DE2846597A1 - Zweistufige verbundgasturbine - Google Patents

Description

• Zweistufige Verbundgasturbine
• Verbundgasturbinen mit einstufiger Verdichtung und einstufiger Entspaiinung sind durch die Freikolben-Generatoren der Firma Modag ( bauart Pescara ), Sigma und Baldwin-Lima-Hamilton bekannt geworden. L)iese Anlagen stellen Verbundmaschinen dar, bei welchen Freikolbenmaschinen im Hochdruckbereich und Strömungsmaschinen im Niederdruckbereich kombiniert sind. Jiese Treibgasgeneratoren bestehen aus einem Dieselmotorverdichter in Freikolbenbauart, welcher <:as in den Brennkammern des Dieselmotors erzeugte J'ruckgas zum Antrieb des Freikolbenverdichters ausnutzt und dasselbe anschließend zur Entspannung und Arbeitsabgabe einer. nachgeschalteten Turbine zuführt. Der Wirkungsgrad dieser Freikolben-Gasgeneratoren ist durch den Fortfall des verlustbehafteten Kurbeltriebes sehr loch. Jagegen ist die Nutzleistung dieser Generatoren in der Ausführung als langsamlaufende Zweizylindermaschine mit zwei gegenhäufigen Kolbensystemen sehr niedrig, sodaß sie für eine Verwendung in er Energie-Erzeugung und als Antriebsmaschine vor allem in dor Schiffahrt wegen der ungünstigen Kennwerte für Leistungsgewicht und Leistungskonzentration nicht geeignet sind.
• Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung der Grundlagen für oino mehrstufige Verbundgasturbine, welche den hohen Wirkungsgr;d des Freikolben-Gasgenerators mit der hohen Nutzleistung der Gas s turbine verbinuet.
• Jie erfindungsgemäße Aufgabe wird in der Weise gelöst, daß die von einem Turboverdichter erzeugte Druckluft nach Zwischenkühlung zur Hochverdichtung in die Verdichtungdräume und anschließend in die Brennräume eines Kolben-Gasgenerators geleitet wird, worauf das so erzeugte druckgas nach Abgabe einer Teilenergie zum Antrieb des Hochdruck-Kolbenverdichters zur Entspannung und Arbeitsabgabe einer Hochdruckturbine und anschließend nach Mischung mit der ungekühlten Druckluft eines zweiten Turboverdichters zur Zwischenerhiti'.ung einer Niederdruckbrennkammer und zur weiteren Entspannung und Arbeitsabgabe einer Niederdruckturbine zugeführt wird, wobei dio Turboverdichter auf der Nutzleistungswelle angeordnet sind und von den Turbinen angetrieben werden.
• Die vom ersten Turboverdichter erzeugte Druckluft wird gekühlt, um Volumen, Temperatur und Leistungsbedarf für die Hochdruckverdichtung u reduzieren, wodurch Durchsatz und Wirlcungsgrad des Kolbenverdichters günstig beeinflußt werden. Dagegen wird die vom zweitell Turboverdichter erzeugte Druckluft nicht gekühlt zwecks Wärmezufuhr in der Niederdruckbrennkammer, da die zur Erreichung der erforderlichen 'Iilrbineneintrittstemperatur nötige Kraftstoffzufuhr umso <eringer wird, je höher die Temperatur der zugeführten L)ruckluft ist.
• lu der Zeichnung ist als Beispiel der Erfindung ein Schaltschema der Anlage dargestellt. Die Erfindung ist nicht auf dieses Beistiel beschränkt, es sind lediglich die zum Verständnis des Erfindungsgedankens erforderlichen grundlegenden technischen Merkmale dargestellt.
• Jurcii den Frischluft-Kanal 1 strömt Frischluft mit Atmosphärendruck in den Niederdruckverdichter 2. iJie verdichtete Luft gelaugt über Leitung 3 zum Zwischenkühler 4, wird dort zurückge-I<iilllt und jiber Leitung 5 zum Hochdruck-Kolbenverduchter 6 gefördert, dort hochverdichtet und anschließend über Leitung 7 in die Brennräume des Dieselmotors 8 geleitet, auf Höchstdruck verdichteL und verbrannt.Die in den Brennräumen des Gasgenerators durch dio Verbrennung auf chemischem Wege erzeugten Hochdruckgase geben einon Teil ihrer Energie über die mit den Dieselkolben mittels Kupplung 9 kraftschlüßig verbundemen Verdichterkolben an den Hochdruck-Kolbenverdichter 6 ab,worauf die gesamte Abgasenorgie über die Druckgasleitung lo und den Druckgasbehälter 11 zur Entspannung und Arbeitsabgabe zur Ilochdruckturbine 12 geleitet wird, welche ihre Leistung an die Nutzleistungwelle 13 abgibt.
