DE4210313A1 - Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage, bestehend aus einem Freikolbenverdichter mit einem Verbrennungszylinder, der zumindest einen Lufteinlaß, eine Kraftstoffeinspritzdüse und einen kolbengesteuerten Auslaßschlitz zur Ableitung der Ver­ brennungsgase aufweist, mit einem zumindest ein Luftansaugven­ til aufweisenden Kompressorraum, und mit einer angeschlossenen Gasturbine.

Bekannt ist ein Freikolbenmotor, der zwei freibewegliche Ar­ beitskolben umfaßt, die mit ihrer einen Seite auf den Zylinder eines Zweitaktdieselmotors, mit der anderen Seite auf die Zy­ linder eines Luftverdichters arbeiten. Das im Zweitaktzylinder beim Arbeitstakt expandierende Gas schiebt die Kolben nach au­ ßen, so daß durch Saugventile Luft in die Kompressorräume an­ gesaugt wird. Die Verbrennungsgase des Dieselmotors können nach Freigabe der Auslaßschlitze aus dem Zylinder austreten, während durch die etwas später freigegebenen Einlaßschlitze Frischluft aus den Luftaufnehmer in den Zweitaktzylinder ge­ langt. Nach Erreichen der äußeren Totpunkte durch die Kolben bewirken die Luftpolster in den Totstufenzylindern deren Bewe­ gungsunkehr, so daß die in den Kompressorräumen befindliche Luft durch Druckventile in den Luftaufnehmer gedrückt wird. In der Nähe des inneren Totpunktes wird durch eine Düse Kraft­ stoff in den Arbeitszylinder gespritzt, so daß ein neues Ar­ beitsspiel beginnen kann. Bei Verwendung als Freikolbenver­ dichter erfolgt die Entnahme der verdichteten Luft aus dem Kompressorraum, während die Abgase des Motors durch Auslaß­ schlitze ins Freie geleitet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs be­ schriebene Gasturbinenanlage in ihrem Aufbau zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch folgende Merkmale gelöst:

• a) die Gasturbine ist über ein zwischengeschaltetes Druck­ ventil (erstes Druckventil) an den Kompressorraum ange­ schlossen;
• b) der Freikolbenverdichter weist nur einen Arbeitskolben auf, der mit seiner einen Kolbenfläche (Steuerfläche) den Verbrennungsraum abschließt und den Auslaßschlitz steuert und mit seiner gegenüberliegenden Kolbenfläche (Kompressorfläche) den auch als Totstufenzylinder fun­ gierenden Kompressorraum abschließt;
• c) ein die Position des Arbeitskolbens feststellender Sen­ sor zur Steuerung der Einspritzdüse;
• d) ein der Gasturbine nachgeschalteter, von dem austreten­ den Arbeitsmedium durchströmter Wärmetauscher;
• e) eine die Gasturbinenauslaßleitung für das Arbeitsmedium mit denn Lufteinlaß (Einlaßventil) des Verbrennungszylin­ ders verbindende Ringleitung.

Um ausreichend Luft zur Spülung des Verbrennungsraumes zu er­ halten, ist es zweckmäßig, wenn in die Ringleitung ein ins Freie öffnendes Frischluftansaugventil eingeschaltet ist.

Eine Starteinrichtung für den Freikolbenverdichter ist vor­ zugsweise dadurch gekennzeichnet, daß in die Einlaßleitung der Gasturbine ein zweites zur Gasturbine hin öffnendes Druckven­ til eingeschaltet ist, das in Schließstellung zusammen mit dem geschlossenen ersten Druckventil ein zum Starten des Freikol­ benverdichters dienendes Druckreservoir bildet, das über ein Umschaltventil mit dem Frischluftansaugventil des Kom­ pressorraumes durch eine Starterleitung verbindbar ist, die ein zweites, ins Freie öffnendes Frischluftansaugventil auf­ weist.

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche und werden in Verbindung mit weiteren Vorteilen der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Die erfindungsgemäße Gasturbinenanlage ist im Aufbau besonders einfach und daher preiswert herzustellen und eignet sich daher zum Ersatz der bekannten, dieselmotorangetriebenen Wärmepum­ pen, die in der Anschaffung verhältnismäßig teuer sind. Die neue Gasturbinenanlage ermöglicht überdies eine optimale Aus­ nutzung der eingesetzten Primärenergie.

