DE701457C

DE701457C - Device for generating energy from the exhaust gases of internal combustion engines

Info

Publication number: DE701457C
Application number: DE1936R0096404
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Rudolf Hingst
Original assignee: Rheinmetall Borsig AG
Current assignee: Rheinmetall AG
Priority date: 1936-05-29
Filing date: 1936-05-29
Publication date: 1941-01-16

Description

Einrichtung zur Energiegewinnung aus den Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen In dem Hauptpatent 657 607 ist ein Verfahren zur Energiegewinnung aus den Ab- gasen der ein Flugzeug antreibenden Verbrennungskraftmaschinen beschrieben, bei welchem der durch die Abgaswärme erzeugte Dampf in einer Dampfturbine und das verbleibende Druckgefälle der Abgase in einer Abgasturbine Arbeit leisten. Die Dampfturbine und die Abgasturbine treiben gemeinsam einen Verdichter an, der die zum Betriebe von Flugzeugen benötigte Luft verdichtet, welche insbesondere der Aufladung der Verbrennungskraftmaschinen zur Aufrechterhaltung der vollen Antriebsleistung in großen Flughöhen und der Belüftung der Flugzeugkabinen dient.Means for recovering energy from the exhaust gases of internal combustion engines in the main patent 657 607 describes a method for recovering energy from the exhaust gases of an aircraft driving internal combustion engines, in which the steam generated by the exhaust heat in a steam turbine, and the remaining pressure drop of the exhaust gases in an exhaust gas turbine Perform work. The steam turbine and the exhaust gas turbine jointly drive a compressor that compresses the air required to operate aircraft, which is used in particular to charge the internal combustion engines to maintain full drive power at high altitudes and to ventilate the aircraft cabins.

Wird der Verdichter in. der oben angeführten Weise angetrieben, so muß die Drehzahl der Dampfturbine, der Gasturbine und des Verdichters entsprechend der zulässigen Drehzahl des höchst beanspruchten Maschinenteils gewählt -werden, wodurch der Wirkungsgrad der anderen Teile der Maschinengruppe schlechter wird, da diese Teile nicht mit ihren günstigsten Drehzahl-en betrieben werden.If the compressor is driven in the above-mentioned manner, so the speed of the steam turbine, the gas turbine and the compressor must be adjusted accordingly the permissible speed of the most heavily loaded machine part -be selected, whereby the efficiency of the other parts of the machine group deteriorates, since these parts are not operated at their most favorable speeds.

Zur Behebung dieses Mangels wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, die Hochdruckstufe des Verdichters durch die Dampfturbine und die Niederdruckstufe des Verdichters mittels der Abgasturbine unabhängig voneinander mit verschiedenen Drehzahlen anzutreiben. Durcheine derartige Aufteilung der Verdichtungsgruppeergibt sich der Vorteil, daß jede der Maschinen der Aufladeanlage mit ihrer günstigsten Drehzahl betrieben werden kann, so daß der Wirkungsgrad der gesamten Anlage am günstigsten wird. Durch diese Anordnung wird ferner ein günstiger Wirkungsgrad beim Aufstieg des Flugzeuges, also auch bei veränd2r1ic'hem Druckverhältnis des Verdichters, erreicht, da bei niederem Druckverhältnis die Verdichtung fast ausschließlich durch die Hochdruckstufe des Verdichters erfolgt, während - die Niederdruckstufe erst in größeren Höhen zur Verdichtung der Luft beiträgt. Durch die Trennung des Niederdruck- und des Hochdruckteils der Verdichteranlage wird es auch möglich, zwischen beiden Verdichtern einen Zwischenkühler zur Kühlung der in der Niederdruckstufe verdichteten Luft vorzusehen.To remedy this deficiency, it is proposed according to the present invention to drive the high pressure stage of the compressor by the steam turbine and the low pressure stage of the compressor by means of the exhaust gas turbine independently of one another at different speeds. Such a division of the compression group results in the advantage that each of the machines of the supercharging system can be operated at its most favorable speed, so that the efficiency of the entire system is most favorable. This arrangement also achieves a favorable degree of efficiency when the aircraft ascent, i.e. even when the pressure ratio of the compressor changes, since at a low pressure ratio the compression takes place almost exclusively through the high pressure stage of the compressor, while - the low pressure stage is only used at greater heights for compression the air contributes. By separating the low-pressure and high-pressure parts of the compressor system, it is also possible to provide an intercooler between the two compressors for cooling the air compressed in the low-pressure stage.

