DE2731387A1

DE2731387A1 - Exhaust gas feedback for gas turbines - has feedback rate determined by combination of air compressor intake and turbine intake temp.

Info

Publication number: DE2731387A1
Application number: DE19772731387
Authority: DE
Inventors: Ernest Robert Earnest
Original assignee: HYDRAGON CORP
Current assignee: HYDRAGON CORP
Priority date: 1976-07-19
Filing date: 1977-07-12
Publication date: 1978-01-26
Also published as: JPS5313014A

Abstract

Heat from the turbine exhaust gases is used in a heat exchange system (28) to vapourise an organic working medium, which is then used to drive a closed cycle turbine (34). Part of the exhaust gas is extracted after it has left the heat exchanger, from the exhaust pipe (30) and fed to a mixing valve (16). The mixing valve (16) is located upstream to the compressor (14) and returns some of the turbine exhaust gas corresponding to signals received from a regulator unit (58) which receives environment dependent temp. signals (60) the gas mixture temp. at compressor inlet (62) as well as the turbine inlet temp (52). The regulator logic circuit works on the basic difference between the gas mixture temp. and air intake temp. (62, 60) independent from the turbine inlet temp. (52).

Description

Gasturbinen-Kraftmaschine mit Gas turbine engine with

Abgas-Rezirkulation Die vorliegende Erfindung betrifft Gasturbinen-Kraftmaschinen, die nach dem integrierten kombinierten Brayton-Rankine-Kreisprozeß arbeiten, und befaBt sich insbesondere mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur gesteuerten Rezirkulation der Maschinenabgase, um den thermischen Wirkungsgrad zu erhöhen, den Luft-liassenstrom der Kraftmaschine zu verringern und die Emission unerwünschter Schadstoffe zu reduzieren. Exhaust Gas Recirculation The present invention relates to gas turbine engines, which operate according to the integrated combined Brayton-Rankine cycle, and is concerned in particular with a method and a device for controlled Recirculation of the engine exhaust gases to increase the thermal efficiency, the Air-let flow of the engine to reduce and the emission is undesirable Reduce pollutants.

Gasturbinen-Kraftmaschinen werden heutzutage für immer mehr Anwendungsbereiche sinschlieBlich des Antriebs für Kraftfahrzeuge und andere Fahrzeuge entwickelt. Bei vielen dieser Anwendungen ist es erforderlich, daB die Kraftmaschine über einen groBen Leistungsbereich zufriedenstellend und mit hohem Wirkungsgrad arbeitet.Gas turbine engines are being used for more and more applications today including propulsion for motor vehicles and other vehicles. Many of these applications require that the prime mover have a works satisfactorily over a large power range and with a high degree of efficiency.

Bei Teillastbetrieb ist ein hoher thermischer Wirkungsgrad von besonderer Bedeutung.In partial load operation, a high thermal efficiency is particularly important Meaning.

Bei herkömmlichen Gasturbinen-Kraftmaschinen ist der thermische Wirkungsgrad bei geringeren Leistungswerten niedriger als bei den maximalen Leistungswerten. Entweder muß das Druckverhältnis des Kreisprozesses, die Höchsttemperatur des Kreisprozesses oder beide verringert werden, um die Leimung zu verringern. Es ist daran gedacht worden, die Verdichter-Einlaßtemperatur bei herkömmlichen Wärmemaschinen durch Rezirkulation der Abgase zu vergrößern, was eine Möglichkeit darstellen würde, den Leistungspegel der Kraftmaschine zu verringern, ohne die Höchsttemperatur des Kreisprozesses zu verringern. Dies würde jedoch die Maschinenarbeit in Gasturbinen-Kraftmaschinen verringern, indem sowohl der Massenstrom wie auch das Druckverhältnis verringert würde . Dies wiederum hätte einen geringeren thermischen Wirkungsgrad zur Folge, da das niedrigere Druckverhältnis einen größeren Druckverlust bei den Abgasen bewirkt.In conventional gas turbine engines, thermal efficiency is with lower performance values lower than with the maximum performance values. Either the pressure ratio of the cycle, the maximum temperature of the cycle or both can be decreased to reduce sizing. It is thought of the compressor inlet temperature in conventional heat engines by recirculation of the exhaust gases, which would be a way to increase the power level of the engine without increasing the maximum temperature of the cycle to decrease. However, this would do the machine work in gas turbine engines decrease by reducing both the mass flow rate and the pressure ratio would . This in turn would result in a lower thermal efficiency, because the lower pressure ratio causes a greater pressure loss in the exhaust gases.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, Gasturbinen-Kraftmaschinen zu verwenden, die nach einem integrierten kombinierten Brayton-Rankine-Kreisprozeß arbeiten. Solche Kraftmaschinen sind in den US-Anmeldungen Serial No. 439 149 vom 4. Februar 1974 und Serial No. 532 747 vom 16. Dezember 1974 der Anmelderin beschrieben. Bei diesen Kraftmaschinen empfängt eine Hauptleistungsturbine, die nach dem Brayton-Kreisprozeß arbeitet, ihre Luft von einem Verdichter, der unmittelbar von einer zweiten Turbine angetrieben wird, die Teil der Leistungsausgangskomponente eines nach dem Rankine-Kreisprozeß arbeitenden Systems bildet. Das Rankine-System empfängt seine Wärmeenergie von den Abgasen der Hauptleistungsturbine.It has already been proposed to use gas turbine engines use that according to an integrated combined Brayton-Rankine cycle work. Such prime movers are described in U.S. application serial no. 439 149 of February 4, 1974 and Serial No. 532,747 of December 16, 1974 by the applicant. In these prime movers, a main power turbine receives, which is based on the Brayton cycle works, its air from a compressor, which is directly from a second turbine which is part of the power output component of a Rankine cycle working system. The Rankine system receives its thermal energy from the exhaust gases from the main power turbine.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Gasturbinen-Kraftmaschinen, die insbesondere nach dem integrierten kombinierten Brayton-Rankine-KreisprozeX arbeiten, zu verbessern. Die Erfindung ist in den Ansprüchen näher gekennzeichnet.The present invention is based on the object of gas turbine engines, those in particular according to the integrated combined Brayton-Rankine cycle process work to improve. The invention is further characterized in the claims.

Bei der Verwendung einer kombinierten Brayton-Rankine-Kraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Kraftmaschine bei verringerter Leistung zu betreiben, die Einlaßtemperatur zu erhöhen und gleichzeitig den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern.When using a combined Brayton-Rankine engine according to the present invention, it is possible to run the engine at reduced To operate power, increase the inlet temperature and at the same time increase the thermal Improve efficiency.

Dies kann durch die kontrollierte Rezirkulation eines Teils der Abgas erreicht werden. Eine Rezirkulation der Abgase verringert außerdem die Menge der Schadstoffe, die von der Kraftmaschine emittiert werden, was für Fahrzeuganwendung notwendig ist.This can be done through the controlled recirculation of part of the exhaust gas can be achieved. Recirculation of the exhaust gases also reduces the amount of Pollutants emitted by the engine, what for vehicle application necessary is.

Durch die Erfindung werden somit die typischen Gasturbinennachteile reduzierter Druckwerte und reduzierter thermischer Wirkungsgrade bei verringerten Laistungspegeln vermieden. Die Emission unerwünschter Schadstoffe insbesondere Stickstoffoxide aus (3asturbinen"Kraftmaschinen wird verringert. Durch die Erfindung wird ferner eine konstruktive Lösung sowie eine Steuereinrichtung für solch eine Kraftmaschine angegeben.The invention thus eliminates the typical gas turbine disadvantages reduced pressure values and reduced thermal efficiency with reduced Power levels avoided. The emission of undesirable pollutants, especially nitrogen oxides from (3asturbinen "engine is reduced. The invention also a constructive solution and a control device for such an engine specified.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer kombinierten Brayton-Rankine-Kraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer Steuereinrichtung für die Rezirkulation von Abgasen; Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Rezirkulation von Abgasen gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 4 ein Diagramm, in dem die Abgas-Rezirkulation und das Brennstoff/Luft-Gesamtverhältnis über dem Prozentsatz der Maschinenleistung hinsichtlich eines Ausführungsbeispiels der Erfindung aufgetragen ist; Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftmaschine; Fig. 6 und 7 weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with the aid of the drawings explained. It shows: Fig. 1 is a schematic diagram of a combined Brayton-Rankine engine according to the present invention; Fig. 2 is a schematic Diagram of a control device for the recirculation of exhaust gases; Fig. 3 is a diagram to illustrate the recirculation of exhaust gases according to the present invention; 4 is a diagram in which the exhaust gas recirculation and the total fuel / air ratio over the percentage of machine power in terms of an embodiment the invention is applied; Fig. 5 shows an embodiment of an inventive Power machine; 6 and 7 further exemplary embodiments of the invention.

Bevor auf die Zeichnungen im einzelnen eingegangen wird, ist es zweckmäßig, die Theorie, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, etwas zu erläutern. Wie bereits eingangs erwähnt, ist bei Gasturbinen-Kraftmaschinen ein hoher thermischer Wirkungsgrad bei Teillast-Betriebszuständen wichtig. Normalerweise ist der thermische Wirkungsgrad solcher Kraftmaschinen bei reduzierten Leistungswerten niedriger als bei maximaler Leistung; dies deshalb, weil das Druckverhältnis und/oder die Höchsttemperatur des Kreisprozesses verringert werden muß, um die Leistung zu reduzieren.Before going into detail on the drawings, it is advisable to to explain the theory on which the present invention is based. As already mentioned at the beginning, there is a high thermal value in gas turbine engines Efficiency is important in part-load operating conditions. Usually the thermal Efficiency of such prime movers at reduced Performance values lower than at maximum power; this is because the pressure ratio and / or the maximum temperature of the cycle must be reduced in order to increase the performance to reduce.

Eine Möglichkeit, die Maschinenleistung zu reduzieren, ohne die Höchsttemperatur des Kreisprozesses zu verringern, besteht darin, die Verdichter-Einlaßtemperatur T1 zu erhöhen. Bekanntlich kann bei herkömmlichen Wärmemaschinen T1 durch eine Rezirkulation der Abgase erhöht werden. Bei einer Kraftmaschine, die mit konstanter Drehzahl läuft und deren Turbinen-Einlaßtemperatur T2 beträgt, sind das Druckverhältnis des Kreisprozesses und der Massenstrom umgekehrt proportional der absoluten Einlaßtemperatur T1. Eine erhöhte Einlaßtemperatur verringert somit die Haschinenarbeit, indem sowohl der Massenstrom wie auch das Druckverhältnis verringert wird.A way to reduce machine power without the maximum temperature of the cycle is to decrease the compressor inlet temperature Increase T1. It is known that T1 can be achieved by recirculation in conventional heating machines the exhaust gases are increased. In a prime mover that runs at constant speed and whose turbine inlet temperature is T2, are the pressure ratio of the cycle and the mass flow inversely proportional to the absolute inlet temperature T1. One increased inlet temperature thus reduces machine work by both of the Mass flow as well as the pressure ratio is reduced.