• Das teilweise entspannte Druckgas wird über die Leitung 14 nach Mischung mit der von einem zweiten Niederdruck-Turboverdichter 15 über Leitung 16 und Mischbehälter 17 gelieferten ungekühlten Druckluft in die Brennkammer 18 geleitet, dortzwischenerhitzt u.
• über Leitung 19 zur Niederdruck-Turbine 20 geleitet, in welcher das restliche Druck- und Temperaturgef.ille verarbeitet wird. J'ie Leistung der Niederdruck-Turbine wird ebenfalls an die Nutzleistungswelle 13 abgegeben, auf welcher die Arbeitsmaschine 21 angeordnet ist.Die kinetische Energie der Turbinenabgase kann in uer Düsenvorrichtung 22 zur Senkung des Abgasgegendrucks ausgenutzt werden, wodurch das Turbinendruckgefälle und damit die Turbinenleistung erhöht werden. Die Abgase der Niederdruck-Turbine können dann über die Leitung 23 zum Wärmetauscher 24 geleitet werden, in welchem das noch vorhandene Temperaturgefälle zur Erhitzung der vom Niederdruck-Verdichter 15 gelieferten Druckluft ausgenutzt werden kann. Durch die Leitung 25 werden die Abgase der Anlage in die Atmosphäre geleitet.
• Im Fall der Erzeugung sehr hoher Brennkammerdrücke und Temperaturen wird die vom zweiten Turboverdichter 15 erzeugte Druckluft über die Leistungen 16 und 16t zu dem als Wirmetauscher ausgebildeuten Druckausgleichbehälter 11 gefördert, wodurch die hochtornperierten Abgase aus den Brennkammern 8 der Verbrennungszylinder auf die zulässige Eintrittstemperatur der Hochdruck-Turbine 12 abgekühlt werden und derdurch die Hochdruckverbrennung erzeugte Wirmeüberschuß über Leitung 16' zur Erhitzung der vom zweiten Turboverdichter 15 gelieferten ungekühlten Druckluft genutzt wird, welche nach Mischung mit den von der Hochdruck-Turbine kommenden Abgasen der Leitung 14 in dem I)ruckausgleichbehälter 17 über Leitung 19 zur weiteren Zwischenerhitzung der Niederdruck-Brennkammer 18 und anschließend zur weiteren Entspannung und Arbeitsabgabe der Niederdruck-Turbine zugeführt werden.
• Der verfahrenstechnische Vorteil der vorgeschlagenen Erfindung liegt darin, daß die für den Wirkungsgrad entscheidenden Prozeß-Höchstdrücke und Temperaturen des Arbeitsgases im Nieder- und Alitteldruckgebiet auf mechanischem Wege und im llochdruckgebiet auf chemischem Wege durch den Verbrennungsvorgang erzeugt werden. I)iese Werte liegen bei Motoren mit dem Seiligerprozeß wesentlich höher als die auf mechanischem Wege durchgeführte Verdichtung und anschließende Verbrennung bei konstantem Druck in den Brennkam mern der Gasturbinen.
• Weitere Möglichkeiten ur Leistungs-und Wirkungsgradsteigerung liegen in der Zwischenerhitzung der im zweiten Niederdruckverdichterkreis erzeugten ungekühlten Druckluft durch Aufnahme des Wärmeüberschusses der Hochdruckbrennkammern über einen Wärmetauscher mit nachfolgeneder Zwischenerhitzung in der Niederdruckbrennkammer, ferner in der Anordnung einer Vorrichtung zur Senkung des Abgasgegendruckes hinter der Turbine mit entsprechender Leistungserhöhung.