Die Erfindung umfaßt ferner eine Einrichtung zur Energiegewinnung aus den Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, bei der die Rückgewinnung der Energie in zwei einen Niederdruckverdichter und einen Hochdruckverdichter antreibenden Gasturbinen erfolgt, wobei die den Hochdruckverdichter antrei-])ende Gasturbine so ausgelegt ist, daß beim Durchflie-cri niudür,#r Höhen ihre Antriebsleistun- zur aileinigen Deckun-- des Luftbedarfs durch den Hochverdichter ausreicht und in der Zweigstelle der zu beiden Turbinen führunden Gasleitun- eine Umschaltklappe vorges#Iien ist, durch die der Zustrom der Gasmcii,-u züi der den Niederdruckverdichter antreibenden Turbine beim übergang in größere Höhen gesteigert -wird. Es ist bekannt, die Abgasenergie in zwei Turbinen auszunutzen, von welchen die eine den Niederdruckverdichter und die andere den Hochdruck-verdichter aptreibt. Hierbei verarbeiten die Gasturbincii stets -leiche oder konstant bleibende Gasmengen. Beini Ge-enstand der Vorveröfi-,ritlcliiiii- sind die Saminelleitungen für die Auspufigase durch ein Rohrstück vereiii;glt, und es ist ein Schieber vorg ,gesehen. der im Gegensatz zur Anordnun- bei der Erfindun- hinter den Abzweiungen züi den Gasturbinen liegt und dem-(Xemäß die Auspufigase entweder ins Freie oder -leichzeitig ZU beiden Ab-asturbinen #b zn leitet. Die Möglichkeit zum Betrieb nur einer Turbine bzw. mir eines Gebläses und ferner zur Beeinflussung der Drehzahlen der antreibenden Turbinun durch Zufuhr verschiedener und veränderlicher Gasinen-en besteht nicht. Ein günstiger Laclerbetrieb ist somit nur in einer bestimmten Flughöhe erreichbar, darunter oder darüber kann die Abgasenergie nur zum Teil und dann mit schlechteinWirkungsgrad nutzbar gemacht werden.The invention further comprises a device for generating energy from the exhaust gases of internal combustion engines, in which the energy is recovered in two gas turbines driving a low-pressure compressor and a high-pressure compressor, the gas turbine driving the high-pressure compressor being designed so that the flow-through cri But if your drive power is sufficient to cover all of the air required by the high compressor, and in the branch of the gas line leading to both turbines, a switchover flap is provided through which the inflow of the gas pumps to the low-pressure compressor driving turbine is increased during the transition to greater heights. It is known to utilize the exhaust gas energy in two turbines, one of which drives the low-pressure compressor and the other drives the high-pressure compressor. The gas turbines always process the same or constant amounts of gas. In the product of the Vorveröfi-, ritlcliiiii-, the chimney lines for the exhaust gases are arranged through a piece of pipe, and a slide valve is provided. the züi in contrast to the arrange- at the inventions behind the Abzweiungen is the gas turbines and derives asturbinen Ab-DEM (Xemäß the Auspufigase either outside or -leichzeitig TO two #b zn. The ability to operate only one turbine or me A blower and also to influence the speed of the driving turbine by supplying different and variable gases does not exist. A favorable Lacler operation is thus only achievable at a certain altitude, below or above the exhaust gas energy can only be partially and then made usable with poor efficiency .