Bei herkömmlichen Brayton-Gasturbinen-Kraftmaschinen hat eine Erhöhung der EinlaBtemperatur einen niedrigeren thermischen Wirkungsgrad zur Folge. Das niedrigere Druckverhältnis, das durch die Erhöhung der Einlaßtemperatur verursacht wird, hat einen höheren Energieverlust in den Abgasen zur Folge. Die Abgastemperatur wird durch folgende Gleichung gegeben: Hierin bedeuten T2 die Turbinen-Einlaßtemperatur, PR das Druckverhältnis und rdas das spezifische Wärmeverhältnis.In conventional Brayton gas turbine engines, increasing the inlet temperature results in lower thermal efficiency. The lower pressure ratio caused by the increase in inlet temperature results in higher energy loss in the exhaust gases. The exhaust gas temperature is given by the following equation: Here, T2 is the turbine inlet temperature, PR is the pressure ratio and r is the specific heat ratio.

Es wurde nun überraschenderweise festgestellt, daß bei einer kombinierten 3rayton-Rankine-Kraftmaschine, die bei reduzierter Leistung arbeitet, eine Erhöhung der Einlaßtemperatur eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades der Kraftmaschine zur Folge hat. Bei der kombinierten Kraftmaschine werden die den Brayton-Kreisprozeß verlassenden Gase abgezogen, um den Rankine-Kreisprozeß zu betreiben.It has now been found, surprisingly, that in a combined 3rayton Rankine prime mover operating at reduced power, an increase the inlet temperature an improvement in the thermal efficiency of the engine has the consequence. In the combined engine, these become the Brayton cycle withdrawn leaving gases to operate the Rankine cycle.

Eine Erhöhung der Auslaßtemperatur T3 der Brayton-Turbine bedeutet nicht notwendigerweise eine höhere Geschwindigkeit der Wärmeabgabe der Gesamtmaschine. Die minimale Temperatur des Wärmeschildes (minimum temperature heat sink) innerhalb des kombinierten Kreisprozesses ist eine Funktion der Kondensatortemperatur des Rankine-Kreisprozesses. Da die Kondensatortemperatur nicht unmittelbar von der Verdichter-Einlaßtemperatur beeinflußt wird, ist die Endtemperatur TE der Abgase somit unabhängig von der Einlaßtemperatur.An increase in the outlet temperature T3 of the Brayton turbine means not necessarily a higher rate of heat dissipation from the overall machine. The minimum temperature heat sink within of the combined cycle is a function of the condenser temperature of the Rankine cycle. Because the condenser temperature is not directly related to the compressor inlet temperature is influenced, the final temperature TE of the exhaust gases is thus independent of the inlet temperature.

Der Wirkungsgrad jeder Wärmemaschine läßt sich ausdrücken durch folgende Gleichung: Wirkungsgrad I wirkliche Arbeit/twirkliche Arbeit + abgegebene Wärme).The efficiency of any heat engine can be expressed as follows Equation: efficiency I real work / t real work + dissipated heat).

Für eine kombinierte Kraftmaschine wird die Wirkungsgradgleichung: Wirkungsgrad r (WB + WR)/(WB + WR + aB + hierin bedeuten WB die wirkliche Arbeit des Brayton-Kreisprozesses, WR die wirkliche Arbeit des Rankine-Kreisprozesses, QB die abgegebene Wärme des Brayton-Kreisprozesses und QR die abgegebene Wärme des Rankine-Kreisprozesses. Ein Temperatur-Entropie-Diagramm einer bei zwei verschiedenen Einlaßtemperaturen arbeitenden idealen Kraftmaschine mit einem kombinierten Kreisprozeß, in dem W6, WRt Q und QR aufgetragen sind, würde zeigen, daß die von dem Brayton-Kreisprozeß abgegebene Wärme reduziert wird für den Fall der höheren Einlaßtemperatur. Wenn gleich etwas mehr Wärme durch den Rankine-Kreisprozeß bei der höheren Einlaßtemperatur abgegeben wird, ist Jedoch das Gesamtergebnis eine insgesamt niedrigere Wärmeabgabe bei konstanter wirklicher Arbeit.For a combined engine, the efficiency equation becomes: Efficiency r (WB + WR) / (WB + WR + aB + here WB mean the real work of the Brayton cycle, WR the real work of the Rankine cycle, QB the heat given off by the Brayton cycle and QR the heat given off by the Rankine cycle. A Temperature-entropy diagram of one operating at two different inlet temperatures ideal engine with a combined cycle in which W6, WRt Q and QR plotted would indicate that the heat given off by the Brayton cycle is reduced in the case of the higher inlet temperature. If a little more Heat is given off by the Rankine cycle at the higher inlet temperature, However, the overall result is an overall lower heat output at a constant rate real work.

Der thermische Wirkungsgrad des Kreisprozesses bei der höheren EinlaB-temperatur ist daher der höchste. Die Rezirkulation der Abgase zur Erhöhung der Einlaßtemperatur in einer Kraftmaschine mit kombiniertem Kreisprozeß erhöht somit den thermischen Wirkungsgrad der Kraftmaschine.The thermal efficiency of the cycle at the higher inlet temperature is therefore the highest. The recirculation of the exhaust gases to increase the inlet temperature in an engine with a combined cycle process thus increases the thermal Engine efficiency.

Die Bedingungen, bei denen eine Vergrößerung des Wirkungsgrades auftreten, sind gegeben, wenn die Turbinen-Einlaßtemperatur propsortional zu der Erhöhung der Verdichter-Einlaßtemperatur zunehmen kann und wenn die Verdichterdrehzahl größer werden kann, um das Druckverhältnis aufrechtzuerhalten. Die Erhöhung des Wirkungsgrades des Kreisprozesses steht daher nur bei Teillast zur Verfügung, wenn die Turbinen-Einlaßtemperatur und die Verdichterdrehzahl unterhalb der zulässigen Höchstwerte liegen.The conditions under which an increase in efficiency occurs, are given when the turbine inlet temperature is proportional to the increase in Compressor inlet temperature can increase and as the compressor speed increases can be used to maintain the pressure ratio. The increase in efficiency of the cycle is therefore only available at partial load if the Turbine inlet temperature and the compressor speed is below the maximum permissible values.

Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen. Die Grundkomponenten der Kraftmaschine und der Steuerungseinrichtung sind in Fig. 1 gezeigt; die Kraftmaschine ist mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet.Reference is now made to the drawings. The basic components the engine and controller are shown in Figure 1; the prime mover is denoted by the reference numeral 10.

Luft gelangt in die Kraftmaschine 10 durch einen Einlaßkanal 12 und wird von einem Verdichter 14 auf einen Druck von mehreren Atmosphären verdichtet. Ein Mischventil 16 ist in dem EinlaBkanal 12 angeordnet und steuert die Rezirkulation eines Teiles der Abgase in die Kraftmaschine 10, wie weiter unten noch beschrieben wird.Air enters the engine 10 through an intake port 12 and is compressed by a compressor 14 to a pressure of several atmospheres. A mixing valve 16 is arranged in the inlet channel 12 and controls the recirculation a portion of the exhaust gases into the engine 10, as will be described below will.

Von dem Verdichter gelangt die Hochdruckluft in eine Brennkammer 16, wo Brennstoff zugeführt und gezündet wird, um die Temperatur der Luft zu erhöhen. Der Brennstoff wird mittels einer herkömmlichen Brennstoffzuführungseinrichtung 20 zugeführt, die von einer Brennstoffsteuereinrichtung 22 gesteuert wird, wie ebenfalls weiter unten noch beschrieben wird. Die Verbrennungsprodukte werden durch die Hauptleistungsturbine 24 expandiert, die an der Last (nicht gezeigt) über eine Abtriebswelle 26 angekuppelt ist. Wärme aus den Turbinen-Abgasen wird dazu benutzt, den Wärmetauscher 28 (Kocher) eines geschlossenen Rankine-Kreisprozesses, in dem ein organisches Arbeitsmedium benutzt wird, zu betreiben. Luft, die durch den Wärmetauscher 28 strömt, wird aus der Kraftmaschine durch einen Auslaßkanal 30 abgegeben.The high pressure air from the compressor reaches a combustion chamber 16, where fuel is added and ignited to raise the temperature of the air. The fuel is supplied by means of a conventional fuel supply device 20, which is controlled by a fuel control device 22, as well will be described further below. The products of combustion are through the main power turbine 24, which is coupled to the load (not shown) via an output shaft 26 is. Heat from the turbine exhaust gases is used to heat exchanger 28 (cooker) a closed Rankine cycle in which an organic working medium is used to operate. Air flowing through the heat exchanger 28 becomes out of the engine through an exhaust passage 30.

Ein Teil der Abgase wird mittels eines Kanals 32 in das Mischventil 16 zurückgeführt.A part of the exhaust gases is fed into the mixing valve by means of a duct 32 16 returned.

Das Arbeitsmedium des Rankine-Kreisprozesses, das vorzugsweise Toluen, Pyridin oder ein ähnliches organisches Strömungsmittel ist, wird in dem Wärmetauscher 28 verdampft und zum Antrieb einer Rankine-Turbine 34 benutzt. Die Rankine-Turbine 34 und der Verdichter 24 des offenen Brayton-Kreisprozesses haben ihre Rotoren auf einer gemeinsamen Welle 36, und die von der Rankine-Turbine 34 erzeugte Arbeit treibt den Verdichter 14 an. Die Welle 36 erstreckt sich durch den Verdichter 14 hindurch und über ihn hinaus, um eine Zentrifugalpumpe 38 anzutreiben. Die Welle 36 treibt außerdem ein Getriebe in einem Getriebegehäuse (nicht gezeigt) an, das zum Antrieb einer Anzahl von Nebenaggregaten der Kraftmaschine 10, wie beispielsweise einem drehzahlveränderlichen Kühlgebläse 47, benutzt wird.The working medium of the Rankine cycle, which is preferably toluene, Pyridine or similar organic fluid is used in the heat exchanger 28 evaporated and used to drive a Rankine turbine 34. The Rankine turbine 34 and the compressor 24 of the open Brayton cycle have their rotors on a common shaft 36, and drives the work generated by the Rankine turbine 34 the compressor 14 on. The shaft 36 extends through the compressor 14 and beyond to drive a centrifugal pump 38. The shaft 36 drives also a gear in a gear housing (not shown) that is used to drive a number of auxiliary units of the engine 10, such as one variable speed cooling fan 47 is used.

Die Rankine-Turbine 34 erhält ihren Dampf von dem Wärmetauscher 28.The Rankine turbine 34 receives its steam from the heat exchanger 28.

Der Wärmetauscher 28 ist in den Auslaßkanal (für die Abgase) der Kraftmaschine 10 eingebaut und vorzugsweise entsprechend dem Wärmetauscher nach der US-PS 3 874 345 aufgebaut, obwohl er auch von herkömmlichem Aufbau sein kann. Entsprechend der erwähnten US-Patentschrift besitzt der Zwischenprozeß-Wärmetauscher 28 einen ringförmigen Kern, der aus parallelen, mehrpfadigen Rohren kleinen Durchmessers und der gleichen Länge besteht, die in konzentrischen schraubenförmigen Schlangen angeordnet sind,derart, daß die Strömung von der äußersten Schlange nach innen fortschreitet, während die Abgase radial nach außen strömen. Ein thermostatisches Drosselventil 40 ist in der Leitung 42 angeordnet1 das das verdampfte Gas von dem Wärmetauscher 28 zu der Turbine 34 leitet. Das Drosselventil 40 arbeitet in einer Weise, die weiter unten beschrieben wird.The heat exchanger 28 is in the exhaust duct (for the exhaust gases) of the engine 10 installed and preferably corresponding to the heat exchanger according to US Pat. No. 3,874 345, although it can be of conventional construction. According to the mentioned U.S. patent, the interprocess heat exchanger 28 has an annular shape Core made up of parallel, multi-path tubes of small diameter and the like Length, which are arranged in concentric helical snakes, such, that the current advances inward from the outermost serpent, while the Exhaust gases flow radially outwards. A thermostatic throttle valve 40 is in the Line 42 arranged1 the the vaporized gas from the heat exchanger 28 leads to the turbine 34. The throttle valve 40 operates in a manner that continues is described below.