• Nachdem durch Berechnung und Versucht nachgewiesen wurde, daf3 der Wirkungsgrad einfachwirkende gegenläufiger ?reikolben-Gasgenera -toren in der Größenordnung von 50 % liegt, ist bei dem hochaufgeladenen zweistufigen Zweikreis-Gasgenerator mit Zwischenkühlung und Zwischenerhitzung und Ilöchstdrücken von 150 -170 ata mit entsprechenden Verbrennungstemperaturen von 2200 - 2400 OK mit Wirkungsgraden in der Höhe von 55 - 6o % zu rechnen. Mit di ese. Wer- Werten ist; aber die Brennka;merbelastung nicht begrenzt. Da die Gasdrücke direkt vom Verbrennungskolben auf den Verdichterkolben geleitet werden, und die Beschränkungen durch höchstzulässige Lagerbolastungen und Anlankdrücke, die beim Schublcurbelgetriebe der Gasdruckerhöhung eine klare Grenze setzen, fortfallen, ist die -Möglichkeit einer weiteren Erhöhung der Vsrbrennungsdrücke und der Entwicklung von Hochdruckbrennkammern gegeben. Da die Optimal werte der Hochdruckbrennkammern im Unendlichen liegen, ist die Wirkungsgradgrenze mit 60 % noch nicht erreicht. Diese hohen W ungsgrade sind erreichbar, wenn durch konstruktive Maßnahmen z.B Lagerung der Kolben mittels zentrischer Kolbenstangen, Anordnung von Labyrinthdichtungen mit t Laufspalt bei den Verdichterkolben otc. die e Reibungsverluste weitgehend reduziert werden können.
• Yur Erreichung hoher Nutzleistungen kann der Treibgasgenerator vorzugweise als Motorverdichter mit achsparallelen Zylindergrup pen in Trommelbauart mit doppeltwirkenden, gegenläufigen Kolbensystemen ausgebildet werden, wobei der Gegenlauf der olben und die Kolbengeschwindigkeit über dem Ilub durch zwei gegenläufige Taumelscheiben synchronisiert werden, die auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Bei diesem Taumelscheibengetriebe und bei dor Taumelscheibenwelle sind ctie Reibungsverluste sehr gering, da keine Nutzleistung nach außen übertragen wird, und der Leistungsbedarf fiir die Nebenantriebe sehr gering ist. Die gesamte Kraftübertragung erfolgt wie beim reinen Freikolbentriebwerk inner -halb der Kolbensysteme, die aus der Iiombination Verbrennungskolbon -Verdichterkolben bestehen. Auch innerhalb des Triebwerks übertragen die Taumelscheiben keine Gaskräfte mit Ausnahme der Differenzkräfte, die durch unterschiedliche Verbrennung in den einzelnen Verbrennungszylindern verursacht werden. Die beiden gegenläufigen Taumelscheiben besitzen nur eine steuerungstechnische Itinktion, d .h. sie steuern die Kolbenbewegung sowie die Geschwindigkeiten und Beschleunigungen der Nolbensysteme bei konstantem Laub. I)ie eehrzylinder-Trommelbauart mit doppeltwirkenden und gegenläufigen Kolbensystemen mit kontinuierlich aufeinanderfolgenden Verbrennungs und Verdichtungsvorgängen besitzt eine gleichmäßige Lade- und Spüldruckaufbereitung ohne Druckstöße und daher eine we.Ltgeiiend ausgeglichene Verbrennung in den Zylindern, was zu einer gleichmäßigen Beaufschlagung der Turbinen und hohen Turb i ncnwirkungsgraden führt. Hinzu kommt, daß durch die Gegenläufigkeit der oszillierenden Triebwerkselemente ein vollkommener Ausgleich der Massen sichergestellt wird. Die gegenläufigen Taumelscheiben sind zur Erreichung gleicher Geschwindigkeits und Be -schleunigungsvorgänge der Kolbensysteme auf Kegelverzahnungenabgestützt.
• Die in aer zeichnung aufgeführten Bezeichnungen bedeuten: 26 Dieselkolben, 27 Dieselzylinder, 28 Verdichterkolben, 29 Verdichterzylinder, 30 Kolbenstange, 31 Taumelscheibe, 32 Taumelscheibenwelle, 33 Taumelscheibenlagerung, 34 Taumelscheibenköpfe Die Erfindung kann in der Technik dort mit Erfolg angewendet--werden, wo hohe Nutzleistungen bei hoher Leistungskonzentration und niedrigem Kraftstoffverbrauch unter Ausschaltung der Schwierig -keiten, die bei der Übertragung großer Leistungen mit Schubkurbelgetrieben auftreten, verlangt werden, wie das bei stationären Anlagen und Schiffsmaschinen der Fall ist. Unter Berücksichtigung der Energiekrise besitzt die vorliegende Erfindung eine aktuelle wirtschaftliche Bedeutung.

