DE4432384A1 - Free jet turbine for current generator drive - Google Patents

Free jet turbine for current generator drive

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Abstract

The turbine is driven by two-stroke free piston engines (M) with four free piston pumps (P)and two pre-pressure pumps (5) using pressurised water and has a constant high revolution rate under variable load and at high efficiency. For a high turbine output e.g. 14000 PS at 300 r.p.m. and a circumferential speed of 100 m/s, the free jet turbine has two half load flywheels and pairwise arranged jet nozzles for pressure equalisation. The pre-pressure water required at 10 bars for the free piston pump is supplied in a closed circuit by two pre-pressure pumps driven via a reduction gear by the turbine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Freistrahlturbine für den Antrieb von Stromerzeuger, die bei veränderlicher Belastung eine konstante hohe Drehzahl bei hohem Wirkungsgrad hat.The invention relates to a free jet turbine for driving Electricity generator, which is a constant with changing load has high speed with high efficiency.

Bei dieser Freistrahlturbine werden zwei Halblast-Laufräder durch je zwei paarweise angeordnete Strahldüsen für Druckausgleich mit Druckwasser angetrieben und bei veränderlicher Belastung durch eine Schwungscheibe auf hoher Drehzahl gehalten.In this free jet turbine, two half-load impellers are run through Two jet nozzles arranged in pairs for pressure equalization Pressurized water driven and with variable load by a Flywheel kept at high speed.

Das für den Antrieb der Freistrahlturbine erforderliche Druckwasser wird von zwei Freikolbenpumpen gefördert, die von zwei vollständigen Zweitakt-Freikolbenmotoren angetrieben werden.The pressurized water required to drive the free jet turbine is promoted by two free piston pumps, two complete Two-stroke free-piston engines are driven.

Das für die Freikolbenpumpen erforderliche Vordruckwasser für 10 bar wird von zwei Vordruckpumpen gefördert, die mit Untersetzung von der Freistrahlturbine angetrieben werden.The pre-pressure water required for the free piston pumps for 10 bar is supported by two back pressure pumps, with reduction from the Free jet turbine are driven.

Es ist Aufgabe der Erfindung die hohe Turbinendrehzahl bei veränder­ licher Belastung konstant zu halten.It is an object of the invention to change the high turbine speed constant load.

Bei der Strahlgeschwindigkeit v ist die Leistung N = c·v³.At beam velocity v the power is N = c · v³.

Da bei einer Umfangsgeschwindigkeit der beiden Laufräder u = 100 m/s bei schwacher Belastung die min. Strahlgeschwindigkeit bis 0,7 v vermindert werden kann, ist die Antriebsleistung c·(0,7v)³ = 0,34 N, weil der schwächere Wasserstrahl nach der Umlenkung beim Austritt seine kinetische Energie an die Schaufel abgegeben hat.Since at a peripheral speed of the two impellers u = 100 m / s the min. Jet speed up to 0.7 v can be reduced, the drive power is c · (0.7v) ³ = 0.34 N, because the weaker water jet after the deflection at the outlet released its kinetic energy to the bucket.

Bei hoher konstanter Turbinendrehzahl kann hierdurch die Antriebs­ leistung ohne Verluste bei der Strahlgeschwindigkeit 0,7 v auf 0,34 N vermindert werden.At high, constant turbine speeds, this can result in the drive performance without losses at beam speed 0.7 v to 0.34 N can be reduced.

Bei festen Strahldüsen erfolgt bei schwacher Belastung eine Regelung der hohen Turbinendrehzahl durch Regelung der Kraftstoffmenge der beiden Zweitakt-Freikolbenmotoren und außerdem durch Regelung der Wassermenge in den beiden Vordruckleitungen erfindungsgemäß durch eine Schwungscheibe und einen Drehzahlregler der Freistrahlturbine, der über Steuerleitungen und Stellantriebe die Kraftstoffmengen der beiden Zweitakt-Freikolbenmotoren und außerdem durch zwei Drosselventile die Wassermengen in den beiden Vordruckleitungen schaltet.With fixed jet nozzles, regulation takes place at low loads the high turbine speed by regulating the amount of fuel two two-stroke free-piston engines and also by regulating the According to the invention, the amount of water in the two inlet lines through a Flywheel and a speed controller of the free jet turbine, the the fuel quantities of the two via control lines and actuators Two-stroke free-piston engines and the two throttle valves Amounts of water in the two pressure lines switch.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise dargestellt und zwar zeigt:In the drawings, the invention is shown for example and shows:

Fig. 1 eine Seitenansicht mit Freikolbenpumpen P, Freistrahlturbine T und Stromerzeuger G. Fig. 1 is a side view with a free-piston pump P, free turbine T and power generators G.