Von der Turbine 34 kommend ist das Niederdruck-Arbeitsmedium noch in Dampfform, und es gelangt über eine Leitung 44 durch einen Kondensator 46, in dem es gekühlt und verflüssigt wird. Die Kühlung des Kondensators 46 wird von dem Kühigebläse 47 unterstützt. Von dem Kondensator 46 wird das verflüssigte Rankine-Arbeitsmedium über eine Leitung 46 an die Zentrifugalpumpe 38 abgegeben, die ihrerseits die Flüssigkeit über eine Leitung 50 dem Wärmetauscher 28 zuführt, damit sie dort verdampft wird. Es ist ferner möglich, einen Gegenstrom-Regenerator im Strömungsweg des Arbeitsmediums zwischen der Rankine-Turbine 34 und dem Kondensator 46 anzuordnen. Der Regenerator hilft mit, den Wirkungsgrad des Rankine-Kreisprozesses zu erhöhen.Coming from the turbine 34, the low-pressure working medium is still there in vapor form, and it passes via a line 44 through a condenser 46, in which it is cooled and liquefied. The cooling of the condenser 46 is of the Cooling fan 47 supported. From the condenser 46 is the liquefied Rankine working medium via a line 46 to the centrifugal pump 38, which in turn supplies the liquid is fed via a line 50 to the heat exchanger 28 so that it is evaporated there. It is also possible to have a countercurrent regenerator in the flow path of the working medium to be arranged between the Rankine turbine 34 and the condenser 46. The regenerator helps to increase the efficiency of the Rankine cycle.

Der Leistungspegel der kombinierten Kraftmaschine 10 wird dadurch gesteuert, daß die Brennstoffströmung zu der Brennkammer 18 geändert wird. Dies wird durch die Brennstoffsteuereinrichtung 22 erreicht.The power level of the combined engine 10 thereby becomes controlled that the fuel flow to the combustor 18 is changed. this is achieved by the fuel control device 22.

Die Brennstoffsteuereinrichtung 22 kann eine hydromechanische, elektromechanische, Fluidik-Steuereinrichtung oder irgendeine Kombination dieser Steuereinrichtungen sein. Die Brennstoffsteuereinrichtung 22 vergrößert oder verringert den Pegel der Brennstoffströmung in der Kammer 18 über die Brennstoffzuführung 20 in Abhängigkeit von den Bedarfssignalen der Bedienungsperson, durch die mehr oder weniger Leistung oder Drehzahl gefordert werden. Ein Wärmefühler 52, der am AuslaB der Brennkammer 16 angeordnet ist, mißt die Turbinen-Einlaßtemperatur T2. Ein Drehfühler 54 mißt die Drehzahl N der Haupt)eistungsturbine 24. Die Brennstoffsteuerp einrichtung 22 spricht auf die von den Fühlern 52 und 54 erhaltene Eingangsinformation an und hält die Turbinentemperatur zwischen der vorgegebenen minimal und maximal zulässigen Temperatur. Diesbezüglich ist ein zulässiger Bereich für die Turbinentemperatur der Bereich zwischen 13000F und 18000F. Die obere Grenze ist durch typische metallurgische Überlegungen gegeben, und die untere Grenze wird so eingestellt, daß eine angemessene Wärmemenge in den Turbinenabgasen verbleibt, um den Verdichter 14 über den flankine-Kreisprozeß mit zumindest der halben Drehzahl anzutreiben.The fuel control device 22 can be a hydromechanical, electromechanical, Fluidic controller or any combination of these controllers be. The fuel control device 22 increases or decreases the level of the Fuel flow in the chamber 18 via the fuel supply 20 as a function from the operator's demand signals, through the more or less power or speed are required. A Heat sensor 52, which is at the outlet the combustion chamber 16 is arranged measures the turbine inlet temperature T2. A rotary sensor 54 measures the speed N of the main power turbine 24. The fuel control device 22 responds to the input information received from sensors 52 and 54 and keeps the turbine temperature between the specified minimum and maximum permissible Temperature. In this regard, there is an allowable range for the turbine temperature the range between 13000F and 18000F. The upper limit is due to typical metallurgical Considerations are given, and the lower limit is set to be reasonable Amount of heat in the turbine exhaust remains to the compressor 14 via the flankine cycle to be driven with at least half the speed.

Ein Teil der Abgase, die von der Hauptleistungsturbine 24 und dem Wärmetauscher 28 kommen, wird durch den Verbindungskanal 32 zwischen dem Auslaßkanal 30 und dem Mischventil 16 das stromauf des Verdichters 14 angeordnet ist, in die Kraftmaschine 10 zurückgeführt.A portion of the exhaust gases from the main power turbine 24 and the Heat exchanger 28 come through the connecting channel 32 between the outlet channel 30 and the mixing valve 16 which is arranged upstream of the compressor 14, in the Engine 10 returned.

Bei normalen Kraftmaschinen befindet sich der EinlaB 12 des Verdichters auf einem niedrigeren Druck als die Abgasseite wegen.der Einlaß- und Abgaskanal-Verluste. Als Folge hiervon mischen sich die Abgase mit der Einlaßluft, sobald das Mischventil 16 geöffnet wird.In normal engines, the inlet 12 of the compressor is located at a lower pressure than the exhaust side because of the intake and exhaust port losses. As a result, the exhaust gases mix with the intake air as soon as the mixing valve is opened 16 is opened.

Wie weiter unten erläutert wird, wird das Mischventil 16 in wrgegebener Weise moduliert, um den Betrag der Rezirkulation zu steuern.As will be explained below, the mixing valve 16 is shown in FIG Modulated way to control the amount of recirculation.

Ein schematisches Diagramm der Steuereinrichtung für die Kraftmaschine 10 ist in Fig. 2 genauer dargestellt. Die Eingabefunktion der Brennstoffsteuereinrichtung 22 wird von der Bedienungsperson geliefert, die die Leistungspegelposition 56 steuert. Der Leistungspegel wird durch irgendwelche geeigneten Mittel wie beispielsweise eine Drossel, ein Beschleunigungspedal oder dergleichen verstellt.A schematic diagram of the controller for the engine 10 is shown in more detail in FIG. The input function the fuel control device 22 is provided by the operator who controls the power level position 56. The power level is determined by any suitable means such as a throttle, an accelerator pedal or the like adjusted.

Wie oben erläutert, werden die Turbinen-Einlaßtemperatur T2 und die Drehzahl N der Hauptleistungsturbine durch den Fühler 52 bzw. 54 p gemessen, und diese Information wird dann in die Brennstoffsteuereinrichtung 22 in Form von Eingangssignalen eingegeben. Falls erwünscht, ist es ferner möglich, Die Turbinen-Einlaßtemperatur T2 aus dem Kreisprozeß-Druck und der Turbinen-Auslaßtemperatur zu berechnen. Die Brennstoffsteuereinrichtung 22 miStBrennstoff dem Brenner mittels der Brennstoffzuführungseinrichtung 20 in Abhängigkeit von der Leistungspegelposition 56 zu. In der gleichen Weise, wie das T2-Eingangssignal dazu benutzt wird, die Turbinen-Einlaßtemperatur auf einen vorgegebenen maximalen Wert zu begrenzen, wird das N -Eingangsp signal dazu benutzt, die Drehzahl der Hauptleistungsturbine auf einen vorgegebenen maximalen Wert zu begrenzen. Die Brennstoffsteuereinrichtung 22 begrenzt den Brennstoffstrom, wenn sie sich entweder der T2- oder N -Grenze nähert, und sie schaltet die Brennstoffzufuhr p ab, wenn die T2 - oder Np-Granzs um einen vorgegebenen 8icherheitsp bereich Oberschritten wird.As explained above, the turbine inlet temperature T2 and the Speed N of the main power turbine measured by the sensor 52 or 54 p, and this information is then fed into the fuel control device 22 in the form of input signals entered. It is also possible, if desired, to measure the turbine inlet temperature Calculate T2 from the cycle pressure and the turbine outlet temperature. the Fuel control device 22 feeds fuel to the burner by means of the fuel supply device 20 depending on the power level position 56. In the same way, how the T2 input is used to reduce the turbine inlet temperature to a To limit the specified maximum value, the N input signal is used to the speed of the main power turbine to a predetermined maximum value limit. The fuel control device 22 limits the flow of fuel when it is approaching either the T2 or N limit and it turns off the fuel supply p from when the T2 or Np limit is exceeded by a specified safety range will.

Die Rezirkulation der Abgase wird bemessen durch das Jischventil 16, das von der Hischsteuereinrichtung 58 betätigt wird. Die Eingangssignale der Mischsteuereinrichtung 56 sind die Umgebungatemperatur Tg, d.h. die Lufteinlaßtemperatur, die Temperatur T1 des Gasgemisches am Verdichtereinlaß und die Turbinen-Einlaßtemperatur T2. Die Lufteinlaßtemperatur T wird gemessen von einem Wärmefühler 60, 0 der in dem Einlaßkanal 12 angeordnet ist. Die Gasgemisch-Temperatur T1 wird von einem Wärmefühler 62 gemessen, der in dem Einlaßkanal des Verdichters 14 angeordnet ist. Die Turbinen-Einlaßtemperatur T2 wird von dem Fühler 52 gemessen.The recirculation of the exhaust gases is measured by the Jischventil 16, which is operated by the table control device 58. The input signals of the mixer controller 56 is the ambient temperature Tg, i.e. the air inlet temperature, the temperature T1 of the gas mixture at the compressor inlet and the turbine inlet temperature T2. The air inlet temperature T is measured by a heat sensor 60.0 of the in the inlet channel 12 is arranged. The gas mixture temperature T1 is measured by a heat sensor 62 measured, which is arranged in the inlet channel of the compressor 14. The turbine inlet temperature T2 is measured by the sensor 52.

Das in Fig. 2 gezeigte schematische Diagramm zeigt lediglich die Grundelemente der Steuereinrichtung für den Brayton-Kreisprozeß.The schematic diagram shown in Fig. 2 shows only the basic elements the controller for the Brayton cycle.

Eine zusätzliche Logiksteuereinrichtung würde in diese hundelemente eingebaut werden, und zwar zum Anlassen und Abschalten der Kraftmaschine, für Leerlauf und Beschleunigung, wie dies zur Steuerung herkömmlicher Gasturbinen-Kraftmaschinen üblich ist.An additional logic control device would be included in these hundelemente be installed, namely for starting and stopping the engine, for idling and acceleration, as used to control conventional gas turbine engines is common.

Der Logikkreis der Uischsteuerungseinrichtung 58 arbeitet auf der Grundlage des Unterschiedes zwischen der Gasgemisch-Temperatur und der Einlaßluft-Temperatur T1-To in Abhängigkeit von der Turbinen-Einlaßtemperatur T2. Die Kurve T1-To über T2 hat vorzugsweise drei Stufen, und eine Ausführungsform ist in Fig. 3 grafisch dargestellt.The logic circuit of the Uischsteuerungseinrichtung 58 operates on the Basis of the difference between the gas mixture temperature and the inlet air temperature T1-To as a function of the turbine inlet temperature T2. The curve T1-To over T2 preferably has three stages and one embodiment is graphical in FIG shown.

