DE69923716T2

DE69923716T2 - Hochdruckgasturbinenaggregat mit hochdruckkolbenkompressor

Info

Publication number: DE69923716T2
Application number: DE69923716T
Authority: DE
Inventors: Miroslav Boric
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 1999-07-07
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2019-07-08
Also published as: WO2001004477A1; EP1198663B1; EP1198663A1; US6615586B1; AU4638499A; DE69923716D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk bzw. -antriebsaggregat nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Klassische Gasturbinenantriebsaggregate haben einen Turboverdichter und arbeiten mit einem Volumenstrom mit relativ niedrigem Druck. Da sie demzufolge einen relativ niedrigen Wirkungsgrad haben, haben klassische Gasturbinen außer in Flugzeugen, Kriegsschiffen und Notstromaggregaten, wo die Wirtschaftlichkeit nicht im Vordergrund steht, keine breite Verwendung gefunden. Bei Anwendungen in der zivilen Schifffahrt zum Beispiel können sie nicht mit Dieselmotoren konkurrieren, die die häufigste Art des Schiffsantriebs sind.
Die US-A-4,369,630 offenbart ein klassisches Gasturbinenaggregat, das mit einem Dieselmotor kombiniert wird, um ein Schiff anzutreiben. Der Dieselmotor wird in der Schifffahrt meistens zum Antrieb verwendet. Wenn mehr Leistung erforderlich ist, wird der Dieselmotor abgeschaltet und das Gasturbinenaggregat wird eingeschaltet. Wenn maximale Leistung gebraucht wird, wird mit Hilfe des Dieselmotors ein Verdichter betrieben, um die von der Gasturbine benötigte bzw. verarbeitete Luft vor ihrem Eintritt in die Gasturbine vorzuverdichten. Dennoch arbeitet die Gasturbine nach wie vor mit ihrem Turboverdichter zum Verdichten ihrer Verbrennungsluft.
Die US-A-4,864,812 offenbart ein Antriebsaggregat, das die Funktionen eines Hilfsantriebsaggregats und eines Notstromaggregats in sich vereint, indem zwei Turbinenräder und zwei Bewegungsübertragungswege bereitgestellt werden, die jeweils eine wahlweise betätigbare Kupplung aufweisen, die die Turbinenräder mit einem Getriebe verbindet. Ein Turboverdichter ist mit einem der Turbinenräder verbunden, während ein Druckbehälter, der ein Oxidationsmittel enthält, und eine zugehörige Brennkammer dem anderen Turbinenrad Verbrennungsgas zuführen. Bei Verwendung des ersten Turbinenrades kann das Aggregat in einem luftatmenden Modus als Hilfsantriebsaggregat arbeiten. Bei Verwendung des zweiten Turbinenrades und seines unter Druck stehenden Oxidationsmittels anstelle des ersten Turbinenrades kann das Aggregat als Notstromaggregat arbeiten.
Keine der oben genannten Veröffentlichungen behandelt den niedrigen Wirkungsgrad eines Gasturbinenantriebsaggregats mit einem turboartigen Luftverdichter.
Angesichts dieser Tatsache ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Problem der Bereitstellung eines Gasturbinenantriebsaggregats mit einem höheren Wirkungsgrad zu lösen, das demzufolge nützlich ist für weitere Anwendungen wie zum Beispiel in normalen Schiffen oder im Schienenverkehr.
Dieses Problem wird gemäß der Erfindung durch ein Gasturbinentriebwerk bzw. -antriebsaggregat mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weitere Verbesserungen und Verfeinerungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Bei Verwendung eines Kolbenverdichters anstelle eines Turboverdichters, um die Verbrennungsluft für die Gasturbine mit Druck zu beaufschlagen, kann man unter höherem Druck stehende Verbrennungsgase und demzufolge ein effizienteres Gasturbinenantriebsaggregat erhalten. Ein solches Gasturbinenantriebsaggregat eignet sich z.B. in vielen Anwendungen, zum Beispiel in Schiffen, als Ersatz für einen Dieselmotor.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben. In der einzigen Figur dieser Zeichnung ist ein Gasturbinenan triebsaggregat gemäß der Erfindung in Form eines Blockdiagramms schematisch dargestellt.
