DE4210313C2 - Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage, bestehend aus einem Freikolbenverdichter mit einem Verbrennungszylinder, der zumindest einen Verbrennungslufteinlaß, eine Kraftstoff­ einspritzdüse und einen kolbengesteuerten Brenngasauslaß­ schlitz zur Ableitung der Verbrennungsgase aufweist, mit ei­ nem zumindest ein Verdichterlufteinlaßventil aufweisenden Kompressorraum, und mit einer angeschlossenen Druckluftturbi­ ne, wobei der Freikolbenverdichter zumindest einen Ar­ beitskolben aufweist, der mit seiner einen Kolbenfläche (Steuerfläche) den Verbrennungsraum abschließt, den Brenngasauslaßschlitz steuert und mit seiner gegenüberliegen­ den Kolbenfläche (Kompressorfläche) den auch als Pufferzylin­ der fungierenden Kompressorraum abschließt.

Eine derartige Ausführungsform läßt sich der US-PS 3 005 306 entnehmen. Diese vorbekannte Anlage weist einen Verdichter auf, der den Verbrennungsraum mit vorverdichteter Frischluft füllt. Vorgesehen sind ferner eine an den Verbrennungsraum angeschlossene Abgasturbine sowie eine an den Kompressorraum angeschlossene Druckluftturbine, deren Druckluftturbinenaus­ laßleitung wieder in den Kompressorraum zurückgeführt ist. Um einen Luftaustausch zwischen dem Auslaß des genannten Ver­ dichters und dem Auslaß der Druckluftturbine vorsehen zu kön­ nen, ist die Druckluftturbinenauslaßleitung über einen Bypass an die Auslaßleitung des Verdichters angeschlossen, so daß der Verbrennungsraum teilweise auch mit Luft aus der Druck­ luftturbinenauslaßleitung füllbar ist. Die Anschlußleitung des Verdichters an den Verbrennungsraum, die Anschlußleitung der Druckluftturbine an den Kompressorraum sowie der Anschluß der Druckluftturbinenauslaßleitung an den Kompressorraum wei­ sen jeweils ein einfaches Rückschlagventil auf.

Die US-PS 3 797 247 offenbart eine Gasturbinenanlage mit ex­ terner Beheizung und einem Stufenkolben. An die Arbeitskammer ist eine mehrstufige Druckluftturbine angeschlossen, deren Druckluftturbinenauslaßleitung über einen Kühler in den Kom­ pressorraum des Arbeitszylinders geführt ist.

Die DE-OS 27 20 171 offenbart einen elektronisch gesteuerten Freikolben-Verbrennungsmotor, bei dem der Kolben direkt auf einen geschlossenen Hydraulikkreislauf einwirkt und über die­ sen einen Hydromotor antreibt. In der Zylinderwandung ist ein mit dem Fluid in Verbindung stehender Druckgeber vorgesehen, der Signale an ein Steuerteil abgibt.

Die US-PS 4,205,528 offenbart eine Freikolbenmaschine, in deren Zylinderwandung elektronische Sensoren vorgesehen sind, die die jeweilige Position des doppelt wirkenden Kolbens in seiner höchsten Kompressionsstellung messen.

Bekannt ist ferner ein Freikolbenmotor, der zwei freibewegli­ che Arbeitskolben umfaßt, die mit ihrer einen Seite auf den Zylinder eines Zweitaktdieselmotors, mit der anderen Seite auf die Zylinder eines Luftverdichters arbeiten. Das im Zwei­ taktzylinder beim Arbeitstakt expandierende Gas schiebt die Kolben nach außen, so daß durch Saugventile Luft in die Kom­ pressorräume angesaugt wird. Die Verbrennungsgase des Diesel­ motors können nach Freigabe der Auslaßschlitze aus dem Zylin­ der austreten, während durch die etwas später freigegebenen Einlaßschlitze Frischluft aus dem Luftaufnehmer in den Zwei­ taktzylinder gelangt. Nach Erreichen der äußeren Totpunkte durch die Kolben bewirken die Luftpolster in den Totstufen­ zylindern deren Bewegungsumkehr, so daß die in den Kompres­ sorräumen befindliche Luft durch Druckventile in den Luftauf­ nehmer gedrückt wird. In der Nähe des inneren Totpunktes wird durch eine Düse Kraftstoff in den Arbeitszylinder gespritzt, so daß ein neues Arbeitsspiel beginnen kann. Bei Verwendung als Freikolbenverdichter erfolgt die Entnahme der verdichte­ ten Luft aus dem Kompressorraum, während die Abgase des Mo­ tors durch Auslaßschlitze ins Freie geleitet werden.

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

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch folgende Merkma­ le gelöst:

• a) die Druckluftturbine (2) ist über ein zwischengeschalte­ tes, erst bei dem zur Rekomprimierung erforderlichen Überdruck im Kompressorraum (10) öffnendes Ventil (erstes Druckventil 17) an den Kompressorraum (10) angeschlossen;
• b) ein die Position des Arbeitskolbens feststellender, in der Zylinderwandung angeordneter Sensor (15) zur Steue­ rung der Einspritzdüse;
• c) der Freikolbenverdichter (1) weist nur einen Arbeitskol­ ben (4) auf, wobei der diesem Arbeitskolben (4) zugeord­ nete Verbrennungsraum (6) zu seiner Spülung und Frisch­ gasversorgung über eine Ringleitung (12) an die Druck­ luftturbinenauslaßleitung (13) angeschlossen ist, die die gesamte, die Druckluftturbine verlassende Druckluft in den Verbrennungsraum (6) führt;
• d) ein der Druckluftturbine (2) nachgeschalteter, von der austretenden Druckluft durchströmter Wärmetauscher (3).