In Fig. 3 ist T1-Tow gemessen in Fahrenheit (°F), entlang der Y-Achse aufgetragen, und T2, ebenfalls gemessen in 0F, ist entlang der X-Achse aufgetragen. Für Turbinen-Einlaßtemperaturen unterhalb 17000F moduliert die liischsteuereinrichtung 58 das Uischventil derart, daß T -T auf 10 1200F konstant gehalten wird. Bei Turbinen-Einlaßtemperaturen zwischen 1700°F und 18000F wird das Mischventil 16 so moduliert, daß T1-To von 1200F nach OOF linear geändert wird. Liegt T2 oberhalb 18000F, wird eine Rezirkulation der Abgase unterbunden. Wenn auch durch eine Rezirkulation der Abgase bei Turbinen-Einlaßtemperaturen von mehr als 1800°F höhere Prozeßwirkungsgrade erzielt würden, würde jedoch die Lebensdauer der Turbine verringert werden, da die Kraftmaschine während eines größeren Prozentsatzes der Zeit oberhalb dieser Temperatur arbeiten würde.In Figure 3, T1 tow is measured in Fahrenheit (° F), along the Y-axis plotted, and T2, also measured in 0F, is plotted along the X-axis. The fluid control device modulates for turbine inlet temperatures below 17000F 58 the Uischventil in such a way that T -T is kept constant at 10 1200F. At turbine inlet temperatures between 1700 ° F and 18000F, the mixing valve 16 is modulated so that T1-To from 1200F to OOF is changed linearly. If T2 is above 18000F, there is recirculation the exhaust gases prevented. Albeit by recirculating the exhaust gases at turbine inlet temperatures higher process efficiencies of more than 1800 ° F would be achieved, however, would The life of the turbine can be reduced because the engine during a larger Percentage of the time would work above this temperature.

Eine Steuereinrichtung, die die gewünschten Prozeßtemperaturen und Drücke während des Rankine-Prozesses aufrechterhält, ist ebenfalls vorgesehen. Es wird wieder auf Fig. 1 Bezug genommen. Der Rankine-Kreisprozeß wird durch das thermostatische Drosselventil 40 gesteuert, das an dem EinlaB der Rankine-Turbine 34 angeordnet ist.A control device that controls the desired process temperatures and Maintaining pressures during the Rankine process is also provided. It reference is again made to FIG. The Rankine cycle is made possible by the thermostatic Throttle valve 40 controlled, which is arranged at the inlet of the Rankine turbine 34 is.

Die Steuereinrichtung für den Rankine-Kreisprozeß ist unabhängig von der Steuereinrichtung für den Brayton-Kreisprozeß und arbeitet vollautomatisch. Sie kann eine hydromechanische, elektromechanische oder Fluidik-Steuereinrichtung sein. Das Drosselventil 40 steuert den liassenstrom des Arbeitsmediums sof daß die Turbinen-Einlaßtemperatur konstant gehalten wird. Für ein organisches Arbeitsmedium wie Toluen würde das Drosselventil die Höchsttemperatur des Rankine-Kreisprozesses auf konstanten 7000F halten. Der Auslaßdruck der Rankine-Turbine ändert sich mit der Kondensatortemperatur. Die Temperatur des Kondensators 46 wird dadurch gesteuert, daß die Drehzahl des Kühlgebläses 47 geändert wird; das Kühlgebläse wird durch einen Antrieb veränderlicher Drehzahl geregelt, der beispielsweise über ein von der Welle 36 betätigtes Getriebe (nicht gezeigt) angetrieben wird. Zu diesem Zweck können Wärmefühler in dem Kondensator 46 und dem EinlaB der Rankine-Turbine angeordnet werden. Die Fühler sind mit einer Steuereinrichtung (nicht gezeigt) verbunden, die in Abhängigkeit von dem von den beiden Fühlern abgegebenen Eingangssignal den Betrieb des Kühlgebläses 47 verändert. Die Steuerung der Gebläsedrehzahl ändert das Antriebsverhältnis des Kühlgebläses so, daß der Druck des Kondensators 46 immer in einem festen Vsrhältnis zu dem Druck im Turbineneinlaß gehalten wird. Die Rankine-Turbine arbeitet somit dauernd mit nahezu konstantem Wirkungsgrad, da die Einlaßtemperatur und das Druckverhältnis konstant gehalten werden.The control device for the Rankine cycle is independent of the control device for the Brayton cycle and works fully automatically. It can be a hydromechanical, electromechanical or fluidic control device be. The throttle valve 40 controls the let flow of the working medium sof that the Turbine inlet temperature is kept constant. For an organic working medium like toluene, the throttle valve would be the maximum temperature of the Rankine cycle hold at a constant 7000F. The outlet pressure of the Rankine turbine changes with it the condenser temperature. The temperature of the capacitor 46 is controlled by that the speed of the cooling fan 47 is changed; the cooling fan is activated by a Variable speed drive regulated, for example above a transmission (not shown) operated by the shaft 36 is driven. To this Heat sensors in the condenser 46 and the inlet of the Rankine turbine can be used for this purpose to be ordered. The sensors are connected to a control device (not shown), depending on the input signal given by the two sensors Operation of the cooling fan 47 changed. The fan speed control changes the drive ratio of the cooling fan so that the pressure of the condenser 46 always is maintained in a fixed ratio to the pressure in the turbine inlet. The Rankine turbine thus works continuously with almost constant efficiency, since the inlet temperature and the pressure ratio can be kept constant.

Wenn Pyridin als Arbeitsmedium für den Rankine-Kreisprozeß benutzt wird, arbeitet der flankine-Kreisprozeß vorzugsweise bei einer Turbinen-Einlaßtemperatur von 7000F, einem Turbinen-Einlaßdruck von 500 psia, einer Kondensatortemperatur von 1630F und einem Kondensatordruck von 3,56 psia.When pyridine is used as the working medium for the Rankine cycle the flankine cycle preferably operates at a turbine inlet temperature of 7000F, a turbine inlet pressure of 500 psia, a condenser temperature of 1630F and a condenser pressure of 3.56 psia.

Die Uischsteuerung für die Abgasrezirkulation (EGR) wird durch den Prozentsatz der erwünschten Abgasrezirkulation und der Abgastemperatur TE festgelegt. Der Anteil des Abgases, der rezirkuliert wird, wird durch folgende Gleichung festgelegt: (T1-T0)CPLU EGR =(TE-T0)CPAb Hierin bedeuten T1 die Temperatur des Gesgemisches am Verdichtereinlaß, T die Einlaßluft-Temperatur, TE die Abgastemperatur, 0 CPLu die spezifische Wärme der Einlaßluft und CPAb die spezifische Wärme der Abgase. Vorzugsweise wird der Prozentsatz der Abgase, die rezirkuliert werden, gesteuert zwischen 0 und 60% als Funktion der Turbinen-Einlaßtemperatur T2. Wie bereits erwähnt, verringern die rezirkulierten Abgase EGR den Massenstrom der Kraftmaschine wie auch den Abfall der Turbinen-Einlaßtemperatur bei Teillastbetrieb.The Uisch control for the exhaust gas recirculation (EGR) is through the Percentage of the desired exhaust gas recirculation and the exhaust gas temperature TE set. The proportion of the exhaust gas that is recirculated is determined by the following equation: (T1-T0) CPLU EGR = (TE-T0) CPFig Here, T1 is the temperature of the mixture at the compressor inlet, T the inlet air temperature, TE the exhaust gas temperature, 0 CPLu is the specific heat of the intake air and CPAb is the specific heat of the exhaust gases. Preferably the percentage of the exhaust gases that are recirculated is controlled between 0 and 60% as a function of the turbine inlet temperature T2. As already mentioned, the recirculated exhaust gases EGR reduce the engine mass flow as well the drop in turbine inlet temperature during partial load operation.

Durch Aufrechterhalten höherer Prozeßtemperaturen wird der thermische Wirkungsgrad verbessert.By maintaining higher process temperatures, the thermal Improved efficiency.

Fig. 4 zeigt den Prozentsatz der Abgasrezirkulation, aufgetragen über dem Prozentsatz des Maschinenleistungspegels für eine kombinierte Brayton-Rankine-Kraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung, die nach dem EGR-Steuerungsverlauf nach Fig. 3 arbeitet. Wie in Fig. 4 gezeigt, basiert das Gesamt-Brennstoff/Luft-Verhältnis über dem Prozentsatz des Maschinenleistungspegels auf den Verbrennungsprodukten in den Abgasen. Für diesen Steuerungsverlauf, der in Fig. 3 wiedergegeben ist, befindet sich das Brennstoff/Luft-Verhältnis unterhalb des stöchiometrischen Verhältnisses von ungefähr 0,067 in allen Betriebspunkten.4 shows the percentage of exhaust gas recirculation plotted against the percentage of the engine power level for a combined Brayton-Rankine engine according to the present invention, which after the EGR control flow of FIG is working. As shown in Figure 4, the overall fuel / air ratio is based on the percentage of the engine power level on the combustion products in the Exhaust. For this control process, which is shown in FIG. 3, is located the fuel / air ratio is below the stoichiometric ratio of about 0.067 at all operating points.

Ein Vorteil, der von der Verwendung der Abgasrezirkulation als Mittel zur Verringerung des Massenstroms herrührt, besteht darin, daß der Wirkungsgrad des Verdichters nicht ungünstig beeinflußt wird. Die Kennlinie des Verdichters wird durch die Abgasrezirkulation EGR gegenüber der Kennlinie ohne EGR nicht geändert. Im Gegensatz hierzu wird bei Kraftmaschinen, die veränderliche Turbinendüsen zur Steuerung des Massenstroms benutzen, die Kennlinie des Verdichters in Richtung auf den Pumpbereich verschoben, wenn der Massenstrom verringert wird. Als Folge müssen verstellbare Eintrittsleitschaufeln verwendet werden, die eine Verringerung des Verdichterwirkungsgrads bedingen.An advantage of using exhaust gas recirculation as a means to reduce the mass flow arises, is that the efficiency the compressor is not adversely affected. The characteristic curve of the compressor is through the exhaust gas recirculation EGR compared to the characteristic curve without EGR not changed. In contrast, with prime movers, the variable turbine nozzles to control the mass flow, use the compressor characteristic in the direction shifted to the pumping area when the mass flow is reduced. As a result adjustable inlet guide vanes must be used, which provide a reduction the compressor efficiency.

Die Abgasrezirkulation hat ferner die Wirkung, daß das Ansprechverhalten der Kraftmaschine verbessert wird, indem die Drehzahl des Gasgenerators im Leerlauf und im Teillastbetrieb höher ist.The exhaust gas recirculation also has the effect that the response The engine is improved by keeping the speed of the gas generator idling and is higher in partial load operation.

Bei maximaler Beschleunigung ist das Mischventil für die Abgasrezirkulation geschlossen, so daß ein höheres Druckverhältnis des Verdichters und ein höherer Massenstrom sofort zur Verfügung stehen.At maximum acceleration, the mixing valve is for exhaust gas recirculation closed, so that a higher pressure ratio of the compressor and a higher one Mass flow are immediately available.

