DE2909394C2 - Gasturbinenanlage, insbesondere zum Antrieb von Kraftfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Gasturbinenanlage dieser Art ist durch die DE-OS 20 52 9Oi bekannt. Dort ist die Aufgabe gestellt, für einen Abgaswärmct?uscher eine einfache und /weckmäßige Form und cin<;n guten Wärmeaustausch zu erreichen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Abgaswärmetauscher wie folgt als vertikaler Kreuzstromrekupcrator ausgebildet: Ein innerer hohlzylindrischer Mantel umgibt eine hohlzylindrische Brennkammerwand mit Abstand und ist von einem äußeren hohlzylindrischcn Mantel mit Abstand umgeben. Es sind in den Mänteln in mehreren horizontalen, übereinanderliegenden Ebenen Durchbrüche vorgesehen, die miteinander durch radiale Röhren für die Luft verbunden sind. Im Ringraum zwischen den Mänteln sind Partikel aus wärmebeständigem Material vorgesehen, und das durch diesen Ringraum hindurch entgegen der Hauptströmungsrichtung der Brennkammer nach oben strömende Abgas bewirkt eine Fluidisierung der Partikel, wodurch sich ein höherer Wärmeübergang zwischen dem Abgas und der Luft ergibt.

Die Luft aus den Röhren sämtlicher genannter Ebenen strömt in den zwischen dem inneren Mantel und der Brennkammerwand befindlichen Ringraum mit in der Hauptströmungsrichtung der Brennkammer bzw. nach unten ansteigender Lufttemperatur. Sie strömt aus diesem Ringraum durch eine weit oberhalb der obersten Röhrenebene, im Gebiet des Brennkammerkopfs liegende Öffnung und durch Öffnungen in der Brennkammerwand, die in mehreren weit unterhalb der oberen Röhrenebenen beginnenden Ebenen liegen und gegenüber den dortigen Röhren vertikal versetzt liegen, in das Innere der Brennkammer, ebenfalls mit in der Hauptströmungsrichtung der Brennkammer ansteigender Lufttemperatur. Im Hinblick auf die noch zu nennende, im Vergleich zur obengenannten Aufgabe völlig andere Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung ist es jedoch nachteilig, daß diese Luft aus den vertikal aufeinanderfolgenden Röhren durch diese Lagen der öffnungen und Röhren zueiannder und im Ringraum erfolgende, gegenseitige Vermischungen dem Innern der Brennkammer nicht definiert zugeführt wird. Zur anfangs genannten Gasturbinenanlage wird noch auf folgendes verwiesen; Beim Drehregenerator ist die Aufheizung der Luft dort am größen, wo die aufgeheizte Matrix in die Luftseite eintritt. Auf dem Weg durch die Luftseite gibt die Matrix Wärme an die Luft ab, so daß

ίο über den Luftaustrittsquerschnitt die Lufttemperatur in Drehrichtung der Matrix abnimmt. Der Unterschied zwischen dem Höchstwert und dem Tiefstwert dieser Luftaustrittstemperatur ist von der Auslegung des Drehregenerators abhängig, wobei dieser Unterschied bei einem sich langsam drehenden Drehregenerator größer ist als bei einem sich schneller drehenden. Beim •Kreuzstromrekuperator ist die Aufheizung der Luft längs der Abgaseintrittsseite am größten und, da das Abgas auf seinem Weg zur Abgasaustrittsseite Wärme abgibt, längs der Abgasaustrittsseite am kleinsten, so daß über den Luftaustrittsquerschnitt die Lufttemperaturin dieser Richtung abnimmt.

Nun besteht bei der anfangs genannten Gasturbinenanlage außer dem Wunsch, die Kühlung der Brennkammer möglichst zu verbessern, ein Problem durch die zunehmende Verschärfung der Abgasvorschriften bzw. die zunehmend schärfere Limitierung (Begrenzung) der Schadstoffmengen, weil z. B. die Emission (der Ausstoß) von Stickoxiden (NO_x) durch die exponentiell Temperaturabhängigkeit dieser Emission bei der Verwendung vorgewärmter Luft stark zunimmt.

Aufgabe gemäß der Erfindung ist es, einen Schutz des Brennkammerkopfes vor zu großer Hitze und eine Verminderung der Erzeugung von Stickoxiden (NO,)

J5 oder überhaupt eine schadstoffvermindernde Verbrennung zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch das Kennzeichen des Anspruchs I gelöst.