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 Druckluftturbine ein zweites zur Druckluftturbine 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 dem 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 dem 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 Druckluftturbine 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 einem Freikolbenverdichter 1 und einer Druckluftturbine 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 Brenngasauslaßschlitze 8 steuert und mit sei­ ner gegenüberliegenden Kolbenfläche (Kompressorfläche 9) einen Kompressorraum 10 abschließt, der zugleich als Pufferzylin­ 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 Druckluftturbinenauslaßleitung 13 für die Druckluft 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 Verdichterluft­ einlaßventil 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 Druckluft­ turbine 2 in öffnendes Druckventil 19 mit der Einlaßleitung 20 der Druckluftturbine 2 in Verbindung steht. Der zwischen den bei­ den Druckventilen 17, 19 eingeschlossene Raum 18 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 Verdichterluft­ einlaßventil 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 Druckluftturbine 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 Brenngasauslaß­ 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 Ventile 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 Brenngasauslaßschlitzen 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 Ventile 16, 23 sowie das Um­ schaltventil 21 sind geschlossen. Der Verbrennungsraum 6 wird
mit Frischluft (Pfeile 31) gespült; entspanntes Verbrennungsgas (Pfeile 32) entweicht durch die Brenngasschlitze 8. Die aus dem Kompressorraum 10 austretende komprimierte Luft (Pfeile 14 für die Druckluft) durchströmt die Druckluftturbine 2; die Sensoren 15 registrieren die Position des Arbeitskolben 4.

Fig. 4 zeigt den Startvorgang: Bis auf das Verdichterlufteinlaßventil 16 und das Umschaltventil 21 sind alle übrigen Ventile geschlossen. Die Druckluft 14 strömt aus dem zwischen den beiden Druckventilen 17, 19 eingeschlossenen Druckreservoir durch die Starterleitung 22 und das geöffnete Verdichterlufteinlaß­ ventil 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 Brenngasauslaßschlitze 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 Druckluftturbine 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 dem vor­ stehend beschriebenem Druckreservoir entnommen werden. Hinter dem Wärmetauscher 3 könnte das kondensierte Wasser wieder zu­ rückgewonnen werden. Soweit geringe Wassermengen 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 Freikolbenverdich­ ter (1) mit einem Verbrennungszylinder (7), der zumindest einen Verbrennungslufteinlaß, eine Kraftstoffeinspritzdü­ se und einen kolbengesteuerten Brenngasauslaßschlitz (8) zur Ableitung der Verbrennungsgase (32) aufweist, mit einem zumindest ein Verdichterlufteinlaßventil (16) auf­ weisenden Kompressorraum (10), und mit einer angeschlos­ senen Druckluftturbine (2), wobei der Freikolbenverdich­ ter (1) zumindest einen Arbeitskolben (4) aufweist, der mit seiner einen Kolbenfläche (Steuerfläche 5) den Ver­ brennungsraum (6) abschließt, den Brenngasauslaßschlitz (8) steuert und mit seiner gegenüberliegenden Kolbenflä­ che (Kompressorfläche 9) den auch als Pufferzylinder fun­ gierenden Kompressorraum (10) abschließt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) die Druckluftturbine (2) ist über ein zwischengeschalte­ tes, erst bei dem zur Rekomprimierung erforderlichen Überdruck im Kompressorraum (10) öffnendes Ventil (erstes Druckventil 17) an den Kompressorraum (10) angeschlossen;
• b) ein die Position des Arbeitskolbens feststellender, in der Zylinderwandung angeordneter Sensor (15) zur Steue­ rung der Einspritzdüse;
• c) der Freikolbenverdichter (1) weist nur einen Arbeitskol­ ben (4) auf, wobei der diesem Arbeitskolben (4) zugeord­ nete Verbrennungsraum (6) zu seiner Spülung und Frisch­ gasversorgung über eine Ringleitung (12) an die Druck­ luftturbinenauslaßleitung (13) angeschlossen ist, die die gesamte, die Druckluftturbine verlassende Druckluft in den Verbrennungsraum (6) führt;
• d) ein der Druckluftturbine (2) nachgeschalteter, von der austretenden Druckluft durchströmter Wärmetauscher (3).

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 gekenn­ zeichnet, daß in die Einlaßleitung (20) der Drucklufttur­ bine (2) ein zweites zur Druckluftturbine (2) hin öffnen­ des Druckventil (19) eingeschaltet ist, das in Schließ­ stellung zusammen mit dem geschlossenen ersten Druckven­ til (17) ein zum Starten des Freikolbenverdichters (1) dienendes Druckreservoir (18) bildet, das über ein Umschalt­ ventil (21) mit dem Verdichterlufteinlaßventil (16) des Kom­ pressorraumes (10) durch eine Starterleitung (22) ver­ bindbar ist, die ein zweites, ins Freie öffnendes Frisch­ luftansaugventil (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 Verdichtungsverhält­ nis im Kompressorraum (10) von 1 : 23 öffnet.

5. Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluftturbine (2) mehrere, einzeln ansteuerbare Turbinenräder (25, 26, 27) unterschiedlicher 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.