Die höheren Drehzahlen des Gasgenerators als Folge der Abgasrezirkulation bewirken außerdem eine bessere Abstimmung zwischen dem Verdichter und der Rankine-Turbine im Teillastbereich. Das Gesamtdruckverhältnis des geschlossenen Rankine-Kreisprozesses ändert sich weniger als das des offenen Brayton-Kreisprozesses, und zwar wegen eines geringeren Turbinen-Rückdruckes als Folge eines größeren Kondensatorwirkungsgrades. Die optimale Drehzahl der Rankine-Turbine hat daher die Tendenz, eine Fehlanpassung der Verdichterdrehzahl bei niedrigen Leistungswerten zu bewirken. Eine Zunahme der Verdichterdrehzahl als Folge der Abgasrezirkulation hat die Tendenz, wieder eine korrekte Abstimmung herzustellen.The higher speeds of the gas generator as a result of the exhaust gas recirculation also result in better coordination between the compressor and the Rankine turbine in the partial load range. The total pressure ratio of the closed Rankine cycle changes less than that of the Brayton Open Cycle because of one thing lower turbine back pressure as a result of greater condenser efficiency. The optimal speed of the Rankine turbine therefore has a tendency to be a mismatch the compressor speed at low power values. An increase in Compressor speed as a result of the exhaust gas recirculation has the tendency to again one to establish correct coordination.

Um die Auswirkung der Abgasrezirkulation auf das Betriebsverhalten dor Kraftmaschine zu veranschaulichen, wurden Betriebspunkte des Kreisprozesses der Kraftmaschine analysiert und berechnet, und zwar für eine wie oben beschriebene Kraftmaschine. Die Kraftmaschine wurde bei maximaler Leistung (100%), bei halber Leistung (so%) ohne Abgasrezirkulation und bei halber Leistung mit Abgasrezirkulation analysiert. Als maximale Temperatur des Brayton-Prozesses wurde 18000F und als maximale Temperatur für den Rankine-Prozeß 7000F angenommen.About the effect of the exhaust gas recirculation on the operating behavior To illustrate the engine, operating points of the cycle were used the engine is analyzed and calculated for one as described above Power machine. The engine was at maximum power (100%), at half Output (see above%) without exhaust gas recirculation and at half output with exhaust gas recirculation analyzed. The maximum temperature of the Brayton process was 18000F and the maximum Temperature assumed for the Rankine process 7000F.

Komponentenwirkungsgrade und Systemverluste wurden aufgrund des gegenwärtigen Wissens über Brayton- und Rankine-Kraftmaschinen vorhergesagt. Die wichtigen Prozeß-Zustandspunkte, Massenströme und Komponentendaten für jede der drei Betriebsstufen sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben: 100% Leistung 50% Leistung 50* Leistung ohne Abgas- mit Abgaszirkulation zirkulation Brayton-Prozeß-Temp.(°F) Umgebung 59 59 59 Verdichtereinlaß 59 59 184 BrennkammereinlaB 347 269 421 Turbineneinlaß 1800 1360 1435 Kochereinlaß 1311 1034 1124 Abgase 263 235 240 Brayton-Prozeß-Druck (psia) Umgebung 14,7 14,7 14,7 Verdich@ereinlaß 14,6 14,6 14,7 Brennkammereinlaß 52,9 39,1 37,9 Turbineneinlaß 51,3 37,9 36,8 Kochereinlaß 15,3 15,0 15,0 Abgase 14,9 14,8 14,8 Rankine-Prozeß-Temp.(°F) Turbineneinlaß 700 700 700 KondensatoreinlaB 397 416 407 Pumpeneinlaß 158 127 132 Kochereinlaß 163 131 136 Rankine-4rozeB-Druck(psia) Turbineneinlaß 696 389 434 Kondensatoreinlaß 3,43 1,68 2,06 Pumpeneinlaß 3,19 1,78 1,92 Kochereinlaß 750 547 650 100% Leistung 50% Leistung 50; Leistung ohne Abgas- mit Abgaszirkulation zirkulation Adiabatischer Wirkungsgrad Verdichter 0,80 0,80 0,80 Brennkammer 0,99 0,99 0,99 Hauptleistungsturbine 0,866 0,871 0,871 Rankine-Turbine 0,849 0,825 0,844 Speisepumpe 0,5 0,5 0,5 Wärmetauscherwirkungsgrad Kocher 0,918 0,890 0,901 Kondensator 0,914 0,916 0,916 Luft-Massenstrom (LB/SEC) 0,987 0,785 0,236 Rezirkulation-Massenstrom (LB/SEC) 0 0 0,507 Uassenstrom des Rankine-Arbeitsmediums (Lß/sEC) 0,736 0,405 0,452 Brennstoff-liassenstrom (LB/SEC) 0,0222 0,0126 0,0119 Verdichterleistung (PS) 97,2 56,3 63,2 Rankine-Turbinenleistung (PS) 103,9 59,4 67,3 Leistung der Speisepumpe und Nebenaggregate (PS) 6,7 3,1 4,1 Wirkliche Leistung der Kraftmaschine (Leistungsturbine) 200,0 100,0 100,0 Spezifischer Brennsto ff"erbrauch (LBs/Ps.HR) 0,398 0,452 0,425 Thermischer Wirkungsgrad 0,347 0,306 0,326 Wie durch die oben angegebenen Werte angezeigt, sind der Luftmassenstrom, der Brennstoffmassenstrom und der spezifische Brennstoffverbrauch sämtlich niedriger, wenn bei Teillast eine Abgasrezirkulation eingesetzt wird. Insbesondere bei einer Teillast von 50* wird eine 8rennstoffersparnis von 6-1/2* erreicht. Darüber hinaus wird bei einer Abgasrezirkulation ein höherer thermischer Wirkungsgrad als ohne Abgasrezirkulation erzielt.Component efficiencies and system losses have been due to the current Knowledge of Brayton and Rankine engines. The important process status points, Mass flows and component data for each of the three operating stages are in the following Table reproduced: 100% performance 50% performance 50 * performance without flue gas with flue gas circulation Brayton process temp. (° F) environment 59 59 59 Compressor inlet 59 59 184 Combustion chamber inlet 347 269 421 Turbine inlet 1800 1360 1435 digester inlet 1311 1034 1124 exhaust 263 235 240 Brayton process pressure (psia) Environment 14.7 14.7 14.7 Compression inlet 14.6 14.6 14.7 Combustion chamber inlet 52.9 39.1 37.9 turbine inlet 51.3 37.9 36.8 digester inlet 15.3 15.0 15.0 exhaust gases 14.9 14.8 14.8 Rankine process temp. (° F) turbine inlet 700 700 700 condenser inlet 397 416 407 Pump Inlet 158 127 132 Cooker Inlet 163 131 136 Rankine 4 RozeB Pressure (psia) Turbine inlet 696 389 434 Condenser inlet 3.43 1.68 2.06 Pump inlet 3.19 1.78 1.92 cooker inlet 750 547 650 100% power 50% power 50; power without exhaust gas with exhaust gas circulation adiabatic efficiency compressor 0.80 0.80 0.80 Combustion chamber 0.99 0.99 0.99 Main power turbine 0.866 0.871 0.871 Rankine turbine 0.849 0.825 0.844 Feed pump 0.5 0.5 0.5 Heat exchanger efficiency Cooker 0.918 0.890 0.901 Condenser 0.914 0.916 0.916 Air mass flow (LB / SEC) 0.987 0.785 0.236 Recirculation mass flow (LB / SEC) 0 0 0.507 Uassenflow of the Rankine working medium (Lß / sEC) 0.736 0.405 0.452 Fuel leave flow (LB / SEC) 0.0222 0.0126 0.0119 Compressor output (HP) 97.2 56.3 63.2 Rankine turbine output (HP) 103.9 59.4 67.3 Power of the feed pump and ancillary units (HP) 6.7 3.1 4.1 Real power of the engine (power turbine) 200.0 100.0 100.0 Specific fuel consumption (LBs / Ps.HR) 0.398 0.452 0.425 Thermal efficiency 0.347 0.306 0.326 As indicated by the values given above are the air mass flow, the fuel mass flow and the specific fuel consumption all lower if one at part load Exhaust gas recirculation is used. Especially with a partial load of 50 * A fuel saving of 6-1 / 2 * is achieved. In addition, there is an exhaust gas recirculation a higher thermal efficiency than achieved without exhaust gas recirculation.

Eines der wichtigen Merkmale der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Kraftmaschine einen geringen Pegel an Abgasemissionen besitzt, der in die Zukunft weisenden Anforderungen genügt. Die Rezirkulation der Abgase verringert insbesondere die Stickstoffemissionen. Herkömmliche Gasturbinen arbeiten normalerweise mit Brennstoff/Luft-Verhåtnissen von 10 - 30ei, des stöchiometrischen Verhältnisses, um zu hohe Temperaturen, die der Turbine schaden würden, zu vermeiden. Da die Verbrennung bei einem solch niedrigen Brennstoff/Luft-Verhältnis nicht aufrechterhalten werden kann, wird nur ein Teil der Luft der Primärzone der Brennkammer, wo die Zündung erfolgt, zugeführt, und der Rest wird stromab in einer Sekundärzone vor der Turbine beigemengt. Die Bildung von Stickstoffoxiden ist primär eine Funktion der höchsten Verbrennungstemperatur, und die meisten dieser Oxide werden in der Primärzone der Brennkammer gebildet. Die Beimengung von Abgasen zu der Verbrennungsluft reduziert die Sauerstoffkonzentration der in die Brennkammer eintretenden Gase durch Verdünnung mit den Verbrennungsprodukten. Als Folge werden die Spitzenverbrennungstemperaturen geringer, und die Menge an erzeugten Stickstoffoxiden wird reduziert A Eine wirkliche Kraftmaschine mit kombiniertem Kreisprozeß, die die Merkmale der vorliegenden Erfindung enthält, ist in Fig. S dargestellt. Die verschiedenen komponenten der Kraftmaschine sind mit den gleichen Bezugszeichen wie die bezüglich Fig. 1 gezeigten und beschriebenen Komponenten bezeichnet. Es versteht sich natürlich, daß der physikalische Aufbau der Erfindung verschiedene Ausführungsformen annehmen kann.One of the important features of the present invention is that the engine has a low level of exhaust emissions, which in the Sufficient for future-oriented requirements. The recirculation of the exhaust gases is reduced especially nitrogen emissions. Conventional gas turbines operate normally with fuel / air ratios of 10 - 30ei, the stoichiometric ratio, to avoid too high temperatures that would damage the turbine. Because the combustion cannot be sustained at such a low fuel / air ratio can, only part of the air is the primary zone of the combustion chamber, where the ignition takes place, and the remainder is downstream in a secondary zone before the turbine added. The formation of nitrogen oxides is primarily a function of the highest Combustion temperature, and most of these oxides are in the primary zone of the Combustion chamber formed. The admixture of exhaust gases to the combustion air is reduced the oxygen concentration of the gases entering the combustion chamber by dilution with the combustion products. As a result, the peak combustion temperatures less, and the amount of nitrogen oxides generated is reduced A One real combined cycle prime mover that has the characteristics of the present Invention contains is shown in Fig. S. The various components of the Engine are given the same reference numerals as those shown with respect to FIG. 1 and described components. It goes without saying, of course, that the physical Structure of the invention can take various forms.