Fig. 2 eine Draufsicht auf zwei Zweitakt-Freikolbenmotoren M mit vier Freikolbenpumpen P und einen Stromerzeuger G. Fig. 2 is a top view of two two-stroke free piston engine M with four free-piston pump P and a current generator G.

Fig. 3 einen Längsschnitt der Freistrahlturbine T mit zwei Laufräder 10. Fig. 3 is a longitudinal section of the free turbine T with two running wheels 10.

Fig. 4 einen Querschnitt der Freistrahlturbine T mit zwei paar­ weise angeordneten Strahldüsen 7 für jedes Laufrad. Fig. 4 shows a cross section of the free jet turbine T with two pairs of jet nozzles 7 arranged for each impeller.

Nach Fig. 1 und 2 sind zwei Zweitakt-Freikolbenmotoren M mit je zwei Freikolbenpumpen P, die durch vier Druckleitungen 1 mit einer Freistrahlturbine T und durch zwei Vordruckleitungen 2 mit zwei Vordruckpumpen 5 verbunden.According to Fig. 1 and 2, two two-stroke free piston engine M with two free-piston pump P connected by four print lines 1 with a free turbine T and by two lines form 2 form with two pumps 5.

Das Turbinenwasser strömt im geschlossenen Kreislauf durch den Kühler 3 in die Vordruckpumpen 5, die es mit 10 bar durch die Vordruckleitungen 2 in die Freikolbenpumpen P drücken. Der von der Freistrahlturbine T angetriebene Stromerzeuger G treibt über ein Schneckengetriebe 4 mit Untersetzung die zwei Vordruck­ pumpen 5 an.The turbine water flows in a closed circuit through the cooler 3 into the pre-pressure pumps 5 , which press it at 10 bar through the pre-pressure lines 2 into the free-piston pumps P. The generator G driven by the free jet turbine T drives the two admission pressure pumps 5 via a worm gear 4 with a reduction.

Nach Fig. 3 und 4 besteht die Freistrahlturbine aus dem Gehäuse 6 mit vier kurzen, horizontal angeordneten Druckkanälen K und von außen eingesetzten langen Strahldüsen 7, dem Deckel 8, der kurzen, doppelt gelagerten Welle 9 und den Laufrädern 10.According to Fig. 3 and 4, the free turbine of the housing 6 with four short, horizontally arranged pressure ducts K and externally used long nozzles 7, the lid 8, the short, double-mounted shaft 9 and the drive wheels 10.

Da bei der paarweisen Anordnung der Strahldüsen 7 die Laufräder nur Drehmomente übertragen, sind die Reibungsverluste in den Lagern sehr klein.Since the impellers only transmit torques when the jet nozzles 7 are arranged in pairs, the friction losses in the bearings are very small.

Bei den gestängelosen Zweitakt-Freikolbenmotoren mit den Freikolben­ pumpen und bei der Freistahlturbine mit zwei Laufrädern und je zwei paarweise angeordneten Strahldüsen sind die Reibungsverluste sehr niedrig.With the rodless two-stroke free piston engines with the free pistons pump and in the free steel turbine with two impellers and two each The friction losses are very high, arranged in pairs low.

Durch das unvermeidliche verspätete Ventilschließen der Freikolben­ pumpen treten bei hohen Kolbengeschwindigkeiten Rückströmverluste von 15% auf.Due to the inevitable delayed valve closing of the free pistons pumps experience backflow losses at high piston speeds from 15% to.

Da bei dieser Rückströmung die Freikolben mit hohen Drücken auch angetrieben werden, können hierdurch die Druck- und Reibungsverluste der Freikolbenpumpen und der Freistrahlturbine und der Antrieb der Vordruckpumpen ausgeglichen werden.Because with this backflow the free pistons with high pressures too can be driven, the pressure and friction losses the free piston pumps and the free jet turbine and the drive of the Back pressure pumps are balanced.

Bei den niedrigen Wärmeverlusten der Zweitakt-Freikolbenmotoren liegt daher der Gesamtwirkungsgrad des Antriebes bei 50%.The low heat losses of the two-stroke free-piston engines lie hence the overall efficiency of the drive at 50%.

