DE2649938C2 - Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

gekennzeichnet durch eine Verbrennungseinrichtung (24) mit

d) einem durch die Turbinenabgase beheizten Überhitzer (32) für die verdampfte Kühlflüssigkeit;

e) einer Vorni-schkammer (31) für Brennstoff und den überhitzten KüWflüssigl: "itsdampf;

f) einer an die Vormischhammer (31) angeschlossenen Mischkammer (33) zur Beimischung von verdichteter Luft;

g) einem an die Mischkammer (33) angeschlossenen Primärbrennkammerteil (54), dem ebenfalls verdichtete Luft zuführbar ist; und

h) einem von dem Primärbrennkammerteil (54) durch eine Einschnürung (55) abgesetzten Sekundär-Brennkammerteil (56), dem ebenfalls verdichtete Luft zuführbar ist; und durch einen dem Überhitzer (32) abgasseitig nachgeschalteten Abgaswärmetauscher (20) zur Vorwärmung der verdichteten Luft vor deren Eintritt in die Verbrennungseinrichtung (24).

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit Wasser ist.

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit ein Gemisch aus Wasser und Methanol ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage, insbes. für Kraftfahrzeuge, mit flüssigkeitsgekühltem Turbinenrotor.

Um die Leistungsabgabe und den Wirkungsgrad von Gasturbinenanlagen zu erhöhen, ist es erwünscht, sie mit möglichst hohen Turbineneinlaßtemperaturen zu betreiben. Diese Temperaturen sind auf einen Bereich von 1000 bis 1100°C begrenzt, hauptsächlich wegen der Temperaturgrenzen der Metallegierungen, die für die rotierenden Teile verwendet werden. Höhere Pinlaßtemperaturen können angewendet werden, wenn die Turbinenschaufeln einwandfrei gekühlt werden können. Bei größeren Turbinenanlagen läßt sich eine Luftkühlung der Schaufeln erreichen, bei kleineren Turbinenanlagen haben die Schaufeln jedoch eine erheblich geringere Dimension und eine nicht ausreichende Metplldicke, um Luftkühlkanäle ausreichender Größenabmessung vorzusehen. Die Wasserkühlung von Turbinenschaufeln ist bisher bei großen, stationären Energieerzeugungsanlagen erfolgreich durchgeführt w.-rden.

ίο Um jedoch einen zu hohen Wasserverbrauch zu vermeiden, war es notwendig, das Kühlwasser zu kondensieren und wieder in Umlauf zu setzen. Bei kleineren Gasturbinenanlagen, insbes. in Kraftfahrzeugen, ist die Aufnahme eines Kondensations- und

Umlaufsystems praktisch nicht durchführbar.

Aus der US-PS 38 26 080 ist eine Verbrennungseinrichtung für eine Hochtemperatur-Gasturbinenanlage bekannt, bei der eine erste Mischkammer mit der Brennstoffquelle und einer Leitungsanordnung zum Mischen des Brennstoffs und der Kühlflüssigkeit verbunden ist. Des weiteren ist eine zweite Mischkammer vorhanden, die den Inhalt der ersten Mischkammer und des Kreislaufströmungsmittels aus dem Kompressor zum Verdampfen und Mischen des Brennstoffes und des Kühlflüssigkeitsgemisches aufnimmt. Dabei kann sowohl Wasser als auch Dampf mit Brennstoff gemischt werden.

Des weiteren ist aus der DE-PS 9 09 268 eine Gasturbinenanlage bekannt, die einen an dem einen

ίο Ende einer ihn durchdringenden Hohlwelle befestigten Verdichterrotor, eine Brennkammer zum Erzeugen von Verbrennungsgas aus ihr zugeführtem Brennstoff und verdichteter Luft sowie einen flüssigkeitsgekühlten, am anderen Ende der Hohlwelle angeordneten Turbinenro-

J5 tor aufweist, der durch die Verbrennungsgase antreibbar ist, wobei die Kühflüssigkeit, die dem Inneren des Turbinenrotors durch die Hohlwelle zuführbar ist, dort verdampft wird und den Turbinenrotor durch eine an dessen hinterem Ende entlang der Drehachse des Turbinenrotors angeordnete Leitung verläßt, durch weitere, aus der Gasturbinenanlage aWührbare Wärme überhitzt wird und in einer Turbine arbeitsleistend entspannt wird. Bei dieser Gasturbinenanlage handelt es sich um einen geschlossenen Kühlkreislauf für die Innenkühlung von Gasturbinenschaufeln. Das Kühlmittel tritt aus der Turbine zum Kondensieren und Zirkulieren in Innenkanäle innerhalb der Turbinenschaufeln aus, es wird beim Verlassen der Turbinenschaufeln jedoch nicht beheizt und nicht dazu

w verwendet, die Vergasung des Brennstoffs in einer Verbrennungseinrichtung zu unterstützen. Das Kühlsystem mit geschlossenem Kreislauf schließt vielmehr eine solche Heiz- bzw. Vergasungsfunktion des Kühlmittels aus.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Leistungsabgabe und den Wirkungsgrad von Gasturbinenanlagen relativ kleiner Leistung zu erhöhen und die Turbine mit möglichst hohen Einlaßtemperaturen zu betreiben, indem die Turbinenschaufeln gekühlt werden. Da bei kleineren Gasturbinenanlagen ein Kondensator- oder Umläüfsystem für das Kühlmittel praktisch nicht in Frage kommt, soll die Turbine mit einem Kühlmittel gekühlt werden, das in den Dampfzustand übergeführt wird, wobei das dampfförmige Kühlmittel zur Unter-

Stützung der Brennstoffvergasung verwendet wird.