Bei der in Fig. 1 beschriebenen Kraftmaschine ist die Hauptleistungsturbine 24 mechanisch unabhängig von dem Verdichter 14. Als andere Möglichkeit kann eine Einwellen-Maschine vorgesehen werden, bei der die Hauptleistungsturbine 24, der Verdichter 14, die Rankine-Turbine 34 und die Speisepumpe 38 zu einem einzigen Rotor zusammengefaßt sind.In the engine described in Fig. 1, the main power turbine is 24 mechanically independent of the compressor 14. As another possibility, a Single-shaft machine can be provided in which the main power turbine 24, the Compressor 14, the Rankine turbine 34 and the feed pump 38 into a single rotor are summarized.

Eine andere Ausführungsform einer kombinierten Brayton-Rankine-Kraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 6 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind sämtliche wesentlichen umlaufenden Teile auf einer gemeinsamen Achse angeordnet, und eine Überholkupplungist zwischen der Hauptleistungsturbine und dem Verdichter-Rankine-Rotor angeordnet. Der Gasgenerator besteht aus einem Verdichter BO einer Rankine-Turbine 62 und einer als Zentrifugalpumpe ausgebildeten Speisepumpe 84, die einteilig mit der Welle 86 ausgebildet ist.Another embodiment of a combined Brayton-Rankine engine in accordance with the present invention is shown in FIG. In this embodiment all essential rotating parts are arranged on a common axis, and an overrunning clutch is between the main power turbine and the compressor Rankine rotor arranged. The gas generator consists of a compressor BO of a Rankine turbine 62 and a feed pump 84 designed as a centrifugal pump, which is integral with the shaft 86 is formed.

Die Brayton-Laistungsturbine 70 ist eine einstufige Radialturbine, die am einen Ende der Verbindungswelle 72 fliegend gelagert ist.The Brayton power turbine 70 is a single-stage radial turbine, which is cantilevered at one end of the connecting shaft 72.

Die Laistungsturbine 70 ist mittels Lager in einem Getriebekasten 74 gelagert. Eine Überholkupplung 76 ist auf der Welle 72 zwischen der Leistungsturbine 70 und dem Verdichter 78 vorgesehen. Die Überholkupplung 76 ist in dem Getriebekasten 74 angeordnet und so ausgebildet, daß sie eingerückt wird, wenn die Drehzahl der Leistungsturbine 70 gleich oder größer ist der des Verdichters 76 , jedoch bei kleineren Turbinendrehzahlen ausgerückt wird und rutscht. Die Kupplungsanordnung nach Fig. 6 bietet die liöglichkeit, die Kraftmaschine bei höheren Verdichterdruckverhältnissen im gekuppelten Zustand zu betreiben und somit den Wirkungsgrad der Kraftmaschine zu erhöhen. Sie ermöglicht es ferner, daß die Leistungsturbine 70 bei niedrigen Drehzahlen oder im Pumpbereich arbeitet, ohne daß der Kompressor 78 pumpt.The power turbine 70 is in a gear box by means of bearings 74 stored. An overrunning clutch 76 is on shaft 72 between the power turbine 70 and the compressor 78 are provided. The overrunning clutch 76 is in the gear box 74 arranged and designed so that it is engaged when the speed of the Power turbine 70 is equal to or larger than that of compressor 76, but smaller Turbine speeds is disengaged and slips. The coupling arrangement according to Fig. 6 offers the possibility of using the engine at higher compressor pressure ratios to operate in the coupled state and thus the efficiency of the engine to increase. It also allows the power turbine 70 to operate at low Speeds or in the pumping range operates without the compressor 78 pumping.

Hinsichtlich der übrigen Ausbildung entspricht die in Fig. 6 gezeigte Kraftmaschine der unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Kraftmaschine 10. Luft tritt in den Einlaßkanal 80 einrund wird mit den Abgasen in dem Wlischventil 82 gemischt. Die Luft wird durch den Verdichter 78 komprimiert und einem Brenner 84 zugeführt, wo ihre Temperatur erhöht wird. Das erwärmte und komprimierte Gas strömt dann durch die Leistungsturbine 70 und in den Wärmetauscher 86 (Kocher). Die Abgase verlassen die Kraftmaschine über den Auslaßkanal 88. Ein Teil der Abgase wird über eine Leitung 90 zinn liischventil 82 zugeführt, zum Zwecke der Rezirkulation, wie oben beschrieben.With regard to the rest of the training corresponds to that shown in FIG Engine of the engine described with reference to FIG. 1 10. Air enters the inlet channel 80 and is with the exhaust gases in the wiper valve 82 mixed. The air is compressed by compressor 78 and a burner 84 fed where their temperature is increased. The heated and compressed gas flows then through the power turbine 70 and into the heat exchanger 86 (digester). The exhaust gases leave the engine via the exhaust passage 88. Some of the exhaust gases are over a line 90 tin liischventil 82 supplied for the purpose of recirculation, such as described above.

Bei dem Rankine-Kreisprozeß strömt das erhitzte Arbeitsmedium von dem Wärmetauscher 86 durch die Leitung 92 zu der Rankine-Turbine 94. Von der Rankine-Turbine 94 gelangt das Arbeitsmedium durch den restlichen Teil des geschlossenen Rankine-Kreisprozesses, ehe es zu dem Wärmetauscher 86 zurückkehrt. Das Arbeitsmedium tritt aus der Rankine-Turbine 94 als Niederdruckdampf aus und wandert durchn einen Regenerator 96 (Rekuperator) und einen Kondensator 98, wo es wieder in seinen flüssigen Zustand überführt wird. Die Flüssigkeit wird dann durch die Speisepumpe 100 (über Leitungen 102 und 104) und den Regenerator 96 geschickt, wo sie über die Leitung 106 zu dem Wärmetauscher 86 als vorerhitzte Hochdruck-Flüssigkeit zurückgeführt wird. Ein drehzahlveränderliches Kühlgebläse 108 steuert die Temperatur des Kondensators 98.In the Rankine cycle, the heated working medium flows away the heat exchanger 86 through line 92 to the Rankine turbine 94. From the Rankine turbine 94 the working medium passes through the remaining part of the closed Rankine cycle, before returning to the heat exchanger 86. The working medium emerges from the Rankine turbine 94 emanates as low pressure steam and travels through a regenerator 96 (recuperator) and a condenser 98 where it is returned to its liquid state. The liquid is then fed through the feed pump 100 (via lines 102 and 104) and sent to the regenerator 96, where it is via line 106 to the heat exchanger 86 is returned as preheated high pressure liquid. A variable speed Cooling fan 108 controls the temperature of the condenser 98.

Der Getriebekasten 74 für die Nebenaggregate und zur Untersatzung ist an einem zentralen Schmiersystem angeschlossen. Die Kraftmaschinen-Nebenaggregate, die bei Betrieb der Kraftmaschine dauernd benötigt werden, wie beispielsweise die Brennstoffpumpe, die Ölpumpe, das Kühlgebläse und die Hilfspumpe, werden von der Welle 72 über Zahnräder 110 des Nebenaggregatsantriebs angetrieben. Die Hauptuntersetzungszahnrädur 112 und übrigen Nebenaggregate werden von der Luistungsturbine 70 angetrieben. Die Hauptabtrisbewelle 114 der Kraftmaschine wird ihrerseits von den untersetzenden Zahnrädern 112 angetrieben.The gear box 74 for the ancillary units and for the pedestal is connected to a central lubrication system. The engine ancillaries, which are continuously required during operation of the engine, such as the The fuel pump, the oil pump, the cooling fan and the auxiliary pump are controlled by the Shaft 72 driven by gears 110 of the auxiliary unit drive. The main reduction gear 112 and other ancillary units are driven by the utility turbine 70. the The main breakaway shaft 114 of the prime mover is in turn controlled by the reduction gears Gears 112 driven.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in Fig. 7 dargestellt. Die verschiedenen Merkmale und Betriebsverhaltensaspekte dieser Kraftmaschine sind die gleichen wie bei der oben beschriebenen Kraftmaschine, wobei jedoch zusätzlich vorgesehen ist, daß das Arbeitsmedium im RankineKreisprozeß regeneriert und die Einlaßluft im Brayton-Kreisprozeß gedrosselt wird. In dieser Hinsicht sind die entsprechenden Teile der kombinierten Kraftmaschine mit den gleichen Bezugszeichen wie die entsprechenden Teile der unter Bezugnahme auf Fig. 1 diskutierten Kraftmaschine versehen.Another embodiment of the invention is shown schematically in FIG Fig. 7 shown. The various characteristics and performance aspects of these Engine are the same as the engine described above, where however, it is also provided that the working medium is regenerated in the Rankine cycle and the intake air is throttled in the Brayton cycle. In this regard are the corresponding parts of the combined engine with the same reference numerals like the corresponding parts of the engine discussed with reference to FIG. 1 Mistake.

Oben wurde erwähnt, daß bei dem Rankine-Kreisprozeß der kombinierten Kraftmaschine zusätzlich ein Regenerator 120 verwendet werden kann.It was mentioned above that in the Rankine cycle the combined Engine additionally a regenerator 120 can be used.

Bei der Verwendung von organischen Arbeitsmedien kann durch die Verwendung eines Regenerators 120 ein gewisser Wirkungsgradgewinn erzielt werden. Vorzugsweise hat der Regenerator 120 einen Kern mit einer ringförmigen Querstrom-Gegenstrom-Konfiguration, der die Rankine-Turbine 34 umgibt. Die Schlangen, die das Arbeitsmedium enthalten, verlaufen axial im Kern und sind in konzentrischen Kreisen angeordnet, die kontinuierliche radiale Rippen durchdringen.When using organic working media, the use of a regenerator 120 a certain gain in efficiency can be achieved. Preferably the regenerator 120 has a core with an annular cross-flow counter-flow configuration, surrounding the Rankine turbine 34. The snakes that contain the working medium run axially in the core and are arranged in concentric circles, the continuous penetrate radial ribs.

Die Flüssigkeit fließt vor und zurück durch die Schlangen, während der Dampf radial nach außen strömt.The liquid flows back and forth through the snakes while the steam flows radially outwards.

Eine Drosselung der Einlaßluft wird dadurch erreicht, daß ein Ventil 122 im Einlaßkanal 12 stromauf des Verdichters 14 (und stromab des Mischventils 16) angeordnet wird. Das drosselnde Ventil 122 wird so gesteuert, daß es nur bei Teillastbetrieb der Kraftmaschine arbeitet, und es erlaubt eine Verbesserung des Betriebsverhaltens über einen groBen Bereich von Leistungswerten. Insbesondere wird durch Drosselung der Einlaßluft die Ansprechgeschwindigkeit bei Beschleunigung aus dem Leerlauf und bei niedrigen Leistungswerten erhöht (d.h. das Nacheilen des Verdichters wird vermieden), und außerdem wird der Brennstoffverbrauch im Leerlauf verringert.A throttling of the intake air is achieved in that a valve 122 in the inlet duct 12 upstream of the compressor 14 (and downstream of the Mixing valve 16) is ordered. The throttling valve 122 is controlled so that it is only at Partial load operation of the engine works, and it allows an improvement in the Performance over a wide range of performance values. In particular, will by throttling the intake air, the response speed during acceleration increased idling and at low performance values (i.e. the lag of the compressor is avoided), and it also reduces fuel consumption when idling.

Dies sind beides Nachteile typischer Gasturbinen-Kraftmaschinen.These are both disadvantages of typical gas turbine engines.

