder mechanischen Beschädigungen an der Brennkammer und dem Turbinenmecnanismus fünren.The composition of the vaporized fluid medium is not critical Size, assuming of course that it is compatible with the specific the combustion process used is compatible; the composition may continue to do so does not cause chemical or mechanical damage at the combustion chamber and the turbine mechanism.

Für die meisten Anwendungsfälle ist Dampf senr gut geeignet und läßt sich auch onne Nachteile bei den verschiedenen Verbrennungsprozessen einsetzen, die üblicherweise benutzt werden; in diesem Fall würde dem zweiten Krislauf des Wärmetauschers unter bruck stehendes Wasser zugefünrt werden. Bei Bedarf kann ein wesentlicher Anteil des Wassers durch Kondensation der Abgase der Turbine erreic@t werden; dadurc@ ergi@t sich also ein Umlaufsystem, dem von einen äußeren Vorratsbehälter nur eine geringe Wassermenge als Ersatz des abgeschiedenen Wassers zugeführt werden muß.For most applications, Dampf senr is well suited and leaves there are also no disadvantages involved in the various combustion processes, which are commonly used; in this case the second crisis of the Heat exchanger under pressure are supplied. If necessary, a A significant proportion of the water is reached through condensation of the exhaust gases from the turbine will; So dadurc @ ergi @ t has a circulation system, that of an external storage container only a small amount of water can be supplied to replace the separated water got to.

In Fig. 2 der Zeichnangen sind die konstruktiven Grundelemente eines Freikolbenmotors dargestellt, der als Gasgenerator bei dem Gasturbinen-Triebwerk nach der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Diese Maschine weist einen Brennzylinder 21 mit offenen Enden auf, in dem gegenüberliegende langgestreckte Kolben 25 angeordnet sind. Iii der iiitte des Zylinders 21 ist eine Einspritzvorrichtung 23 für den Kraftstoff vorgesehen. Eine Einlaßöffnung 24 fürdie komprimierte Luft befindet sic in der ane eines indes des Zylinders 21, während siciI eine Auslaßöffnung 25 für das Verbrennungsgas in der Nähe des anderen Endes des Zylinders befindet.In Fig. 2 of the drawings, the basic structural elements are one Free piston engine shown as a gas generator in the gas turbine engine can be used according to the present invention. This machine has one Burning cylinder 21 with open ends, in the opposite elongated Pistons 25 are arranged. III the middle of cylinder 21 is an injector 23 provided for the fuel. An inlet port 24 for the compressed air It is located in the ane of one of the cylinder 21, while it is an exhaust port 25 for the combustion gas is located near the other end of the cylinder.

Die Einrichtung, die der Einlaßöffnung 24 komprimierte Luft zuführt, weist Verdichterzylinder 26, die koaxial damit an den jeweiligen Enden der Brennzylinder 21 vorgeseilen sind, und Verdichterkolben 27 auf, die in dem Zylinder 26 verschiebbar und einstückig mit den Kolben 22 ausgebildet sind.The device supplying compressed air to the inlet port 24, has compression cylinders 26 which are coaxial therewith at the respective ends of the combustion cylinders 21 have passed, and compressor pistons 27 that are in the cylinder 26 are slidable and formed in one piece with the piston 22.

Das Ende eines jeden Zylinders 26 ist für den Luftauslaß mit Einweg-Absperrorganen 29 versenen, die durch ein Rohr 3G mit der Einlaßöffnung 24 für die Brennkammer in Verbindung steilen; eiteriü' j st ein Rohr 31 vorgesehen, durch das Dampf von dem Wärmetauscher des Turbinensbgases zugeführt wird. Um jeden nylinder 26 ist ein Ring mit einzelnen, im Abstand zuelnanuer angeordneten Einlaßöffnungen 32 vorgesehen.The end of each cylinder 26 is for the air outlet with one-way shut-off devices 29 versenen through a pipe 3G with the inlet opening 24 for the combustion chamber steep in connection; A pipe 31 is provided through which steam can flow from is fed to the heat exchanger of the turbine gas. Around each cylinder 26 is a Ring with individual inlet openings 32 arranged at a distance from one another is provided.