Das dargestellte Gasturbinenantriebsaggregat weist eine Gasturbine 1 auf, die geeigneterweise dafür ausgelegt ist, einem relativ hohen Druck standzuhalten. Die Gasturbine 1 weist mehrere Brennkammern 18 zum Zuführen des erforderlichen Verbrennungsgases auf. Die Brennkammern 18 werden durch einen Kolbenverdichter 2 mit Druckluft gespeist, der entweder direkt oder – wie dargestellt – indirekt über ein Getriebe 4 mit der Gasturbine 1 mechanisch verbunden ist. Der Verdichter 2 hat mehrere Zylinder, die jeweils mit einer entsprechenden Zahl von Hochdruckleitungen 15 zu den Brennkammern 18 verbunden sind. Vorzugsweise gibt es so viele Brennkammern 18 wie Zylinder in dem Verdichter 2, und jede Brennkammer 18 wird vorzugsweise durch ihre eigene Hochdruckleitung 15 versorgt. Ferner ist jede Brennkammer 18 vorzugsweise mit einem Kraftstoffventil versehen, das einen Verbrennungsstimulator aufweist, wie dies in EP 0 593 793 B1 offenbart ist.
Der Verdichter 2 ist ein einstufiger, einfach wirkender Kolbenverdichter, dessen Zylinder in V-Form oder in einer anderen kompakten Bauweise angeordnet sein können. Vorzugsweise ist der Verdichter 2 ein Viertakt-Dieselmotor, der dahingehend modifiziert wurde, dass er als Verdichter arbeitet – eine leichte Aufgabe für jeden Fachmann auf dem Gebiet der Dieselmotoren. Er ist mit einer Ventilnockenwelle ausgestattet, die von einer Kurbelwelle mit einem Drehzahlverhältnis von 1:1 angetrieben wird, und des Weiteren mit Einlass- und Auslassventilen, die sich in den Zylinderdeckeln befinden. Das Öffnen und Schließen der Ventile wird wie bei Dieselmotoren nach einem gegebenen Nockentakt durch die Ventilnockenwelle gesteuert. Der Verdichter 2 kann einen Drehzahlregler wie zum Beispiel ein Gerät der Marke WOODWOORD^® aufweisen, und Sicherheitsventile können sich in den Zylinderdeckeln befinden. Ferner kann der Verdichter Dekompressionsvorrichtungen auf weisen, wie sie als Unterstützung beim Anlassen von Dieselmotoren verwendet werden, und er kann, wie gezeigt, einen Auslass 16 für Schiffsversorgungsluft und einen Bedienungsstand 20, über den das gesamte Aggregat gesteuert werden kann, aufweisen.
Schließlich wird jeder solche modifizierte Dieselmotor eine Kraftstoffpumpe 23 einschließlich nockenbetätigte Kolben aufweisen, die vorteilhafterweise verwendet werden können, um Hochdruckkraftstoff durch Kraftstoffleitungen 21 den einzelnen Brennkammern 18 zuzuführen, d.h. zu deren oben genannten Kraftstoffventilen.
Wie dargestellt, weist das soweit beschriebene Gasturbinenantriebsaggregat vorzugsweise auch einen Turbolader 12 mit einem Niederdruck-Turboverdichter auf, der Luft aus der Umgebung nimmt, sie verdichtet und über Leitungen 14 durch einen Luftkühler 14 dem Kolbenverdichter 2 zuführt. Der Turbolader 12 wird durch Abgas aus der Gasturbine 1 angetrieben.
Ein Motor 3, wie zum Beispiel ein Dieselmotor, wird zum Starten des Aggregats verwendet. In dem dargestellten Fall ist ein Ende des Motors 3 mit einem Hilfsstromgenerator 17 verbunden, der Strom erzeugt zum Beispiel für ein Schiff und zur Versorgung des Aggregats. Am anderen Ende weist der Motor eine Wellenkupplung 9 auf, die ihn mit dem Getriebe 4 verbindet. Der Motor 3 dient zum Starten des Aggregats. Wenn das Aggregat jedoch gestartet wurde, kann der Motor 3 von dem Getriebe 4 getrennt werden und zum Antrieb des Generators 17 verwendet werden. Wenn der Motor 3 stark genug ist, kann er im Notfall auch als Ersatzantrieb wirken.
Der Motor 3 kann im Prinzip ein Elektro-, Hydro-, Druckluft- oder Dieselmotor sein.
Bei der dargestellten Ausführungsform wird das Getriebe 4 dazu verwendet, die Gasturbine 1, den Verdichter 2, den Motor 3, eine Abtriebswelle 5 und einen Stromgenerator 6 mechanisch zu verbinden. Demzufolge umfasst das Getriebe 4 ein mit der Gasturbine 1 verbundenes Zahnrad, ein Zahnrad zur Aufnahme des Antriebs von dem Motor 3, ein Zahnrad zum Antreiben des Kolbenverdichters 2, ein Zahnrad zum Antreiben der Abtriebswelle 5 und ein Zahnrad zum Antreiben des Stromgenerators 6.
Wenn die Abtriebswelle 5 zum Schiffsantrieb verwendet wird, ist sie auf einem Axial- bzw. Drucklager 11 gelagert und mit einer Antriebsschraube 19 verbunden, die bewegliche Schaufeln haben kann. Alternativ kann sie z.B. zum Antrieb eines weiteren Generators verwendet werden.