Der vorgeschlagene Antrieb bietet die Vorteile, daß für Zweitakt- Freikolbenmotoren mit einem Zylinder-Durchmesser von 330 mm, einem Hub von 2·450 mm bei 1000 Doppelhüben/min, einer mittl. Kolbengeschw. von 15 m/s und einem mittl. Druck von 12 bar die Zylinderleistung 1750 PS beträgt.The proposed drive offers the advantages that for two-stroke Free piston engines with a cylinder diameter of 330 mm, one Stroke of 2 · 450 mm at 1000 double strokes / min, an average. Piston speed of 15 m / s and an average. Pressure of 12 bar the cylinder power Is 1750 hp.

Die Freikolbenpumpe hat einen Förderdruck von 210 bar und die Vor­ druckpumpe einen Druck von 10 bar.The free piston pump has a delivery pressure of 210 bar and the pre pressure pump a pressure of 10 bar.

Die Freistrahlturbine hat bei einer Drehzahl von 3000 U/min bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 100 m/s einen Laufraddurchmesser von 636 mm. The free jet turbine has a speed of 3000 rpm a peripheral speed of 100 m / s an impeller diameter of 636 mm.  

Mit zwei Zweizylindermotoren ist die Antriebsleistung 7000 PS und bei Vierzylindermotoren 14 000 PS.With two two-cylinder engines the drive power is 7000 HP and at Four-cylinder engines 14,000 HP.

Das Leistungsgewicht liegt bei 3 kg/PS.The power to weight ratio is 3 kg / PS.

Als Kraftstoff ist Dieselöl oder Erdgas geeignet.Diesel oil or natural gas is suitable as fuel.

Claims (2)

1. Freistrahlturbine für den Antrieb von Stromerzeuger, die durch zwei vollständige Zweitakt-Freikolbenmotoren (M) mit vier Frei­ kolbenpumpen (P) und zwei Vordruckpumpen (5) durch Druckwasser angetrieben wird und bei veränderlicher Belastung bei hohem Wirkungsgrad eine konstante hohe Turbinendrehzahl hat, dadurch gekennzeichnet, daß für eine hohe Turbinenleistung z. B. 14 000 PS bei 3000 U/min und einer Umfangsgeschwindigkeit von 100 m/s die Freistrahlturbine zwei Halblast-Laufräder (10) und je zwei paarweise angeordnete Strahldüsen (7) für Druck­ ausgleich hat, und daß das für die Freikolbenpumpe (P) erforderliche Vordruckwasser mit 10 bar durch zwei von der Turbine (T) mit Untersetzung angetriebene Vordruckpumpen (5) im geschlossenen Kreislauf gefördert wird.1. free turbine for driving power generator, through two complete two-stroke free piston engines (M) with four free-piston pump (P) and two inlet pressure pump (5) driven by pressurized water, and has at variable load with high efficiency, a constant high turbine speed, characterized characterized in that for a high turbine output z. B. 14,000 hp at 3000 rpm and a peripheral speed of 100 m / s, the free jet turbine has two half-load impellers ( 10 ) and two paired jet nozzles ( 7 ) for pressure compensation, and that for the free piston pump (P) required pre-pressure water with 10 bar is conveyed in a closed circuit by two pre-pressure pumps ( 5 ) driven by the turbine (T) with reduction. 2. Freistrahlturbine nach Anspruch 1 und daß die Freistrahlturbine (T) bei veränderlicher Belastung eine hohe konstante Drehzahl hat durch Regelung der Kraftstoffmenge der Zweizylinder-Freikolben­ motoren und außerdem durch Regelung der Wassermenge in den Vordruckleitungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Freistrahl- Turbine eine Schwungscheibe (11) hat und mit einem Dreh­ zahlregler (D), über eine Steuerleitung (L) und zwei Stell­ antriebe (S) die Kraftstoffmengen der beiden Freikolben-Zweitakt­ motoren (M) und außerdem über zwei Steuerleitungen und Stell­ antriebe die Drosselventile (V) an den zwei Vordruckleitungen (2) für die in dem Kühler (3) abströmende Wassermenge schaltet.2. Free jet turbine according to claim 1 and that the free jet turbine (T) has a high constant speed under variable load by controlling the amount of fuel in the two-cylinder free piston engines and also by controlling the amount of water in the admission pressure lines, characterized in that the free jet turbine has a flywheel ( 11 ) and with a speed controller (D), via a control line (L) and two actuators (S) the fuel quantities of the two free-piston two-stroke engines (M) and also via two control lines and actuators the throttle valves (V) switches on the two pre-pressure lines ( 2 ) for the amount of water flowing out in the cooler ( 3 ).
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