Gemäß der Erfindung wird dies bei einer gattungsgemäßen Gasturbinenanlage durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 erreicht.

26 49 933

Weitere Msrkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Zusätzlich dazu, daß die Verwendung von Wasserdampf die Flammenteinperatur in einem Brenner verringert, so daß die Emission von Siickstoffoxyden ht-Tubgesetzt wird, bewirkt die Vermischung des überhitzten Dampfes und des Brennstoffes eine Verbesserung der Brennstoffvergasung. Der Dampf wird mit Hilfe eines Wärmetauschers überhitzt, der zwischen den Wasserauslaß des Turbinenrotors und den Brenner eingeschaltet ist. Die Verbesserung der Brennstoffvergasung durch Überhitzen des Dampfes und Mischen des überhit7ten Dampfes mit Brennstoff erfolgt vor der Zerstäubung mit Luft

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt

F i g. I eine schematische Darstellung der Gasturbinenanlage nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Schnitt durch die Verbrennungseinrichtung nach F i g. 1,

F i g. 3 eine Teilschnittansicht der Turbine nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Anlage mit einer Hohlwelle 10 gezeigt, die drehbar um eine Achse X-Xgelagert ist. Mit der Hohlwelle 10 ist ein Verdichter 12 verbunden, der in Fig. 1 als Zentrifugalverdichter dargestellt ist, ferner eine Turbine 14, die als Radialeinlaßturbine dargestellt ist. Luft tritt in den Einlaß zum Motor (nicht dargestellt) ein und wird von dem Verdichter 12 komprimiert und von dem Verdichter in den Diffusor 16 abgegeben. Von dem Diffusor wird die Luft über eine Leitung i8 in einen Abgaswärmetauscher 20 geführt. Der Auslaß aus dem Abgaswärmetauscher 20, der durch die Leitung 22 dargestellt ist, verbindet den Abgaswärmetauscher mit einer Verbrennungseinrichtung 24. Die Verbrennungseinrichtung wird mit Brennstoff über eine Leitung 26 aus einer nicht dargestellten Quelle gespeist. Die komprimierte Luft wird in der Verbrennungseinrichtung erhitzt und in die Turbine 14 am Turbineneiniaß 29 abgegeben. Der Auslaß aus der Turbine wird in die Leitung 30 gegeben, die das Auslaßgas über einen Überhitzer 32 in den Abgaswärmetauscher 20 führt. Von dort erfolgt die Abgabe über die Leitung 34.

Die Kühlflüssigkeit für die Turbine 14, in vorliegendem Falle Wasser, wird in die Anlage durch die Hohlwelle 10 eingeführt, die die rotierenden Teile des Motors aufnimmt. Das Wasser wird durch die Welle in den Hohlraum 36 innerhalb der Turbinennabe geleitet. Von dem Hohlraum 36 gehen strahlenförmig eine Reihe von Kühlkanälen 38 aus, die sich von der Nabe in die Schaufelteile des Turbinenrotors erstrecken. Das Wasser wird durch die heißen Turbinenrotorflächen erhitzt, verdampft und über die Rückseite des Turbinenrotors durch den Auslaß 40 abgegeben. Dann wird es über die Leitung 42 in den Überhitzer 32 geführt. Von dem Überhitzer wird es mit Hilfe der Leitung 44 in die Verbrennuiigsein,ii;htung 24 gegeben, wo sie in der nachstehend beschriebenen Weise ausgenutzt wird.

In Fig.2 ist eine Schnittansicht durch die Verbrennungseinrichtung 24 der Fig. 1 gezeigt. In die Verbrennungseinrichtung wird über die Leitung 26 Brennstoff eingespeist und in eine Vormischkammer 3i über eine Düse 2E eingeführt. Darrpf aus dem Überhitzer wird in die Verbrennungseinrichtung mit Hilfe der Leitung 44 πι die Vormischkammer 31 eingeführt, wo sie mit Brennstoff gemischt wird. Das

Brennstoff-Dampf-Gemisch. -Aircj dan.! in eine Mischkammer 33 eingeführt, wo sie n.ii Luft aus den. •'Sbisnswärmetauscher 20 gemischt wird, welche in die Verdampfungskammer über die Öffnungen 34 in der Wandung der Verbrennungseinrichtung zusammen rast dem in Umlauf gesetzten Gas aus deim Primär-Brennkammerteil 54 eintritt.