Das drosselnde Ventil 122 und seine Steuerung können von herkömmlicher Art sein; vorzugsweise haben sie jedoch einen Aufbau, wie er in der Patentanmeldung der Anmelderin vom gleichen Tage (Anwaltsakte M-4324) dargestellt ist.The throttling valve 122 and its control can be of conventional Be kind; however, they preferably have a structure as described in the patent application the applicant from the same day (lawyer file M-4324) is shown.

Die Grundkomponenten der in rig. 7 schematisch gezeigten Kraftmaschine sind ausführlich unter Bezugnahme auf Fig. 1 gezeigt und beschrieben. Luft gelangt in die Kraftmaschine durch den EinlaB-kanal 12 und wird von dem Verdichter 14 auf einen Druck von mehreren Atmosphären verdichtet. Ein Drosselventil 122 ist im Einlaßkanal 12 angeordnet und steuert die Luftströmung zum Verdichter 14. Von dem Verdichter gelangt die Hochdruckluft in die Brennkammer 18, wo Brennstoff eingeführt und gezündet wird, um die Temperatur der Luft zu erhöhen. Die Verbrennungsprodukte werden durch die Hauptleistungsturbine 24 (Brayton-Turbine) expandiert, die eine mit der Last gekoppelte Abtriebswelle (nicht gezeigt) antreibt. Wärme von den Turbinenabgasen wird dazu benutzt, den Wärmetauscher 26 (Kocher) eines geschlossenen Rankine-Prozesses 130 zu betreiben, wobei vorzugsweise ein organisches Arbeitsfluid benutzt wird, wie oben erläutert wurde. Luft und die Verbrennungsprodukte, die durch den Wärmetauscher 28 strömen, werden durch den Auslaßkanal 30 aus der Kraftmaschine abgegeben. Ein Teil der Abgase wird über die Leitung 32 zu dem Mischventil 16 zurückgeführt, wo sie in gesteuerter Weise, wie oben beschrieben, mit der Einlaßluft vermischt werden. Die Steuereinrichtung zum Zurückführen der Abgase ist vorzugsweise die gleiche wie oben beschrieben.The basic components of the rig. 7 engine shown schematically are shown and described in detail with reference to FIG. Air into the engine through the inlet duct 12 and is opened by the compressor 14 compressed to a pressure of several atmospheres. A throttle valve 122 is in the intake port 12 and controls the flow of air to the compressor 14. From the compressor The high pressure air enters the combustion chamber 18, where fuel is introduced and ignited is used to raise the temperature of the air. The products of combustion are through the main power turbine 24 (Brayton turbine) expands, the one with the load coupled Output shaft (not shown) drives. Heat from the turbine exhaust is added to it uses the heat exchanger 26 (cooker) of a closed Rankine process 130 to operate, preferably using an organic working fluid, such as was explained above. Air and the products of combustion that pass through the heat exchanger 28 flow are discharged through the exhaust passage 30 from the engine. A Part of the exhaust gases is returned via line 32 to the mixing valve 16, where they are mixed with the intake air in a controlled manner as described above. The control means for recirculating the exhaust gases is preferably the same as described above.

Der Rankine-Kreisprozeß 130 arbeitet in der gleichen Weise wie oben beschrieben, und es ist nicht notwendig, an dieser Stelle weiter auf ihn einzugehen.The Rankine cycle 130 operates in the same manner as above and it is not necessary to go into it further at this point.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den Verdichter und die Turbine mechanisch in der Kraftmaschine anzuordnen. Beispielsweise kann die Leistungsturbine 24 mechanisch unabhängig vom Verdichter 14 sein.There are different options, the compressor and the turbine to be arranged mechanically in the prime mover. For example, the power turbine 24 be mechanically independent of the compressor 14.

Dies ist in Fig. 1 gezeigt, und die Kraftmaschine wird als Kraftmaschine mit freier Turbine bezeichnet. Die Leistungsturbine 24 und der Verdichter 14 (zusammen mit der Rankine-Turbine 34 und der Speisepumpe 38) können auch an einer einzigen Welle befestigt werden.This is shown in Fig. 1, and the prime mover is called the prime mover labeled with a free turbine. The power turbine 24 and the compressor 14 (together with the Rankine turbine 34 and the feed pump 38) can also be connected to a single Shaft to be attached.

Hierbei handelt es sich um eine Einwellen-liaschine. Als weitere Uöglichkeit können die Turbine 24 und der Verdichter 14 als Teil derselben Welle mit einer dazwischen angeordneten berholkupplung betrieben werden. Dieses letztere Ausführungsbeispiel hat einige Vorteile sowohl der Kraftmaschine mit freier Turbine wie auch der Einwellen-Maschine und wird als Kraftmaschine mit Kupplung bezeichnet.This is a single-shaft line machine. As another possibility For example, the turbine 24 and compressor 14 can be part of the same shaft with one in between arranged overrunning clutch operate. This latter embodiment has some advantages of both the free turbine engine and the single shaft engine and is referred to as a prime mover with a clutch.

Die Leistung der kombinierten Kraftmaschine nach Fig. 7 wird dadurch gesteuert, daß der Brennstoffstrom zur Brennkammer 18 geändert und die EinlaBluft für den Verdichter über das Drosselventil 122 gedrosselt wird. Diese werden durch eine Steuervorrichtung (nicht gezeigt) gesteuert, die von hydromechanischer, elektromechanischer, Fluidik-Bauart oder irgendeiner Kombination dieser Bauarten sein kann. Die Steuereinrichtung zur Steuerung der Leistung ist ähnlich der, die unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben wurde.The performance of the combined engine of Fig. 7 is thereby controlled that the fuel flow to the combustion chamber 18 changed and the inlet air for the compressor via the throttle valve 122 is throttled. These are through a control device (not shown) controlled by hydromechanical, electromechanical, Fluidic type or any combination of these types. The control device for controlling the power is similar to that described with reference to FIG and 2 has been described.

Wenn die Einlaßluft gedrosselt wird, ist die Steuereinrichtung auch geeignet, das Drosselventil 122 zu verstellen.When the intake air is throttled, so is the controller suitable for adjusting the throttle valve 122.

Bei hoher Leistung wird der Leistungspegel der Kraftmaschine dadurch gesteuert, daß die Einlaßtemperatur der Leistungsturbine 24 geändert wird, während das Drosselventil 122 im Einlaß des Verdichters geöffnet ist. Wenn eine vorgegebene Mindestainlaßtemperatur erreicht worden ist, wird die Leistung durch Drosseln der Einlaßströmung weiter verringert. Die liindesteinlaßtemperatur wird auf einen Wert festgelegt, bei dem genügend Wärme in den Abgasen der Turbine verbleibt, um den Verdichter 14 mittels des Rankine-Kreisprozesses 130 kontinuierlich mit mehr als halber Drehzahl anzutreiben. Während der Drosselung bleiben die Drehzahlen der Rankine-Turbine 34 und des Verdichters 14 bei ungefähr 80* der maximalen Drehzahl, während der Massenstrom der Kraftmaschine und der Brennstoffstrom kleiner werden.When the power is high, the power level of the engine is thereby increased controlled that the inlet temperature of the power turbine 24 is changed while the throttle valve 122 in the inlet of the compressor is open. If a given The minimum inlet temperature has been reached, the output is reduced by throttling the Inlet flow further reduced. The minimum inlet temperature is set to a value set at which enough heat remains in the exhaust gases from the turbine to generate the Compressor 14 by means of the Rankine cycle 130 continuously with more than to drive half the speed. The speed of the Rankine turbine remains during the throttling 34 and des Compressor 14 at approximately 80 * the maximum speed, while the engine mass flow and fuel flow become smaller.

Die Kraftmaschine kann am Einlaß gedrosselt werden, bis das Druckverhältnis und die Arbeit der Leistungsturbine 24 nahezu Null sind, da der Verdichter 14 mittels Arbeit angetrieben wird, die allein von der Abgaswärme abgeleitet wird. Vorzugsweise werden der Luftstrom und der Brennstoffstrom gleichzeitig verringert, so daß das Brennstoff/ Luft-Verhältnis konstant bleibt. Somit bleibt die Verbrennungsstabilität erhalten, und der Brennstoffstrom im Leerlauf kann sehr niedrig sein. Da die EinlaBtemperatur der Leistungsturbine 24 hoch bleibt, bleibt die Abgastemperatur ebenfalls hoch. Die Temperaturen des Arbeitsmittels und des Metalls in dem Wärmetauscher 28 (Kocher) bleiben ebenfalls auf einem hohen Wert, so daß in dem Rankine-Kreisprozeß nur wenig thermische Trägheit überwunden werden muß, um die Kraftmaschine zu beschleunigen.The engine can be throttled at the inlet until the pressure ratio and the work of the power turbine 24 are almost zero, since the compressor 14 by means of Work is driven, which is derived solely from the exhaust heat. Preferably the air flow and the fuel flow are reduced at the same time, so that the Fuel / air ratio remains constant. Thus, the combustion stability remains and the idle fuel flow can be very low. Since the inlet temperature of the power turbine 24 remains high, the exhaust gas temperature also remains high. The temperatures of the working medium and the metal in the heat exchanger 28 (cooker) also remain at a high value, so that little in the Rankine cycle thermal inertia must be overcome in order to accelerate the engine.

Ungefähr bei Leistungswerten unterhalb 25; wird die Verdichter-Einlaßluft durch das Drosselventil 122 gedrosselt, und die EinlaB-temperatur der Turbine 24 wird konstant auf 13000F gehalten. Die Drosselung zur Leistungssteuerung ermöglicht es, daß die Drehzahl des Verdichters 14 hoch bleibt, um die Beschleunigungsfähigkeit sicherzustellen. Die Drehzahl des Verdichters 14 ändert sich zwischen 6 und 100% der maximalen Uaschinendrehzahl und beträgt im Leerlauf 60 - 60%.Approximately at performance values below 25; becomes the compressor inlet air throttled by the throttle valve 122, and the inlet temperature of the turbine 24 is held constant at 13000F. The throttling for power control enables it that the speed of the compressor 14 remains high in order to accelerate the ability to ensure. The speed of the compressor 14 changes between 6 and 100% the maximum machine speed and is 60 - 60% when idling.

Eine kombinierte Kraftmaschine, die mit dem Drosselventil 122 versehen ist, besitzt eine Leistungsflexibilität über einen großen Drehzahlbereich, wodurch sie kompatibel mit vorhandenen Getrieben ist, eine hohe Ansprechgeschwindigkeit einschließlich Beschleunigung aus dem Leerlauf und einen hohen Wirkungsgrad über einen groBen Leistungsbereich einschließlich eines niedrigen Brennstoffstroms im Einlaß. Durch Drosselung der Einlaßluft werden ein adäquater Brenner-Temperaturanstieg und ein adäquates Brennstoff/Luft-Verhältnis in der Kraftmaschine bei niedriger Leistung und im Leerlauf aufrechterhalten. Dies hilft mit, einen niedrigen Wert an Abgas-Emissionen - insbesondere Kohlenstoffdioxid und Kohlenwasserstoffe - zu erzielen.A combined engine provided with the throttle valve 122 is, has a performance flexibility over a wide speed range, whereby it is compatible with existing gears, a high response speed including acceleration from idle and high efficiency above a wide range of power including low fuel flow in the Inlet. Throttling the inlet air provides an adequate burner temperature rise and an adequate fuel / air ratio in the engine at low Performance and sustained idle. This helps with getting a low value of exhaust gas emissions - especially carbon dioxide and hydrocarbons achieve.