Claims (1)

1. Patentansprüche 3Anspruch 1 Zweistufige Verbundgasturbinenanlage dadurch gekenn -zeichnet, daß die Hochdruckstufe einer zweistufigen Gasturbinen -anlage als Kolbengasgeneratoranlage mit Vorverdichtung durch einen Turboverdichter und nachfolgender Zwischenkühlung ausgebildet ist , und ein zweiter Turboverdichterungekühlte Druckluft in die Niederdruckbrennkammer fördert.

   Anspruch 2 Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Turboverdichter die von ihm erzeugte Druckluft nach Swischenktthlung zur Hochverdichtung in die Verdichterräume und anschließend zur weiteren Drucksteigerung in die Brennräume eines Preikolben-Gasgenerators fördert, worauf die in den Brennräumen erzeugten Hochdruckgase nach Abgabe einer Teil energie zum Antrieb des Kolbenverdichters zur Entspannung und Arbeitsabgabe einer Hochdruckturbine und anschließend nach Mischung mit der ungekühlten druckluft eines zweiten Turboverdichters zur Zwischenerhitzung einer Niederdruckbrennkammer zugeführt wird, wobei dis 'lMrboverdichter auf der Nutzleistungswelle angeordnet sind und von den Turbinen angetrieben werden.

   Anspruch 3 Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Turboverdichter ungekühlte Druckluft nach Mischt ung mit den Abgasen der Hochdruckturbine zur Zwischenerhitzung in die Niederdruckbrennkammer und anschließend zur Entspannung und Arbeitsabgabe zur Niederdruckturbine fördert.

   Anspruch 4 Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckbrennkammern des Freikolben-Gasgenerators von der Ansaugluft des Turboverdichters, welcher ungekühlte Druck -luft zur Niederdruckbrennkamner fördert, gekühlt werden.

   Anspruch 5 Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, + daß die hochtemperierten Abgase aus den Brennkammern des Treibgas@ zwecks Reduzierung ihrer Temperatur auf die zulässige Eintrittstemperatur in die Hochdruckgasturbine- in dem als Wärmetauscher ausgebildeten Druckausgleichbehälter ihre überschüssige Wärmeener gie auf die ungekühlte Druckluft des zweiten Turboverdichters übertragen. + Treibgaserzeugers Anspruch 6 Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Niederdruckturbine ein Wärmetauscher angeordnet ist zur weiteren Aufheizung der vom zweiten Turboverdichter in die Niederdruckbrennkammer geförderten ungekühlten Druckluft.

   Anspruch 7 Vorrichtung nach Anspruc 1 dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Niederdruckturbine eine Lavaldüse zur Senkung des Gegendruckes und Vergrößerung des rlBrbinendruckgefälles angeordnet ist.

   Anspruch 8 Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Treibgasgenerator als Freikolbengenerator in Tromielbaut art mit achsparallelen Zylindergruppen und doppeltwirkenden, gegenläufigen Kolbensystemen aus Dieselkolben und verdichterkobben ausgebildet ist.

   Anspruch 9 Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß die gegenläufigen Kolbensysteme der Trommelbauart in ihrem Gegenlauf durch zwei auf der gemeinsamen Taumelscheibenwelle angeordnete gegenläufige Taumel scheiben angelenkt und ihre Geschwin~ digkeits- und Begehleunigungsverhiltnisse synchronisiert werden.

   Anspruch 10 Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß die ronden gegenläufigen auf Kegelverzahnungen abgestützten Taumel scheiben über ihre Taumelscheibenköpfe gesteuerten Kolbensätze gleiche Geschwindigkeitsverläufe über dem Hub besitzen.