Im folgenden soll die Funktionsweise der Maschine beschrieben werden.The following describes how the machine works.

In der in rig. 2 gezeigten Stellung haben sich die Kolben 22 aufeinanderzubewegt, sodaß ein relativ kleiner Raum eingeschlossen ist, in den die Binspritzvorrichtung 23 für den Kraftstoff den Kraftstoff versprüht. Der abgeschlossene Raum enthält ein Gemisch aus komprimierter Luft und dem Kraftstoff, der von der Einspritzvorrichtung 23 versprüht wird; die komprimierte Luft wird durch die Öffnung 24 in den Zylinder 21 gedrückt, wenn die Kolben 22 den größten Abstand voneinander haben (wie im folgenden erläutert werden soll); durch die Bewegung der Kolben nach innen wird die Luft noch weiter komprimiert. Die hohe Kompressionswärme des zusammongedrückten Luft/Kraft stoff- Gemisches bewirkt eine Explosionsverbrennung, die die Kolben mit großer Geschwindigkeit auseinanderdrückt. Die Kolben 27 bewegen sich nun mit gleicher Geschwindigkeit in Richtung auf die Enden der Zylinder 26, sodaß die in den Enden des Zylinders eingeschlossene Luft durch das Rohr 30 gedrückt wird. Wenn sich die Kolben 22 auseinanderbewegen, kommt die Öffnung 24 mit dem Innern des Zylinders 21 in Verbindung, das durch die Kolben 22 eingeschlossen wird; Luft von dem Rohr 30 wird unter beträchtlichem Druck, der durch die Verdichterkolben 27 erzeugt wird, in diesen Raum geslzungen. Weiterhin läßt sich aus Fig. 2 erkennen, daß zu diesem Punkt die Auslaßöffnung 25 auch für den Raum zlrischen den Kolben 22 und den darin enthaltenen Verbrennungsgasen freigegeben wird. Damit spült die durch die Öffnung 24 eintretende Luft den Zylinder 21, indem die Verbrennungsgase durch die Auslaßöffnung 25 nach außen gedrückt werden. Diese Gase werden dann auf die oben beschriebene Weise der Gasturbine zugeführt.In the in rig. 2, the pistons 22 have moved towards each other, so that a relatively small space is included in which the injection device 23 for the fuel sprayed the fuel. The enclosed space contains a mixture of compressed air and the fuel produced by the injector 23 is sprayed; the compressed air is through the opening 24 in the cylinder 21 pressed when the pistons 22 have the greatest distance from each other (as in the following should be explained); by moving the pistons inward, the air is still further compressed. The high compression heat of the compressed air / force The mixture of substances causes an explosive combustion that pushes the pistons at great speed pushes apart. The pistons 27 now move at the same speed in the direction of the Ends of the cylinder 26 so that the air trapped in the ends of the cylinder is pushed through the tube 30. When the pistons 22 move apart, comes the opening 24 communicates with the interior of the cylinder 21 passed through the pistons 22 is included; Air from the pipe 30 is under considerable pressure, the is generated by the compressor piston 27, solenced in this space. Farther can be seen from Fig. 2 that at this point the outlet opening 25 also for the space between the piston 22 and the combustion gases contained therein are released will. So that the air entering through the opening 24 flushes the cylinder 21 by the combustion gases are forced out through the outlet opening 25. These Gases are then fed to the gas turbine in the manner described above.