Es werden also definierte Kanäle für die Luft ei7.ielt.

Die den Abgaswärmetauscher verlassende Luft ist somit dem Innern der Brennkammer definiert zuführbar. Vom Luftaustrittsquerschnitt des Abgaswärmetauschers führt von einem ersten Bereich ein solcher einzelner Kanal mit der kühlen Luft zum vorderen, vom anschließenden Bereich ein weiterer solch einzelner Kanal mit der nächstwärmeren Luft zum anschließenden Gebiet der Brennkammer und gegebenenfalls so weiter. Es können mittels dieser einzelnen Kanäle die niedrigen Temperaturen zum einen zur Brennkammerkopf-Kühlung und 7um anderen zur Verminderung der ΝΟ,-Erzeugung in der Brennkammerprimärzone und die hohen Temperaturen in den hinteren Brennkammerzonen zum Zwecke der Reduzierung der Emission von Kohlenmonoxid und der Reduzierung der Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe verwendet werden. Außer einer genügend lange Standzeiten bewirkenden Kühlung der im allgemeinen vorwiegend aus Blech bestehenden Brennkammerwandung sind im Vergleich zur bekannten Gasturbinenanlage eine bessere Kühlung des Brennkammerkopfes und eine besser schadstoffvermindernde Verbrennung erzielbar.

Die Brennkammer der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage ist im allgemeinen eine Rohrbrennkammer, eine Ringbrennkammer oder eine Rohr-Ringbrennkammer (Rohrbrennkammern über 360° verteilt angeordnet), in allen diesen Fällen axial bzw. ringaxial durchströmt.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind aus den

Unteranspröcben ersichtlich.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele von Temperaturverläufen bei den Wärmetauschern und des erfindungsgemäOen Gegenstands schematisch dargestellt,

Fig, I zeigt für einen Regenerativwärmetauscher, und zwar Drehregenerator mit scheibenförmiger Matrix, ein Diagramm, in deiTi die Matrixtemperaturen und die Eintritts- und dip Austrittstemperaturen des Abgases und der Luft Ober dem Umfang aufgetragen sind;

Fig.2 zeigt bei einem Kreuzstromrekuperator Diagramme, in denen die Eintritts- und die Austrittstemperaturen des Abgases und der Luft längs der Eintritte und Austritte in Abgas- bzw. Luftdurchströmrichtung aufgetragen sind;

Fig.3 zeigt die Erfindung bei einem Drehregenerator;

Fig.4 zeigt die Erfindung bei einem Kreuzstromrekuperator;

Fig. 5 zeigt ein Gasturbinentriebwerk mit zwei Drehregeneratoren, in einem Längsschnitt;

F i g. 6 zeigt dies in einem darauf senkrecht stehenden Längsschnitt VI-VI (F i g. 5);

Fig. 7 zeigt dies in einem Querschnitt VII-VII (Fig. 5), und

Fig.8 zeigt dies in einem Querschnitt VIN-VIII (Fig. 7);

Fig.9 zeigt ein weiteres Gasturbinentriebwerk, mit zwei Kreuzstromrekuperatoren, in einem Längsschnitt, jo und

Fig. 1.0 zeigt dieses Triebwerk in einer Ansicht aus der axialen Richtung X.

In Fig. 1 geben die Pfeile χ an, daß das Abgas und die Luft die Matrix einander entgegengesetzt durchströmen. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß in Umfangs- und Drehrichtung die Matrixtemperaiuren 1,' bis W über der Abgasseite kontinuierlich von einem Tiefstwert auf einen Höchstwert ansteigen und Matrixtemperaturen fi bis /5 über der Luftseite kontinuierlich von diesem Höchstwert auf diesen Tiefstwert abnehmen. Gleichartig verhält es sich mit den Abgas- und Lufttemperaturen in der Matrix, die das Diagramm aber nicht enthält, und mit der Abgastemperatur über dem Abgasaustrittsquerschnitt, also mit Ιαο&ιλλ, und. was für v, die Erfindung wichtig ist, mit der Lufttemperatur über dem Luftaustrittsquerschnitt, also mit ΙιμΠι.λ- Die Abgastemperatur über dem Abgasaiistritlsquerschnitt, also tAbgitAE, ist konstant, desgleichen die Lufttemperatur über dem Lufteintrittsquerschnitt, also ti__ui,i.r.