lin Gegensatz hierzu ist durch die erfindungsgemäße GasverteiltiD- eine Anpassung des #7erdichterbetriebs über einen -roßen C Flughöhenbereich an die sich ändernden Luftverhältnissc mö--lich, und es können die AbzD ,gase in jeder Flughöhe unter bestem Wirk-uii-s-rad in beiden Turbinen nutzbar gemacht werden. ohne daß Energie verlorengeht. Daneb-,#ii kann etwai e aus der Ab as-9 9 warme noch gewonnene Energie anderen Zwecken, beispielsweise der Belüftung des Kühlers, dienen.lin contrast, mö an adaptation of the # 7erdichterbetriebs a -roßen C altitude range to the changing Luftverhältnissc by the inventive GasverteiltiD- - Lich, and it can AbzD, gases in each altitude is the best action-uii-s-rad in both turbines can be made usable. without losing energy. In addition, any energy that is still warm from the Ab as-9 9 can be used for other purposes, for example to ventilate the cooler.

In der Zeichnung sind verschiedene Anlagen gemäß der Erfindung beispielsweise dargestellt.In the drawing, various systems according to the invention are for example shown.

Gemäß Abb. i wurdun die Abg asc der Verbrennungskraftmaschine i über die Leitung 2 durch einen #'(#rclinipfer - , C geleitet, ans dem sie über die Leitung i , ) zur Gasturbine 6 strönien. Der in dem \-erd-iirtipfer", erzeugte Dampf strömt, nachdem er zweckmäßigerweisu Überhitzt worden ist, der Dampfturbille, 5 züi, wo er seine aus der Abgaswärme gewonnene Energie abgibt. Während die Dampfturbilie 5 den Hochdruckverdichter 7 antreibt, wird der Antrieb des Niederdruckverdichters 9 durch die Gasturbine 6 bewirkt. Die beiden Verdichter werden möglichst achsparallel aufgestellt und mit verschiedenen Drehrichtungen betrieben, um die auftretenden KreiseImomente weitgehend aufzuheben. Zwischen den beiden Verdichtern ist ein Zwischenkühler 14 aDgCordnet.According to Fig. I, the exhaust asc of the internal combustion engine i was routed via line 2 through a # '(# rclinipfer - , C, to which it flows via line i ,) to the gas turbine 6 . After it has been expediently overheated, the steam generated in the "earth-tipper" flows to the steam turbine 5 , where it gives off its energy obtained from the heat of the exhaust gas. While the steam turbine 5 drives the high-pressure compressor 7 , the Low-pressure compressor 9 is effected by the gas turbine 6. The two compressors are set up as axially parallel as possible and operated with different directions of rotation in order to largely cancel out the circular moments that occur.