Die expandierenden Verbrennungsgase zwingen die Kolben 27 auseinander, wobei die Luft komprimiert wird, die lurch die Einweg-Absperrorgane 29 in das Rohr 30 gedrückt wird. Um die Kolben 22 für den nächsten Kompressionshub der Gase in der Brennkammer 21 zurückzuführen, müssen die Kolben 27 mittels eines Rückprallmechanismus zurückgebracht werden. Gemäß Fig. 2 ergibt sich ein solcher Mechanismus aus dem Aufbau der Kolben; danach sind die Kolben 27 und ein Teil eines jeden Kolbens 22 längs ihrer Achsen hohl ausgebildet, wobei stationäre Stößel oder Stempel 34 vorgesehen sind, die von den Stirnwänden der Kompressorzylinder vorstehen und in die hohlen Kolben ragen. Dadurch ergibt sich also ein Luftraum 33 in Jedem Kolben 22; wenn die Kolben 22 unter dem Einfluß des Verbrennungshubs nach außen gedrückt werden, wird das Volumen dieses Luftrauiijs plötzlich sehr stark verringert; die plötzliche Kompression der Luft in diesem Raum übt eine Rückfederungskraft auf die Zylinder 22 aus, sodaß sie zusammen wieder zurückgedrückt werden. Obwohl bei einer bevorzugten Ausführungsform die dargestellte Anordnung verwendet wird, können selbstverständlich auch geeignete Rückprall-oder Riickfederungszylinder außerhalb der Luftverdichterzy linder und entfernt von den Kolben 22 angeordnet werden, wenn dies erwünscht wird.The expanding combustion gases force the pistons 27 apart, whereby the air is compressed, which l through the one-way shut-off devices 29 in the pipe 30 is pressed. To the piston 22 for the next compression stroke of the gases in returned to the combustion chamber 21, the pistons 27 must by means of a rebound mechanism be returned. According to FIG. 2, such a mechanism results from the Construction of the pistons; thereafter are pistons 27 and a part of each piston 22 Hollow along their axes, stationary plungers or rams 34 being provided are those of protrude from the end walls of the compressor cylinders and protrude into the hollow pistons. This results in an air space 33 in each Piston 22; when the pistons 22 outwardly under the influence of the combustion stroke are pressed, the volume of this air space is suddenly very much reduced; the sudden compression of the air in this space exerts a rebound force the cylinder 22 so that they are pushed back together again. Although at a preferred embodiment, the arrangement shown is used, can naturally also suitable rebound or rebound cylinders outside the Luftverdichterzy cylinder and can be placed away from the piston 22 when this is desired.

Beim letzten Teil seines Auswärtshubs gibt ein Kolben 22 die Abgasöffnung 25 frei; unmittelbar darauf folgt der andere, der die Einlaßöffnung 24 freigibt. Näherungsweise die Hälfte der aus den. Verdichterzylindern abgegebenen Luft wird dazu verwendet, die Zylinder zu spülen und von innen zu kühlen; der Rest wird zwischen den Kolben eingeschlossen, wenn sie nach innen aufeinanderzu zurückfedern und die Öffnungen 24 und 25 bedecken.On the last part of its outward stroke, a piston 22 opens the exhaust port 25 free; immediately thereafter the other follows, which releases the inlet opening 24. Approximately half of that from the. Air discharged from the compressor cylinders used to purge and cool the cylinders from the inside; the rest will be between including the piston when they spring back inward towards each other and the Cover openings 24 and 25.

Die Luft- und Dampfmasse, die bei voller Leistung eingeschlossen wird, nähert sich in einem typischen Falle einer Aufladung bzw. Vorverdichtung von 300%, während bei dem herkömmlichen Dieselmotor die Aufladung nur 30% beträgt. Diese Steigerung ist bei einem Freikolbennotor möglich, da keine Kurbelwelle, Lager für die Verbindungsstange, usw. vorhanden sind, die alle zu enorgieverbrauchenden Reibun gs@und Trägheitskräften führen würden. Weiterhin können durch geeignete Regulierung der Einspritzrate für den Kraftstoff die maximalen erreichten Temperaturen und Drücke geringer sein als die fiir einen herkömmlichen Dieselmotor, wobei jedoch der Winkungsgrad immer noch besser ist.The mass of air and steam that is trapped at full power, approximates in a typical case a charge or pre-compression of 300%, while in the conventional diesel engine the charge is only 30%. These An increase is possible with a free piston engine, since there is no crankshaft, bearings for the connecting rod, etc. are in place, all of which lead to enormous friction gs @ and inertial forces. Furthermore, through suitable regulation the injection rate for the fuel, the maximum temperatures and pressures reached be less than that for a conventional diesel engine, but with the degree of angulation is still better.