Nach Schließung des Einlaßventils wird bei den erfindungsgemä­ ßen Freikolbenverdichter der Arbeitskolben mit einem Druck, der einem Verdichtungsverhältnis von z. B. 1:23 entsprechen kann, in Richtung oberer Totpunkt geschleudert. Durch geeigne­ te Sensoren im unteren Teil des Verbrennungszylinders wird die Lage des Arbeitskolbens im Zylinder festgestellt. Kurz bevor der Arbeitskolben mit seiner Steuerfläche die Auslaßschlitze erreicht, wird Kraftstoff in den Verbrennungsraum gesprüht.

Nach den Erreichen des Zündungsdruckes bzw. der Zündungstempe­ ratur zündet das Gemisch und treibt den Arbeitskolben unter Verdichtung der im Kompressorraum befindlichen Luft nach un­ ten. Der so erzeugte Überdruck wird nach Öffnung der Druckven­ tile in die Gasturbine geleitet, die ihrerseits z. B. einen Elektrogenerator antreiben kann.

In der Zeichnung sind zwei als Beispiele dienende Ausführungs­ formen der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Gasturbinenanlage im Augenblick der Kraft­ stoffeinspritzung;

Fig. 2 die Anlage gemäß Fig. 1 nach Zündung des Luft- Kraftstoffgemisches;

Fig. 3 die Gasturbinenanlage gemäß den Fig. 1 und 2 im Augenblick der Frischluftspülung des Brennrau­ mes;

Fig. 4 die Gasturbinenanlage gemäß den Fig. 1 bis 3 in der Startphase des Freikolbenverdichters und

Fig. 5 eine Turbinenansteuerung.

Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Gasturbinenanlage be­ steht aus einen Freikolbenverdichter 1 und einer Gasturbine 2 mit einem nachgeschalteten Wärmetauscher 3.

Der Freikolbenverdichter 1 weist einen Arbeitskolben 4 auf, der mit seiner in den Figuren oben liegenden Kolbenfläche (Steuerfläche 5) den Verbrennungsraum 6 eines Verbrennungszy­ linders 7 abschließt und Auslaßschlitze 8 steuert und mit sei­ ner gegenüberliegenden Kolbenfläche (Kompressorfläche 9) einen Kompressorraum 10 abschließt, der zugleich als Totstufenzylin­ der fungiert. Der Verbrennungszylinder 7 ist in seinem der Kolben-Steuerfläche 5 gegenüberliegenden Ende mit einem Ein­ laßventil 11 bestückt, das über eine Ringleitung 12 an die Gasturbinenauslaßleitung 13 für das Arbeitsmedium 14 ange­ schlossen ist.

In den Zylinderwandungen des Verbrennungszylinders 7 sind Sen­ soren 15 vorgesehen, die die jeweilige Position des Arbeits­ kolbens 4 feststellen und eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte Einspritzdüse steuern.

Der Kompressorraum 10 ist an seinem der Kompressorfläche 9 des Arbeitskolbens 4 gegenüberliegenden Ende mit einem Frischluft­ ansaugventil 16 und einem ersten Druckventil 17 bestückt, das bei einem Verdichtungsverhältnis im Kompressorraum 10 von z. B. 1 : 23 öffnet.

An das erste Druckventil 17 ist der erste Abschnitt 18 der Ringleitung 12 angeschlossen, der über ein zweites, zur Gas­ turbine 2 hin öffnendes Druckventil 19 mit der Einlaßleitung 20 der Gasturbine 2 in Verbindung steht. Der zwischen den bei­ den Druckventilen 17, 19 eingeschlossene Raum dient zur Bildung eines Druckreservoirs zum Starten des Freikolbenverdichters 1. Hierfür ist zwischen den beiden Druckventilen 17, 19 ein Um­ schaltventil 21 angeordnet, bei dessen Öffnung das genannte Druckreservoir über eine Starterleitung 22 mit dem Frischluft­ ansaugventil 16 des Kompressorraumes 10 verbindbar ist. Die Starterleitung 22 weist ein zweites ins Freie öffnendes Frischluftansaugventil 23 auf.

Vorzugsweise in der Nähe des Einlaßventils 11 des Verbren­ nungszylinders 7 ist in die Ringleitung 12 ein ins Freie öff­ nendes drittes Frischluftansaugventil 24 eingeschaltet.