Die im Rekuperator 10 von Fig. 2 eingetragenen Pfeile deuten den Kreuzstrom an. Der Abgasstrom und der Luftstrom nehmen jeweils die volle zugehörige Breite des Rekuperators 10 ein. Aus den Diagrammen ist ersichtlich, daß die Abgaseintrittstemperatur kon- ·-« stant und die Abgasaustrittstemperatur nicht konstant ist und daß die Lufttemperatur konstant ist und. was für die Erfindung wichtig ist, die Lufttemperatur über den Luftaustriltsquerschnitt in Abgasdurchströmrichtung abnimmt. m>

Gemäß Fig.3 tritt die Luft in den Drehregenerator bzw, dessen scheibenförmige, sigh in Richtung des Pfeils 13 um eine Achse 14 drehende Matrix 11 in Richtung der Pfeile 29 ein und in erwärmten Zustand aus der Matrix 11 in Richtung der Pfeile 30 aus. Der Luftaustrittsquer- n-> schnitt ist in Bereiche 15 bis 18 unterteilt, die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgen, wobei die in ihnen vorhandenen mittleren Lufttemperaturen Γι bis T» in Richtung des Pfeils 13 im Sinn T\ < Ti < T> < T₄ abnehmen, Von den Bereichen 15 bis 18 führen voneinander getrennte Kanäle I·» ais 22 zu Gebieten 24 bis 27 einer Brennkammer 23, die eine Rohrbrennkainmer ist. In diese Gebiete 24 bis 27 treten die betreffenden Luftströme etwa mit den Temperaturen Ti bis Ta ein. Die Brennkammer 23 hat überall kreisförmigen Querschnitt, Die Gebiete 24 bis 27 folgen in rohraxialer, durch den Pfeil 31 angegebener Hauptströmungsrichtung der Brennkammer 23 aufeinander. Der Kanal 19 mit der kühlsten Luft (T₁) führt zum Gebiet 24 bzw. zum Brennkammerkopf 28, der Kanal 20 (T₂) zum anschließenden Gebiet 25, der Kanal 21 (T₃) zum Gebiet 26 und der Kanal 22 mit der wärmsten Luft (Tj) zum Gebiet 27. Die Gebiete 25 bis 27 weisen in der Brennkammerwand jeweils eine 360°-Umfangsreihe Öffnungen 12 auf, durch die die Luft aus den Kanälen 20 bis 22 in das Innere der Brennkammer 23 eintritt. Auch der Brennkammerkopf 28 weist Öffnungen für die Luft auf, die aber nicht dargestellt sind; die dortige Lufteinströmung ist durch die Pfeile 79 und 80 angeordnet.

Die durch Außenwände 32 ui.d 36 begrenzte Luftleitung zwischen Drehregenerator bzw. Matrix 11 und Brennkammer 23 ist in der Richtung (Pfeil 13) der genannten Lufttemperaturabnahme durch Trennwände 33 bis 33 in die vier einzelnen Kanäle 19 bis 22 unterteilt: es sind jeweils zwei benachbarte Kanäle durch ein und dieselbe Trennwand voneinander getrennt, und die Breiten der Gebiete 24 bis 27 reichen jeweils von einer Trennwand zur nächsten Trennwand. Die Größe der Bereiche 15 bis 18 ninimt von Bereich zu Bereich in der Richtung jener Luf'.temperaturabnahme, also in der Richtung des Pfeil·. 13, ab. Das Gleiche gilt für die rohraxiale Breite der Gebiete 25 bis 27, die dann also entgegen der Richtung des Pfeils 31 abnimmt. Das Gebiet 24 ist rohraxial breiter als das Gebiet 25. u. a. weil der Brennkammerkopf 28 rohraxial ausladend ist. Auch die Summe der Querschnitte der Luftöffnungen 12 je Gebiet 25 bis 27 nimmt entgegen der Dichtung des Pfeils 31 ab. was nicht besonders dargestellt ist.

Es handelt sich gemäß F i g. 3 mit anderen Worten um eir.j differenzierte Unterteilung des inhomogenen Lufttemperaturfelds im Abgaswärmetauscher-Luftaustrittsquerschnitt mit daran anschließenden, durch Trennwände geführten Luftstrombah.ncn verschiedener Lufttemperaturen zu bestimmten Gebieten der Brennkammer. Die Luft dient im Inneren der Brennkammer unter anderem der differenzierten .Schadstoffverminderung, und zwar die Luft in den Gebieten 24 und 25, die beide die Brennkammerprimärzone darstellen oder einschließen, der ΝΟ,-Verminderung und die Luft in den Gebieten 26 und 27 der Verminderung der CO-Emission und der Verminderung der Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe. Die im Gebiet 24 ankommende Luft dient ferner der Kühlung des Brennkammerkopfes 28. Dem Brennka.iimerkopf 28 wird auch Brennstoff zugeführt. Mit 81 ist der Heißgasaustritt der Brennkammer 23 bezeichnet.