ijn werden die Kolben 22 wieder gemeinsam bewegt, sodaß sie die Öffnungen 24 auf ihrer Bahn blockieren und das komprimierte Luft-Dampfgemisch weiter zusammendrücken, das in der Brennkammer eingeschlossen ist, die durch die Kolben und den Zylinder 21 gebildet wird. Während dieses Hubs wird der Kraftstoff wieder in die Brennkammer eingespritzt, sodaß sich das gewünschte brennbare Luft/Kraftstoff-Gemisch ergibt.ijn the pistons 22 are moved together again so that they open the openings 24 block on their path and further compress the compressed air-steam mixture, which is enclosed in the combustion chamber, which is made by the pistons and the cylinder 21 is formed. During this stroke, the fuel is back in the combustion chamber injected so that the desired combustible air / fuel mixture is obtained.

Während dieses Hubs geben die Kolben 27, die sich aufeinanderzu bewegen, die Einweg-Absperrorgane 32 für den Lufteinlaß frei, sodaß Luft in das Innere der Zylinder 26 als Vorbereitung zu ihrer Verdichtung eintreten kann, wie oben beschrieben lsurde.During this stroke the pistons 27, which move towards each other, give the one-way shut-off devices 32 for the air inlet free, so that air into the interior of the Cylinder 26 may enter in preparation for their compression, as described above lsurde.

Während der Verbrennung des LuftX'Kraftstoff-Gelilisches hat der darin vorhandene Dampf die Wirkung, die erreichte maximale Verbrennungstemperatur auf einen Wert etwas unterhalb der kritischen Temperatur für die NOx Emission zu senken, während dieser Dampf- der unter Druck steht - gleichzeitig dazu dient, die zur Verfügung stehende Energie und Ausgangsleistung des Motors zu erhöhen.During the combustion of the LuftX'Fuel gelilisches in it existing steam has the effect on the reached maximum combustion temperature to lower a value slightly below the critical temperature for the NOx emission, while this steam - which is under pressure - also serves to the to increase the available energy and output power of the motor.

Aus thermodynamischen Berechnungen, bei denen ein Turbinentriebwerk mit einer Freikolbenmaschine des allgemeinen, oben beschriebenen Typs simuliert wiirde, wurde eine Reihe von Vergleichsergebnissen mit zu und ohne das Einspritzsystem für das gasförmige, fluide Medium nach der Erfindung erhalten. Bei jeder Simulation des Betriebszustandes wurden die folgenden Bedingungen und Annahmen beibehalten.From thermodynamic calculations involving a turbine engine simulated with a free piston machine of the general type described above a series of comparative results with and without the injection system was made obtained for the gaseous, fluid medium according to the invention. With every simulation The following conditions and assumptions were maintained for the operating state.

Der "Diesel" Zyklus war ein Doppelverbrennungszyklus (Dual Combustion cycle) mit maximaler Verdichtung = 112 kp/cm2 abs. (1600 psia).The "Diesel" cycle was a dual combustion cycle cycle) with maximum compression = 112 kp / cm2 abs. (1600 psia).

Variationen der Gaszusammensetzungen und der spezifischen Wärmon wurden berücksichtigt.Variations in gas compositions and specific heat were observed considered.

Der Kraftstoff war Oktan (das äquivalente Verhältnis für eingeschlossene Luft/Kraftstoff wäre für Gas/Öl näherungsweise 3% niedriger) Druckverlustfaktor = 1,2 Frequenz = 2330 Zyklen pro Min.The fuel was octane (the equivalent ratio for included Air / fuel would be approximately 3% lower for gas / oil) pressure loss factor = 1.2 frequency = 2330 cycles per min.