Gemäß Fig. 5 kann die Gasturbine 2 mehrere, jeweils unter­ schiedlichen Durchmesser aufweisende Turbinenräder 25, 26, 27 aufweisen, zu deren separater Ansteuerung ein Drehschieber 28 vorgesehen ist.

Die dargestellte Gasturbinenanlage arbeitet wie folgt:
Bei der in Fig. 1 dargestellten Arbeitsstellung verschließt der Arbeitskolben 4 mit seiner Steuerfläche 5 die Auslaß­ schlitze 8. Aufgrund eines entsprechenden Signals der Sensoren 15 wird Kraftstoff eingespritzt. Die aus dem Kompressorraum 10 kommende Druckwelle (siehe Pfeil 29) hat das Einlaßventil 11 erreicht, das geöffnet ist. Der Arbeitskolben 4 befindet sich noch in seiner durch den Pfeil angedeuteten Aufwärtsbewegung in den Verbrennungsraum 6 hinein und saugt mit seiner Kom­ pressorfläche 9 Frischluft (siehe Pfeile 30) durch die beiden geöffneten Frischluftansaugventile 16, 23 an. Die beiden Druck­ ventile 17, 19, das Umschaltventil 21 sowie das dritte Frischluftansaugventil 24 sind geschlossen.

Fig. 2 zeigt den Arbeitstakt des Freikolbenverdichters 1. Das Luft-Kraftstoffgemisch hat gezündet. Alle Ventile sind ge­ schlossen. Der Arbeitskolben 4 bewegt sich an den von ihm ge­ schlossen gehaltenen Auslaßschlitzen 8 vorbei in Richtung der Sensoren 15 nach unten in den Kompressorraum 10 hinein.

In Fig. 3 hat der Arbeitskolben 4 seine untere Totpunktstel­ lung erreicht. Die beiden Druckventile 17, 19 sowie das Einlaß­ ventil 11 und das dritte Frischluftansaugventil 24 sind geöff­ net. Die beiden Frischluftansaugventile 16, 23 sowie das Um­ schaltventil 21 sind geschlossen. Der Verbrennungsraum 6 wird mit Frischluft (Pfeile 31) gespült; Altgas (Pfeile 32) ent­ weicht durch die Auslaßschlitze 8. Die aus dem Kompressorraum 10 austretende komprimierte Luft (Pfeile 14 für das Arbeitsme­ dium) durchströmt die Gasturbine 2; die Sensoren 15 registrie­ ren die Position des Arbeitskolbens 4.

Fig. 4 zeigt den Startvorgang: Bis auf das Frischluftansaug­ ventil 16 und das Umschaltventil 21 sind alle übrigen Ventile geschlossen. Das Arbeitsmediun 14 strömt aus dem zwischen den beiden Druckventilen 17, 19 eingeschlossenen Druckreservoir durch die Starterleitung 22 und das geöffnete Frischluftan­ saugventil 16 in den Kompressorraum 10 und treibt den Arbeits­ kolben 4 in Richtung seines oberen Totpunktes.

Die die Position des Arbeitskolbens registrierenden Sensoren 15 können magnetische Sensoren oder eine Lichtschranke sein. Der kurz vor Erreichen der Auslaßschlitze 8 durch die obere Steuerfläche 5 des Arbeitskolbens 4 in den Verbrennungsraum 6 gespritzte Kraftstoff dient auch zur Kühlung und Schmierung der Zylinderwände. Nach dem Erreichen des Zündungsdrucks bzw. der Zündungstemperatur zündet das Gemisch und gibt über den Arbeitskolben 4 den nicht zur Rekomprimierung erforderlichen Überdruck an die Gasturbine 2 weiter. Letztere kann z. B. ei­ nen Elektrogenerator antreiben, der in der Heizperiode zum Be­ treiben elektrischer Hausgeräte herangezogen werden kann. Die gewonnene elektrische Energie kann auch über eine Heizpatrone zusätzlich zur Wärmegewinnung eingesetzt werden. Neben einem Einsatz als eine Art Hauskraftwerk ist ein Einsatz der Gastur­ binenanlage auch als Antrieb für Fahrzeuge z. B. im Hybridan­ trieb denkbar. Bei einer derartigen Motorversion könnte eine Kühlung des Freikolbenverdichters durch Einspritzung von deio­ nisiertem Wasser in den Kompressorraum 10 erfolgen. Bei ent­ sprechender Dosierung ergibt sich eine effektive Verdampfungs­ kühlung. Der hierfür benötigte Druck könnte ebenfalls den vor­ stehend beschriebenen Druckreservoir entnommen werden. Hinter dem Wärmetauscher 3 könnte das kondensierte Wasser wieder zu­ rückgewonnen werden. Soweit geringe Wassernengen nicht auskon­ densieren sondern in den Verbrennungsraum 6 gelangen, würden hierdurch die Verbrennung optimiert und eine Rußbildung redu­ ziert werden.