In dem dargestellten Fall ist der Stromgenerator 6 an einem Ende über eine kinetische Wellenkupplung 10 mit dem Getriebe 4 und am anderen Ende mit einem frequenzstabilisierenden Schwungrad 22 verbunden. Anstelle des Generators 6 könnte dagegen auch ein weiterer Kolbenverdichter, wie zum Beispiel 2, verwendet werden, um die Luftzufuhr zu der Gasturbine 1 zu erhöhen.
Wellenkupplungen 7, 8 und 9, die die Gasturbine 1, den Verdichter 2 und den Motor 3 mit dem Getriebe 4 verbinden, können wahlweise eingerückt oder ausgerückt werden. Sie können hydraulisch, elektromagnetisch oder pneumatisch sein. Die kinetische Wellenkupplung 10 ist vorzugsweise pneumatisch oder elektromagnetisch.
Das soweit beschriebene Hochdruck-Gasturbinenaggregat der vorliegenden Erfindung funktioniert wie folgt:
STARTVORGANG
Das Aggregat wird zunächst mit Hilfe des Motors 3 aus dem Ruhezustand gestartet. Der Generator 17 wird dann vom Netz abgeschaltet. Nach dem Starten des Motors 3 werden die wellenverbindenden Kupplungen 7, 8 und 9 eingerückt, während die wellenverbindende Kupplung 10 ausgerückt wird. Mit Hilfe des Getriebes 4 werden die Gasturbine 1, der Verdichter 2 und die Abtriebswelle 5 gleichzeitig gestartet. Durch den Betrieb des Verdichters 2 wird aus der Umgebung angesaugte Luft durch den Verdichter des Turboladers 12 und den Luftkühler 13 in den Kolbenverdichter 2 gepumpt, von wo sie in komprimierter Form zu den Brennkammern 18 der Gasturbine 1 geleitet wird. Die Brennkammern 18 sind zu diesem Zeitpunkt noch nicht aktiv. Nachdem die komprimierte Luft dann durch die Gasturbine 1 geströmt ist, treibt sie die Turbine des Turboladers 12 an, die den Verdichter des Turboladers antreibt, um die dem Verdichter 2 zugeführte Luft mit niedrigem Druck zu komprimieren. Dieser Leerlauf kann für eine längere Zeit andauern.
BETRIEB IM EINGESCHWUNGENEN ZUSTAND
Indem man die Kraftstoffpumpe 23 an dem Verdichter 2 Hochdruckkraftstoff in die Brennkammern 18 einspeisen lässt, wird die Verbrennung darin gestartet. Das dadurch erzeugte Verbrennungsgas dehnt sich durch die Gasturbine 1 aus und die Energie des Kraftstoffs wird durch die Rotation des Rotors der Gasturbine 1 in mechanische Energie umgewandelt. Beim Austritt aus der Gasturbine 1 treiben die Verbrennungsgase die Gasturbine des Turboladers 12 an, die den Verdichter des Turboladers antreibt. Nach dem Austritt aus der Gasturbine des Turboladers können die Verbrennungsgase durch einen Ekonomiser strömen und dann in die Umgebung entweichen.
Angetrieben durch die Turbine des Turboladers 12 saugt der Verdichter des Turboladers Luft aus der Umgebung an, kompri miert sie und führt sie durch den Luftkühler 13 dem Verdichter 2 zu, wo sie weiter komprimiert wird und dann in die Brennkammern 18 der Gasturbine 1 eingespeist wird. In den Brennkammern 18 wird der durch die Kraftstoffleitungen 21 zugeführte Kraftstoff gezündet, vorzugsweise unterstützt durch einen Verbrennungsstimulator, um den Wirkungsgrad des Aggregats zu erhöhen.
Nach dem Start wird der Motor 3 von dem Getriebe 4 getrennt, woraufhin der Generator 17 mit seinem Netz verbunden werden kann.
Solange Kraftstoff den Brennkammern 18 zugeführt wird, läuft die Gasturbine 1 weiter und erzeugt weiterhin Energie, um den Verdichter 2 und die Abtriebswelle 5 und/oder den Stromgenerator 6 mit Hilfe des Getriebes 4 anzutreiben.
Die Rotation und die Erzeugung von Energie in der Gasturbine 1 wird modifiziert, indem man die Ladung der Kraftstoffpumpe 23 von dem Bedienungsstand 20 aus ändert. Das heißt, das gesamte Aggregat kann manuell oder automatisch von dem Bedienungsstand 20 aus gesteuert werden. Die Stabilisierung der Leistung und der Rotation der Antriebsschraube 19 kann man über einen bekannten Rotations- und Leistungsregler wie zum Beispiel ein Gerät der Marke WOODWOORD^® erhalten.