Verhältnis von eingeschlossener Luft/Kraftstoff = 35 Wirkungsgrad des Verdichters = 90% Wirkungsgrad der Turbine = 85% - 15 -Trockener, gesättigter Dampf von 6,3 kp/cm2 (90 psia) wurde mit Luft in dem Rohranschluß fiir die Luft (Zuführungsrohr 30 in Fig. 2) vollständig gemischt.Trapped air / fuel ratio = 35 efficiency of the compressor = 90% efficiency of the turbine = 85% - 15 - dryer, saturated steam of 6.3 kp / cm2 (90 psia) was supplied with air in the pipe connection the air (supply pipe 30 in Fig. 2) completely mixed.

Es ergaben sich die folgenden Resultate: Gesamtdampf/Kraftstoff-Verhältnis 0 4 Abgabedruckverhältnis 5 5,4 Gesamtwärmeverluste 4% 4% Kühlverluste vor der Spitzentemperatur O 0 Einfangtemperatur °C (°F) 288°C(550°F) 288°C (550°F) Verdichtungstemperatur °C (°F) 876°C(1610°F)860°C (1580°F) maximale Verbrennungstemperatur °C (°F) 1827°C(3320°F) 1681°C (3058°F) (Zulieferungsverhältnis) 2,16 2,0 Strömung der Luftmasse in kg/Min.(1b/min.) 15,65 kg/min.(34.5)14,5kg/min(32,0) Zuli eferungst emp eratur oC (°F) 5390C(10020F) 5370C (9980F) Thermischer Wirkungsgrad des Gases (%) 52,5 55,2 Gaspferdestärke 108 113,6 Gesamt-thermischer Wirkungsgrad (%) 44,6 46,9 Abgastemperatur der Turbine in oc (°F) (nach der Wärmetauschung) - 160 Oc (3200F) Aus den oben zusammengestellten Resultaten ergibt sich, daß in den interessierenden Bereichen wesentliche Verbesserungen möglich sind. Insbesondere steigt durch die Hinzuführung von Dampf in einem Dampf/Kraftstoff-Verhältnis von 4 das Zulieferungsdruckverhältnis, während die Verdichtungstemporatur und die maximale Verbrennungstemperatur sinken, letztere von 1827°C (33200F) auf 1681°C (3058 F). Dieser Abfall ist wesentlich, da die kritische Temperatur für die NO Emission unter diesen Bedingungen ungefähr 176c)0C (32000F) beträgt.The results were as follows: Total vapor / fuel ratio 0 4 Delivery pressure ratio 5 5.4 Total heat losses 4% 4% Cooling losses before the peak temperature O 0 Capture temperature ° C (° F) 288 ° C (550 ° F) 288 ° C (550 ° F) compression temperature ° C (° F) 876 ° C (1610 ° F) 860 ° C (1580 ° F) maximum combustion temperature ° C (° F) 1827 ° C (3320 ° F) 1681 ° C (3058 ° F) (delivery ratio) 2.16 2.0 Flow of air mass in kg / min. (1b / min.) 15.65 kg / min. (34.5) 14.5 kg / min (32.0) Delivery temp erature oC (° F) 5390C (10020F) 5370C (9980F) Gas thermal efficiency (%) 52.5 55.2 Gas horsepower 108 113.6 Overall thermal efficiency (%) 44.6 46.9 Exhaust gas temperature of the turbine in oc (° F) (after heat exchange) - 160 Oc (3200F) from the above compiled The results show that there are significant improvements in the areas of interest possible are. In particular, the addition of steam increases in a steam / fuel ratio of 4 the delivery pressure ratio, while the compression temperature and the maximum combustion temperature decrease, the latter from 1827 ° C (33200F) to 1681 ° C (3058 F). This drop is significant because it is the critical temperature for NO emissions is approximately 176c) 0C (32000F) under these conditions.

Damit fällt also Qie maximale Verbrennungstemperatur von einem Wert wesentlich über der kritischen Temperatur für die NOx Emission auf einen Wert eindeutig unter dieser Temperatur, wodurch eine Verringerung des Volumens an in den Abgasen emittierten Stickoxiden sichergestellt ist.Thus, Qie maximum combustion temperature falls from a value significantly above the critical temperature for the NOx emission to a value clearly below this temperature, thereby reducing the volume of in the exhaust gases emitted nitrogen oxides is ensured.