In F i g. 4 deutsn die Pfeile 37 den Abgasstrom und die Pfeile 39 den Luftstrom durch den Kreuzstromrekuperator 38 an, aus dem die erwärmte Luft in Richtung der Pfeile 40 herausströmt Der Luftaustritt des Rekuperators 38 ist in Bereiche 41 unterteilt, die id Richtung des genannten Abgasstroms aufeinanderfolgen und deren mittlere Luftaustrittstemperaturen 7Ί bis Ti in dieser Richtung gemäß 7Ί < Tj < Tj < Ti abnehmen. Für die Brennkammer 23, die Gebiete 24 bis 27. die Kanäle 19

bis 22. die Wände 32 bis 36. die Luftöffnungen 12 und die Zwecke der vcrschicdeniemperalurigcn l.uftzusirömc in den Gebieten 24 bis 27 gilt das. was bei Γ ig. 3 ausgeführt ist.

Gemäß F i g. 5 bis 8 handelt es sich um ein Zweiwellentriebwerk mit einem Gaserzeuger und einer einstufigen, axialen Nutzlcistungsturbine (Freiturbine). Der Gaserzeuger weist einen einstufigen Radialverdichter für die Luft, eine Rohrbrennkammer 23 und eine einslufige. axiale Gaserzeugertiirbine auf. Das Laufrad 43 des Radialverdichters und das Laufrad 44 der Oaserzeugertii'bine sit/en auf einer gemeinsamen Welle 45. Diese fluchtet mit tier Welle 46. auf der this Laufrad 47 tier Nut/Ieistiingsiurbine sit/i. Die Brennkammer 2J isi vertikalstehend in einer die Welle 45 enthaltenden Vcrtikalebcne oberhalb der Welle 45 angeordnet. Der Brennkammerkopf 28 liegt über dem Brennkammeraustritt (lleißgasaustritl). Die beulen Drehregeneratoren 48 iintl 49 sind gleich und haben jeweils einen scheibenförmigen Rotor bzw. eine scheibenförmige Matrix, und die beiden Achsen dieser Rotoren fluchten miteinander und liegen horizontal und senkrecht zur Achse der Wellen 45 und 46. Die beiden Regeneratoren 48 und 49 sind auf zwei Längsseiten ties Triebwerks bzw. der Gasturbinen symmetrisch zu den Wellen 45 und 46 angeordnet. Die l.iiftaustritte bzw. ■aiistrittsberciche (15 bis 18) der beiden Regeneratoren 48 und 49 sind einander zugewandt.