Claims

Patent claims 1. Power machine with integrated Brayton and Rankine cycle, ffl characterized by a Rankine turbine (34) and one driven by this, designed as a centrifugal compressor (14), a Brayton turbine (24) and an inter-process heat exchanger (28) from the exhaust gases of the Brayton turbine (24) is supplied with heat and heat to drive the Rankine turbine (34) to the Rankine working medium emits, a burner (ins) and an air supply device for discharging air from the compressor (14) as well as combustion products from the burner to the Brayton turbine (24) and a return device (16, 32) for recirculation a portion of the exhaust gases from the Brayton turbine (24) to the compressor (14) for Increasing the thermal efficiency of the engine.

2. Engine according to claim 1, characterized by a control device (22,52,54) to let the inlet temperature (T2) of the Brayton turbine (24), the ambient air temperature (To) and the inlet pressure (T) of the compressor (14) as well as for adjustment the Return device (16, 32) as a function of this during partial load operation of the Power machine.

3. Engine according to claim 2, characterized in that the Control device (22,52,54) is designed so that it also controls the amount of adjusted to the burner (18) delivered fuel.

4. Engine according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the return device (16, 32) is gradually adjustable as a function on the Brayton inlet temperature (Tz) on one side and the difference between the ambient air temperature (To) and the compressor inlet temperature (T1) on the other side.

5. Engine according to claim 4, characterized in that the Difference between the ambient air temperature (T) and the compressor inlet temperature (T1) at an inlet temperature (T2) of the Brayton turbine (24) below 17o00F held constant and at an inlet temperature (T2) of the Brayton turbine (24) in Range between 17000F and 18000F is changed linearly.

6. Engine according to claim 5, characterized in that the Return device (16, 32) at an inlet temperature (T) 2 of the Brayton turbine (24) is adjusted above 1300 F so that the recirculation of exhaust gases through the engine is cut off.

7. Engine according to one of the preceding claims, characterized by a throttle device (122) for throttling the inlet flow into the compressor (14).

8. Engine according to claim 7, characterized by a control device (52) for measuring the inlet temperature (T2) of the Brayton turbine (24) and for adjustment the throttle device (122) in dependence on the inlet temperature of the Keep Brayton turbine within a specified range.

9. Engine according to claim 8, characterized in that the air flow to the compressor (14) and the fuel flow to the burner (18) can be reduced at the same time are when the inlet temperature (T2) reaches a predetermined minimum value to thereafter to maintain a constant fuel-to-air ratio.

10. The engine according to claim 9, characterized in that the predetermined minimum temperature (Tz) is chosen so that there is enough heat in the exhaust gases the Brayton turbine (24) remains around the compressor (14) continuously with more than 50% speed to be driven.

11. Engine according to one of the preceding claims in connection with claim 8, characterized in that the predetermined temperature range between 13000 F and 18000 F.

12. Engine according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the proportion of the recirculated exhaust gases is controlled accordingly of the formula (T'i'ToiCP EGR r CPAb where T1 is the temperature of the gas mixture at the compressor inlet, T is the temperature of the ambient air, TE is the temperature of the exhaust gases, CPLU is the specific Heat of the intake air and CPAb mean the specific heat of the exhaust gases.

13. Engine according to claim 12, characterized in that the The percentage of exhaust gases that are recirculated can be controlled between 0 and 80%.

14. Power machine, in particular according to one of the preceding claims, characterized by a single-stage main power turbine (24;? 0) with an inlet and an outlet, a single stage compressor (14; 78) having an inlet and one Outlet, a combustion chamber (18; 84) s between the \ compressor (14376) and the main power turbine (24ß70) is arranged, with the compressor and the combustion chamber the main power turbine supply with air and products of combustion to propel them, valve means (16; 82), which is arranged upstream of the compressor inlet, to the recirculation of exhaust gases from the Set the main power turbine to the compressor, a control device (58) which regulates the valve device (16; 82) so that a predetermined proportion of the exhaust gases is recirculated, the control device the Inlet temperature (T2) of the main power turbine, the ambient air temperature (To) and taking into account the inlet temperature (T1) of the compressor, a Rankine turbine (34; 94), the compressor (14378) independently of the main power turbine (24;? 0) drives and which has an inlet and outlet, one in a closed Rankine cycle working system for driving the Rankine turbine (34; 94), a heat exchanger (28; 86) in the Rankine plant, the heat from the exhaust gases of the main power turbine (24; 70) is absorbed and connected to the inlet of the Rankine turbine in order to pass to it Working medium that was evaporated in the heat exchanger to be released, and a condenser (46; 98), the one with the outlet of the Rankine turbine (34; 94) and the inlet of the heat exchanger (28; 86) is connected to the condensed evaporated working medium to the heat exchanger traced back.

15. Engine according to claim 14, characterized by a feed pump (38) for the promotion of the Rankine working medium through the closed Rankine cycle.

16. The engine according to claim 15, characterized in that the Pump (38) is designed as a centrifugal pump, coaxial with the Rankine turbine (34) is arranged and rotates with this.

17. Engine according to one of claims 14 to 16, characterized in that that the compressor (78), the main power turbine (70) and the Hankine turbine (94) are mounted along the same axis on a connecting shaft (72) and that an overrunning clutch (76) on the connecting shaft (72) between the main power turbine (70) and the compressor (7U) is arranged.

18. Engine according to one of claims 14 to 17, characterized in that that the valve device (c, 2) stepwise depending on the inlet temperature (T2) of the Brayton turbine on the one hand and the difference between the ambient air temperature (T0) and the compressor inlet temperature (T1) on the other hand is adjustable.

19. Engine according to claim 18, characterized in that at an inlet temperature (T2) of the Brayton turbine below 17000F the difference between the ambient air temperature (To) and the compressor inlet temperature (T1) is kept constant and at an inlet temperature (T2) of the Brayton turbine in Range from 17000F to 18000F is changed linearly, and that the feedback device (16.32362.90) so adjustable at an inlet temperature (T2) of the Brayton turbine is that recirculation of the exhaust gases through the engine is prevented.

20. Engine according to one of claims 14 to 19, characterized in that that a throttle device (122) is provided upstream of the compressor (78), to adjust the amount of air flow supplied to the compressor (78), and that the control device (22) adjusts the throttle device (122) so that the inlet temperature (T2) of the main power turbine is kept within a predetermined temperature range will.

21. Engine according to claim 20, characterized in that the Minimum temperature of the specified temperature range is chosen so that sufficient Heat in the exhaust gases from the main power turbine (70) remains around the compressor (78) to be driven continuously at more than 50% speed.

22. control device for an integrated Brayton-Rankins engine; in particular according to one of the preceding claims, with a Rankine turbine and a centrifugal compressor driven by this, a Brayton turbine and an inter-process heat exchanger that srwfirms from the exhaust gases of the Brayton turbine and gives off heat to the Rankine turbine, a burner and an air supply device for discharging air from the compressor and the products of combustion from the burner to the Brayton turbine, characterized by means (52) for measuring the Brayton turbine inlet temperature (T2), ambient air temperature (To) and the inlet temperature (T1) of the Compressor, and a return device (16,32) for recirculating the exhaust gases of the engine into the compressor, the Control device measures the recirculation of the exhaust gases during partial load operation in such a way that that the thermal efficiency increases and the air mass flow of the engine is decreased.

23. Control device according to claim 22, characterized in that the return device (16, 32) on the one hand from the inlet temperature (T2) of the Brayton turbine and on the other hand on the difference between the ambient air temperature (To) and the compressor inlet temperature (T1) is adjustable in steps.

24. Control device according to claim 23, characterized in that the difference between the ambient air temperature (T) and the compressor inlet temperature (T1) at an inlet temperature (T2) of the Brayton turbine (24) below 17000F held constant and at an inlet temperature (T2) of the Brayton turbine (24) in Range between 17000F and 16000F is changed linearly.

25. Control device according to claim 24, characterized in that the return means (16,32) at an inlet temperature (T2 of the Brayton turbine (24) is adjusted above 18000F so that the recirculation of exhaust gases through the prime mover is cut off.

26. Control device according to one of claims 22 to 25, characterized characterized in that the proportion of the recirculated exhaust gases is controlled accordingly of the formula (T1-T0) CPLu EGR = (TE-T0) CPAb where T1 is the temperature of the gas mixture at the compressor inlet, T0 the temperature of the ambient air, TE the temperature of the exhaust gases, CPLu is the specific heat of the intake air and CPAb is the specific heat of the exhaust gases mean.

27. Control device according to claim 26, characterized in that the percentage of exhaust gases recirculated is controlled to be between 0 and 60; lies.

28. Control device according to one of claims 22 to 27, characterized by throttling means (122) for throttling inlet flow to the compressor (78) the inlet temperature (T2) of the Brayton turbine within a predetermined range Keep range.

29. Control device according to claim 26, characterized in that the specified temperature range is chosen so that there is sufficient heat in the exhaust gases the Brayton turbine remains to run the compressor continuously at more than 50% Speed to be unlocked.

30. Method for increasing the thermal efficiency of an integrated 8rayton Rankine engine, in particular according to one of the preceding claims, with a flankine turbine and a centrifugal compressor driven by this, a Brayton turbine with an inlet and an outlet, an intermediate percent heat exchanger, which receives heat from the exhaust gases of the Brayton turbine and heat to drive the Rankine turbine delivers to the Rankine working medium, a separator and an air supply device to discharge air from the compressor and combustion products from the burner the Brayton turbine, characterized in that the ambient air temperature, the Compressor inlet temperature and Brayton turbine inlet temperature continuous are measured and that a part of the exhaust gases of the engine at partial load operation fed back into the compressor depending on the measured temperatures will.

31. The method according to claim 30, characterized in that the recirculation of the exhaust gases as a function of the inlet temperature of the Brayton turbine on the one hand and the difference between the ambient air temperature and the compressor inlet temperature on the other hand, it is measured in stages.

32. The method according to claim 30 or 31, characterized in that the air flow to the compressor and the fuel flow to the burner as a function from the inlet temperature of the Brayton turbine to the inlet temperature the Brayton turbine to be kept within predetermined limits, thereby the combustion is kept stable when idling and at low power levels, the fuel flow is minimized and in the exhaust gases of the Brayton turbine enough heat remains to keep the compressor running continuously at more than 50Ub speed to drive.

33. The method according to claim 32, characterized in that the air flow to the compressor is first decreased when the power value of the engine falls below 25oil of full power.

34. The method according to claim 32 or 33, characterized in that the air flow to the compressor and the fuel flow to the burner are reduced at the same time when the inlet temperature of the Brayton turbine is a predetermined minimum value reached, so that the fuel / air ratio is kept constant thereafter.

35. Power machine with integrated Brayton and Rankine cycle processes, characterized by a Rankine turbine (34) and one driven by this Centrifugal compressor (14), a Brayton turbine (24) and an inter-cycle heat exchanger (28) that of the Exhaust gases from the 8rayton turbine (24) receives heat and gives off heat to drive the Rankine turbine (34) to the Rankine working medium, a burner (18) and air supply connected to the Brayton turbine (24) Air from the compressor (14) together with combustion products from the burner (18) outputs, a throttle device (122) for throttling the in the compressor (14) entering Air and a recirculation device (16,32) taking part of the exhaust gases from the Brayton turbine returns to the compressor.