Ungeachtet des allgemeinen Absinkens der Betriebstemperatur des Motors durch die Hinzufügung von Dampf steigt jedoch der thermische Wirkungsgrad des Gases von 52,5 auf 55,2% und die Gaspferdestärken von 108 auf 113,6. Dadurch ergibt sich ein Anstieg des gesamten thermischen Wirkungsgrades des Turbinentriebwerks von 44,6 auf 46,9.Regardless of the general drop in engine operating temperature however, the addition of steam increases the thermal efficiency of the gas from 52.5 to 55.2% and the gas horsepower from 108 to 113.6. This results in an increase in overall turbine engine thermal efficiency of 44.6 to 46.9.

Schließlich sinkt die Abgastemperatur der Turbine von 299 0C (5700F) auf 2920C (5570F), wobei sich ein weiterer Abfall auf 1600C (3200F) nach dem Durchgang durch den Wärmetauscher ergibt.Eventually the turbine exhaust temperature drops from 299 0C (5700F) to 2920C (5570F), with another drop to 1600C (3200F) after passage results through the heat exchanger.

Die bei der oben erläuterten Simulation verwendete Freikolbenmaschine war von dem sogenannten "heißen" Typ, bei dem relativ hohe Brennkammertemperaturen verwendet werden.The free piston machine used in the simulation discussed above was of the so-called "hot" type, at the relatively high combustion chamber temperatures be used.

Diese Motoren benutzen sogenannte Labyrinthdichtungen, die keine Schmierung erfordern; deshalb muß keine Schmiermittelkühlung, beispielsweise durch Strömen einer Flüssigkeit oder von Luft um die Zylinder, durchgeführt werden Deshalb kann die Maschine bei einer höheren Temperatur als eine ähnliche, konventionell geschmierte und gekühlte Maschine betrieben werden.These motors use so-called labyrinth seals, which do not require any lubrication require; therefore there is no need for lubricant cooling, for example by flowing a liquid or air around the cylinder, therefore the machine at a higher temperature than a similar, conventionally lubricated and cooled machine can be operated.

Dadurch ergibt sich eine Steigerung des thermischen Wirkungsgrades und der Ausgangsleistung der Maschine und damit des gesamten Triebwerks; andererseits besteht jedoch die G@fahr, daß die Temperatur über die kritische Temperatur für die Emission von stickoxiden ansteigt.This results in an increase in the thermal efficiency and the power output of the engine and thus of the entire engine; on the other hand However, there is the G @ fahr that the temperature is above the critical temperature for the emission of nitrogen oxides increases.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß bei einer wassergekühlten Freikolbenmaschine, die in allen anderen Punkten der oben beschriebenen "heißen" Maschine ähnelt, die maximale Verbrennungstemperatur ungefähr 3687 C ( 3070°F) beträgt, während der gesamte thermische Wirkungsgrad ungefähr 39,6% ist. Durch die Einspritzung von Dampf beträgt die maximale Verbrennungstemperatur der "heißen" Maschine 1681°C (3058°F); d.h. also, daß sie geringer ist als die der wassergekühlten Maschine; der thermische Wirkungsgrad beträgt jedoch 46,9, also ein wesentlicher Anstieg von 7,3% im Vergleicn mit dem Wirkungsgrad der wassergekühlten Maschine; dabei wird auch nier die "heiße" Maschine noch bei einer Temperatur betrieben, die unter der kritischen Temperatur für die Emission von Stickoxiden liegt.It should be noted that with a water-cooled free piston machine, which in all other respects resembles the "hot" machine described above, the maximum combustion temperature is approximately 3687 C (3070 ° F) during the entire thermal efficiency is approximately 39.6%. Due to the injection of steam amounts to the maximum combustion temperature of the "hot" engine is 1681 ° C (3058 ° F); i.e. that is, that it is less than that of the water-cooled machine; the thermal However, efficiency is 46.9, i.e. a significant increase of 7.3% in comparison with the efficiency of the water-cooled machine; the "hot" one is also never Machine still operated at a temperature below the critical temperature for the emission of nitrogen oxides lies.