Durch den Radialverdichter (43) wird die Luft — siehe den Pfeil »Luft« in F i g. 5. 6 und 8 — angesaugt. '.erdichtet und den Regeneratoren 48 und 49 — siehe die Pfeile 50 und 51 in F i g. b — zugeführt, die sie etwa matrixaxial durchströmt und aus denen sie \om Abgas erwärmt in vier Strömen — siehe die vier Pfeile 52 und uic \ ier Pfeile 53 in I ι g. 7 — durch ν ier Kanäle 19 bis 22 hindurch zu den genannten /wecken in die Brennkammer 23 streunt Fur die l.uftaustrittsbereiche (15 bis 18) ledes der beulen Regeneratoren 48 und 49. die Brennkammer 23. die Brennkammergebicte 24 bis 27. die Kanäle 19 bis 22. die Wände 32 bis 36 — siehe F ι g. 7 und i< — und die Offnungen 12 gilt das. was bei [-'ig. 3 ausgeführt ist. Bei der vorgegebenen Drehrichtung — sieh».· den Pfeil 54 in F ι g. 5 und 8 — der Matrixscheiben und mit den Trennwänden 33 bis 35 ergibt sich, daß die kühlste Luft des Luftaustrittsbereichs (15 bis 18) dem Brennkammerkopf 28 zugeführt wird usw. — siehe die abgestufte (differenzierte) Zuführung gemäß F ι g. 3. Die der Brennkammer 23 aus den Kanälen 19 bis 22 zugeführte Luft dient der Verbrennung \on Brennstoff mit Schadstoffsermindcrung und der Kühlung der Brennkammer 23. wobei mit Luflüberschuß gearbeitet wird, so daß das die Brennkammer 23 verlassende Heißgas ein Gemisch von Verbrenniingsgasen und llbcrschußlufi ist. Dieses Heißgas ist schadstoffvermindert und strömt durch einen Gasvertcilcr 55 und dann als Treibmittel hintereinander durch die Gaserzeugerturbine (44) und die Niiizleistungsturbine (47). wonach das Abgas durch die Regeneratoren 48 und 49 strömt und dann durch Abgasslulzen hindurch das Triebwerk verläßt — siehe die Pfeile »Abgas« in F-" i g. 5 und 6. Die Leistung der Nutz.leistungsturbine (47) wird von der Welle 46 über ein Untersetzungsgetriebe 42 abgegeben. — In entsprechender oder ähnlicher Bauweise läßt sich ein Triebwerk mit nur einem einzigen Drehregenerator und den erfinilungsgemäßen Merkmalen verwirklichen. Das Triebwerk gcmäl.l I i g. 4 und 10 ist ein Linwellen'.riebwerk. Seine Rohrbrennkammer 56 ist mit tier betreffenden Welle 57 fluchtend und sirömungsmälüg \or tier zweistufigen Axialturbine 58 angeordnet. Die beiden Kreuzstromrekuperatoren 59 und 60 sind gleich und aiii zwei Längsseiten des iriebwerks bzw. tier Axialgasturbinc 58 längs desselben bzw. derselben und ssmmetrisch zur Welle 57 angeordnet und haben im wellensenkrcchten Querschnitt (und in der Ansicht gemäß Fig. 10) jeweils die Form eines Kreissegments mit Mittelpunkt auf der Achse der Welle 57. Sie werden von der vom Radialverdichter 61 gelieferten Luft der Länge nach und entgegen der axialen Durchsirömrich- tung der Axialturbine 58 und vom Abgas von radial innen rw.ch radial außen durchströmt. Durch die Pfeile 62, 63 und 77 ist der Weg der Luft angedeutet. In den Rekuperatoren 59 und 60 durchströmt sie Längskanäle 64. [Durch die Pfeile 65 bis 70 ist der Weg des Abgases angedeutet. Das Abgas verläßt das Triebwerk durch zwei Abgasschächte 71 und 72. Durch die genannte Abgasströmung in den Rekuperatoren 59 und 60 wird die Luft in ihnen nach radial außen hin geringer aufgeheizt, so daß also die Lufttemperatur über den dortigen Luftaustritt in Richtung dieser Abgasströmung abnimmt. Es gibt wieder vier zugehörige Kanäle 73. und dafür zwei Außenwände 74 und 75 und drei Trennwände 76. Die Pfeile 78 deuten den Eintritt der vier zugehörigen Luftströme in die vier Brennkammergebiete oder -zonen an. Wie auch gemäß Fig. 5 bis 8 sind auch die brennkammerseitigen Enden der Kanäle 73 durch die drei Trennwände 76 voneinander getrennt. Auch gemäß Fig. 9 und 10 beaufschlagt die Luft des kühlsten Luftstroms den Brennkammerkopf. Auch in der Brennkammer 56 findet durch diese differenzierte Luftzuführung die schon früher erläuterte schadstoffreduzierende Verbrennung statt. — Die Nutzleistung wird wie gemäß F i g. 5 bis 8 abgegeben.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche;

1. Gasturbinenanlage, insbesondere zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, mit Verdichter, Brennkammer, Turbine und einem zwischen Verdichter und Brennkammer geschalteten Abgaswärmetauscher, über dessen Luftaustrittsquerschnitt die Lufttemperatur in einer Richtung abnimmt, insbesondere Drehregenerator oder Kreuzstromrekuperator, wobei die den Abgaswärmetauscher verlassende Luft dem Innern der Brennkammer durch öffnungen in der Brennkammerwand mit in der Hauptströmungsrichtung der Brennkammer ansteigender Lufttemperatur zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleitung zwischen Abgaswärmetauscher (10, 11, 38, 48, 49, 59, 60) und Brennkammer (23, 56) in der genannten Richtung (13, 37) durch Trennwände (33, 34, 35) in einzelne Kanäle (19, 20, 21,22) unterteilt ist.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch vier einzelne Kanäle (19 bis 22).

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der einzelnen Kanäle (19 bis 22) in der genannten Richtung (13,37) abnehmen.