Primärluft aus dem Verdichter 12 wird von dem Abgaswärmetauscher 20 über die Leitung 22 aufgenomrnen und in die Verbrennungseinrichtung eingeführt. Ein Teil der Luft aus der Leitung 22 tritt in eine toroidförmige Kammer 46 ein, die den Verbrennungsbereich der Verbrennungseinrichtung darstellt. Luft aus dieser Kammer wird in die zweite Mischkammer 48 mit Hilfe von Öffnungen 50 in der Wandung eingeführt. Sekundärluft tritt in die Verbrennungseinrichtung aus der Leitung 22 über Öffnungen 52 ein, die direkt mit der Leitung 22 auf einer Seite und mit der ioroidfönnigen Kammer 4€ auf der anderen Seite in Verbindung stehen. Das Brennstoff-Dampf- und Luftgeuisch wird vergast und in dem Primärbrennkarnmerteii 5·» gezündet, wo es in einer brennstoffreichen Atmosphäre in dieser Primärverbrennungszone verbrennt. Zwischen den beiden Verbrennungszonen ist eine Einschnürung 55 vorgesehen, damit ein Teil des brennstoffreichen Gemisches über die Öffnung 34 in die Mischkammern 33 und 48 in Umlauf gesetzt wird. Dieses in Umlaufsetzen von Luft bei einer Temperatur von etwa 700° C unterstützt die Vergasung des Luft-B?ennstoff-Gemisches. Dieses Gemisch wird dann im Sekundärbrennkammerteil 56 durch über die öffnungen 52 in die Kammer eintretende Luft verdünnt Eine Sekundärverbrennung tritt in der Kammer 56 in magerer Luft-Brennstoff-Atmosphäre ein, die die Verringerung von nachteiligen Emissionen unterstützt.

In Fig. 3 ist eine Teilschnittansicht von Einzelheiten der Turbine 14 dargestellt. Wasser wird durch die Hohlwelle 10 eingeführt und tritt in die Kammei 36 in der Nabe der Turbine über öffnungen ein, die um ein Absperrglied 58 herum angeordnet sind. Das Wassergemiscii wird durch Zentrifugalkraft in die öffnungen 38 der Turbinenschaufeln gepreßt und strömt zum äußeren Ende dieser Öffnungen. Das Wassei wird in diesen Öffnungen verdampft und der Dampf, der durch die gleichen Öffnungen zurückgeführt wird, wird dann über die Leitung 40 auf der Auslaßseite der Turbine abgegeben. Die Verwendung eines Überhitzers stellt eine praktische, wahlweise Möglichkeit für den Aufbau der dargestellten Ausführungsform dar. Es kann hierfür ein Wärmetauscher bekannter Art verwendet werden. Damit jedoch die hohe Abgabegastemperatur ausgehalten werden kann, muß der Wärmetauscher aus teuren Suoerhg'erungen hergestellt sein. Die Verwendung des Überhitzers hat zwei Vorteile. Einmal wird die gesamte, dem Dampf innewohnende Energie in den Zyklus zurückgeführt; bei Verwendung eines herkömmlichen Wärmetauschers würde ein Teil der Energie verlorengehen, da derartige Vorrichtungen einen Wirkungsgrad kleiner als 100% haben. Des weiseren kann der Übe^rhitzer aus gewöhnlicheren Metallen und auf diese Weise mit niedrigeren Kosten hergesteiilt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage handelt es sich somit um eine Hochtemperaturgasturbinenanlage, die bei einem modifizierten offenen Bray:on Zyklus unter Zugsbe von Wasser oder Wasser und Methanol an den Motor zur Kühlung der Turbine betrieben wird, wobei dieses Strömungsmittel in der Verbrennungseinrichtung wcfrvcrarbeitet wir,', um

die Vergasung des Brennstoffes zu unterstützen, die Flammentemperatur der Verbrennungseinrichtung zur günstigen Emissionskorrektur zu verringern und die spezifische Leistung des Motors durch Erhöhung des Durchsatzes durch den Motor zu erhöhen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Gasturbinenanlage, insbesondere Tür Kraftfahrzeuge, mit

a) einem Verdichterrotor, der an dem einen Ende einer ihn durchdringenden Hohlwelle befestigt ist;

b) e^:ncr Brennkammer zum Erzeugen von Verbrennungsgas aus ihr zugeführtem Brennstoff und verdichteter Luft; und

c) einem flussigkeiisgekühlten, am anderen Ende der Hohlwelle angeordneten Turbinenrotor, der durch die Verbrennungsgase antreibbar ist und wobei die Kühlflüssigkeit, die dem Innern des Turbinenrotors durch die Hohlwelle zuführbar ist, dort verdampft wird und den Turbinenrotor durch eine an dessen hinterem Ende entlang der Drehachse des Turbinenrotors angeordceie Leitung verläßt, durch weitere aus der Gasturbinenanlage abführbare Wäime überhitzt wird und in einer Turbine arbeitsleistend entspannt wird,