Es ergibt sich also, daß durch die vorliegende Erfindung eine wesentliche Verbesserung der herkömmlichen Gasturbine vorgeschlagen wird, deren Vorteile sowohl die Industrie als auch die Öffentlichkeit nutzen können, da ein damit ausgestattetes Gasturbinen-Triebwerk einen besseren Wirkungsgrad bei niedrigeren Abgastemperaturen nat, sodaß die Verunreinigungen durch Stickoxide wesentlich verringert werden.It can therefore be seen that the present invention has an essential Improvement of the conventional gas turbine is proposed, its advantages both the industry as well as the public can use it as an equipped Gas turbine engine has better efficiency at lower exhaust gas temperatures nat, so that nitrogen oxide pollution is significantly reduced.

-Patentansprüche- -Patent claims-

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e U gas turbine engine, marked by a gas turbine (io) with a gas inlet device (11) and a gas outlet device (15), by a combustion gas generator with an inlet port for compressed Air, with a supply line connected therewith for the compressed Air and with an outlet device for the combustion gas connected to the gas inlet device (11) for the turbine (10) in connection, and through a heat exchanger (19) with primary and secondary circuits (19a, 19b), with the primary circuit communicates with the gas outlet device of the turbine (io), while the secondary Circuit between a source of a pressurized liquid fluid Medium that during passage through the secondary circuit through the turbine exhaust gas is vaporized in the primary circuit, and a device is switchable to the fluid medium in vapor form in the supply line for the compressed air of the Inject generator.

2. turbine engine according to claim 1, characterized in that the gaseous fluid medium is Zmpf.

3. Gas turbine drive mechanism according to one of claims 8 or 2, characterized characterized in that the combustion gas generator is a free piston gas generator

4. Gas turbine engine, characterized by a gas turbine (io) with a gas inlet device (11) and a gas outlet device (15), with a free piston gas generator a combustion chamber defined by a cylinder (21) and the opposite surfaces a pair of free-acting machine pistons (22) movable in the cylinder (21) is formed by a combustion gas outlet opening for the combustion chamber, which is in communication with the gas inlet device (11) of the turbine (10) a compressor having first and second compressor cylinders each one therein have movable compressor piston, which is used to carry out a sliding movement are connected to the respective machine piston, through compressor cylinders, the having an air inlet device and an outlet device for compressed air are provided, wherein the Breflrilcammer an inlet port for compressed air and means (23) for introducing combustible fuel into the chamber to be injected through a compressed air supply line leading to the outlet means for the compressed air, the compressor cylinder with the inlet opening for the compressed air Air connects the combustion chamber, and through a heat exchanger (19) with primary and secondary Circuits (19a, 19b), the primary circuit communicates with the gas outlet device of the turbine (io) and the second Circuit between a source of a pressurized liquid, fluid Medium that during passage through the secondary circuit through the turbine exhaust gas is evaporated in the primary circuit, and a device is switchable to inject the fluid medium in vapor form into the supply line for the compressed air.

5. Gas turbine engine according to claim 4, characterized in that the gaseous fluid medium is steam.

6. Method for improving the efficiency of a gas turbine engine with a gas turbine, a gas inlet device and a gas outlet device having, and with a combustion gas generator having an inlet port for compressed Air, an associated supply line for compressed air and an outlet means communicating with the gas inlet means of the turbine for the combustion gas, characterized in that the turbine (10) released gases passed through a primary circuit of a heat exchanger (19) be that a liquid, fluid medium under pressure through a secondary circuit of the heat exchanger (19) in thermal contact with the primary circuit is to the fluid medium evaporate, and that the gaseous fluid medium in the supply line for the compressed air of the combustion gas generator is injected.

7. The method according to claim 6, characterized in that as a gaseous fluid medium steam is used.

8. The method according to any one of claims 6 or 7, characterized in that that of the turbine exhaust gases at least a part of the secondary circuit of the Heat exchanger (19) supplied liquid fluid medium is condensed.