Durch die Ansteuerung von Turbinenrädern mit jeweils unter­ schiedlichem Durchmesser über Drehschieber, Lochblende oder dergleichen kann eine Änderung der Übersetzungsverhältnisse ohne Kupplung vorgenommen werden.

Bei einer Hochleistungsversion der Anlage mit hoher Arbeits­ taktfolge wird der Füllungsgrad im Kompressorraum 10 schlech­ ter. Es kann daher ein Lader vorgesehen werden, der entweder als Abgasturbolader oder als zusätzliche Turbine auf der An­ triebswelle zur Verbesserung des Füllungsgrades des Kompres­ sorraumes 10 beiträgt, wodurch dann auch der Füllungsgrad im Verbrennungsraum 6 verbessert wird.

Claims (6)

1. Gasturbinenanlage, bestehend aus einem Freikolbenver­ dichter (1) mit einem Verbrennungszylinder (7), der zu­ mindest einen Lufteinlaß, eine Kraftstoffeinspritzdüse und einen kolbengesteuerten Auslaßschlitz (8) zur Ablei­ tung der Verbrennungsgase (32) aufweist, mit einem zu­ mindest ein Luftansaugventil (16) aufweisenden Kom­ pressorraum (10), und mit einer angeschlossenen Gastur­ bine (2), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) die Gasturbine (2) ist über ein zwischengeschaltetes Druckventil (erstes Druckventil 17) an den Kompres­ sorraum (10) angeschlossen;
• b) der Freikolbenverdichter (1) weist nur einen Arbeits­ kolben (4) auf, der mit seiner einen Kolbenfläche (Steuerfläche 5) den Verbrennungsraum (6) abschließt und den Auslaßschlitz (8) steuert und mit seiner ge­ genüberliegenden Kolbenfläche (Kompressorfläche 9) den auch als Totstufenzylinder fungierenden Kompres­ sorraum (10) abschließt;
• c) ein die Position des Arbeitskolbens feststellender Sensor (15) zur Steuerung der Einspritzdüse;
• d) ein der Gasturbine (2) nachgeschalteter, von dem aus­ tretenden Arbeitsmediun (14) durchströmter Wärmetau­ scher (3);
• e) eine die Gasturbinenauslaßleitung (13) für das Ar­ beitsmedium (14) nit dem Lufteinlaß (Einlaßventil 11) des Verbrennungszylinders (7) verbindende Ringleitung (12).

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß in die Ringleitung (12) ein ins Freie öffnendes Frischluftansaugventil (24) eingeschaltet ist.

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in die Einlaßleitung (20) der Gastur­ bine (2) ein zweites zur Gasturbine (2) hin öffnendes Druckventil (19) eingeschaltet ist, das in Schließstel­ lung zusammen mit dem geschlossenen ersten Druckventil (17) ein zun Starten des Freikolbenverdichters (1) die­ nendes Druckreservoir bildet, das über ein Umschaltven­ til (21) mit dem Frischluftansaugventil (16) des Kom­ pressorraumes (10) durch eine Starterleitung (22) ver­ bindbar ist, die ein zweites, ins Freie öffnendes Frischluftansaugventil (23) aufweist.

4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das erste, dem Kompressorraum (10) zu­ geordnete Druckventil (17) bei einem Verdichtungsver­ hältnis im Kompressorraum (10) von 1 : 23 öffnet.

5. Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbine (2) meh­ rere, einzeln ansteuerbare Turbinenräder (25, 26, 27) un­ terschiedlicher Durchmesser aufweist.

6. Gasturbinenanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Ansteuerung der einzelnen Turbinenräder (25, 26, 27) ein Drehschieber (28) oder eine Lochblende vorgesehen ist.