Während z.B. ein Schiff unterwegs ist, kann preiswerter Strom erzeugt werden, indem der Stromgenerator 6 über die kinetische Wellenkupplung 10 angetrieben wird. Das mit dem Generator 6 verbundene Schwungrad 22 soll die Frequenz des erzeugten Stroms unter Bedingungen wie zum Beispiel Sturm, Stampfen oder dergleichen stabilisieren.
Der Motor 3, wie zum Beispiel ein Dieselmotor, und der Generator 17 können Strom erzeugen, wenn das Schiff im Hafen liegt oder unterwegs ist, wobei die wellenverbindende Kupp lung 9 ausgerückt ist. Der Motor 3 kann gegebenenfalls auch zum Notantrieb verwendet werden. In diesem Fall sind die Kupplungen 7, 8 und 10 ausgerückt, während die Kupplung 9 eingerückt ist. Der Generator 17 wird inzwischen vom Netz abgeschaltet.
Mit dem Ersatz des typischen Turboverdichters eines herkömmlichen Gasturbinenantriebsaggregats durch einen Hochdruckkolbenverdichter verbessert die vorliegende Erfindung den Wirkungsgrad eines Gasturbinenantriebsaggregats, so dass dieses eine breitere Verwendung finden kann, z.B. in Schiffen. Ein bei der Erfindung verwendeter Kolbenverdichter kann relativ kostengünstig hergestellt werden, insbesondere durch Modifikation eines Dieselmotors. Ein Hochdruck-Gasturbinenantriebsaggregat gemäß der Erfindung kann wegen eines hohen adiabatischen Gefälles, niedrigerer Strömungsgeschwindigkeiten von Luft und Verbrennungsgas und demzufolge eines niedrigeren Reibungswiderstands und einer niedrigeren Drehzahl in einem einzigen Block und mit einem relativ hohen Wirkungsgrad eine hohe Leistung erzeugen. Außerdem kann es leichter und ruhiger sein.

Claims

Gasturbinentriebwerk mit: – einer Gasturbine (1) mit mehreren Brennkammern (18), – einem Luftverdichter, der mit der Gasturbine (1) mechanisch verbunden ist, um den Brennkammern (18) unter Druck stehende Verbrennungsluft zuzuführen, und – einer Brennstoffquelle zum Zuführen von Brennstoff zu den Brennkammern (18), dadurch gekennzeichnet, dass der Luftverdichter ein Kolbenverdichter (2) ist.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, bei dem der Kolbenverdichter (2) mehrere Zylinder aufweist, die getrennt mit jeweils einer Brennkammer (18) der Gasturbine (1) verbunden sind.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Brennstoffquelle eine Kolbenbrennstoffpumpe (23) ist, deren jeder Zylinder einer der Brennkammern (18) Brennstoff zuführt.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3, bei dem der Kolbenverdichter (2) ein modifizierter Dieselmotor ist und die Brennstoffpumpe (23) die Brennstoffpumpe des Dieselmotors ist.
Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem Turbolader (12), der durch Abgas von der Gasturbine (1) angetrieben wird und dem Lufteinlass des Kolbenverdichters (2) vorverdichtete Umgebungsluft zuführt.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 5, ferner mit einem Luftkühler (13), der zwischen dem Turbolader (12) und dem Kolbenverdichter (2) angeordnet ist.
Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kolbenverdichter (2) durch ein Getriebe (4) mit der Gasturbine (1) mechanisch verbunden ist.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 7, bei dem die Gasturbine (1) und/oder der Kolbenverdichter (2) durch eine ausrückbare Wellenkupplung (7, 8) mit dem Getriebe (4) verbunden ist.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 7 oder 8, bei dem eine Abtriebswelle (5) des Triebwerks mit dem Getriebe (4) in Antriebsverbindung steht.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 9, bei dem die Abtriebswelle (5) mit einem Propeller (19) versehen ist.
Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Stromgenerator (6) durch eine kinetische Wellenkupplung (10) mit der Gasturbine (1) verbunden ist.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 11, bei dem der Generator (6) auf seiner Welle ein frequenzstabilisierendes Schwungrad (22) trägt.
Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Motor (3) mit der Gasturbine (1) und dem Kolbenverdichter (2) durch eine ausrückbare Wellenkupplung (9) mechanisch verbunden ist, wobei der Motor den Anfahrmotor des Triebwerks bildet.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 13, bei dem der Motor (3) ein Dieselmotor ist.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 13 oder 14, bei dem ein Hilfsstromgenerator (17) mit dem Motor (3) verbunden ist.
Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 11 bis 15 in Verbindung mit Anspruch 7, bei dem der Stromgenerator (6) und/oder der Motor (3) durch das Getriebe (4) mit der Gasturbine (1) verbunden sind.