In niederen Höhen, in denen schon Dampf durch die Abgaswarme in dem Kessel 3 erzeugt wird, arbeitet praktisch nur die Hochdruckstufe 7 des Verdichters. Um zu vermeiden, daß die von dem Hochdruckverdichter 7 in niederen Höhen zu verdichtende Luft über den Niederdruckverdichter 9 und den Zwischenk-ühlcr 14 angesatigt werden muß, ist zwischen dem Hochdruckverdichter 7 und dem Zwischenkühley 14 eine besondere Ansaugelehmig 26 vorgeschen, in die ein Unterdruckventil 27 eingescbaltet ist, welches sich bei einem geringen Unterdruck in der Ansaugeleitung 26 gegcnüber dem Druck der Atmosphäre öfinet, so daß die Luft unter Umgehung der Niederdruckstufe 9 und des Zwischenkühlers 14 unmittelbar angesaugt wird. Sobald eine Flughöhe erreicht ist, in der ein in der Gasturbine 6 ausnutzbares Druckge tD fälle der Abgase zur Verfügung steht, läuft auch die Gasturbizie 6 an und verdichtet die durch die Ansaugeleitung 28 eintretende Luft. Infolgedessen strömt dem Hochdruckverdichter 7 schon vorverdichtete Luft zu, so daß sich das in der Aiisaugeleitung 26 des Hochdruckverdichters 7 angeordnete Unterdruckventil 27 schließt. Mit der Erlangung größerer Flughöhen nimmt die Gasturbinenleistung gegenüber der Dampfturbinenleistung immer mehr zu, d. h. die Verdichtungsleistung der gesamten Anlage wird größer.At low altitudes, where steam is already being generated by the exhaust gas heat in the boiler 3 , practically only the high pressure stage 7 of the compressor works. In order to avoid that the air to be compressed by the high pressure compressor 7 at low altitudes has to be sucked in via the low pressure compressor 9 and the intermediate cooler 14, a special suction permit 26 is provided between the high pressure compressor 7 and the intermediate cooler 14, into which a vacuum valve 27 is switched on, which opens at a slight negative pressure in the suction line 26 compared to the pressure of the atmosphere, so that the air is sucked in immediately , bypassing the low pressure stage 9 and the intercooler 14. Once a flight altitude is reached, in which an exploitable in the gas turbine 6 falls printing equipmen tD of the exhaust gases is available, the Gasturbizie 6 starts running and compresses the air entering through the suction line 28th As a result, air that has already been pre-compressed flows to the high-pressure compressor 7 , so that the vacuum valve 27 arranged in the suction line 26 of the high-pressure compressor 7 closes. With the attainment of greater flight altitudes, the gas turbine output increases more and more compared to the steam turbine output, i. H. the compression capacity of the entire system increases.

Da die Gasturbine 6 und der von ihr angetriebene Niederdruckverdichter 9 erst in größeren Höhen wirksam an der Verdichtung der zum Betrieb des Flugzeuges benötigten Luft teilnimmt, wird die Gasturbine 6 so beniessen, daß sie ihren günstigsten Wirkungsgrad ungefähr in der von dem Flugzeug zu erreichenden Gipfelhöhle hat. Es ist unerheblich, daß der Wirkungsgrad der Niederdruckstufe in niederen Höhen ein schlechter ist, da in diesen Höhen die erforderliche Verdichtungsleistung allein durch den mittels der Dampfturbine 5 angetriebeneu Hochdruckverdichter 7 gedeckt werden kann. Infolge der Aufteilung des Verdichters kann der Hochdruckverdichter 7 entsprechend seinem kleinen Ansaugevolumen mit höherer Drehzahl betrieben werden als der Niederdruckverdichter.Since the gas turbine 6 and the low-pressure compressor 9 driven by it only effectively take part in the compression of the air required to operate the aircraft at greater heights, the gas turbine 6 will enjoy its best efficiency approximately in the peak cave to be reached by the aircraft . It is irrelevant that the efficiency of the low-pressure stage is poor at lower altitudes, since at these altitudes the required compression output can be covered solely by the high-pressure compressor 7 driven by the steam turbine 5. As a result of the division of the compressor, the high-pressure compressor 7 can be operated at a higher speed than the low-pressure compressor in accordance with its small suction volume.

Die von den Verdichtern geförderte Luft wird der Verbrcimungskraftmaschine i durch die Leitung 37 zugeführt; die nicht zur Aufladung benötigte Luft kann durch die Leitung 38' den Kabinen zwecks Belüftung zugeleitet werden.The air delivered by the compressors is fed to the combustion engine i through the line 37; the air not required for charging can be fed through the line 38 'to the cabins for the purpose of ventilation.

Die Abb. 2 zeigt eine im wesentlichen in der gleichen Weise betriebene Anlage. Zur erhöhten Ausnutzung der Verlustwärme sind auch die Kühlräume 15 der Verbrennungskraftmaschine i an den Wasserkreislauf des Verdampfers 3 angeschlossen. Es kann also auch die in den Kühlräumen 15 durch das Kühlwasser abgeführte Wärme bei der Erzeugung von Dampf nutzbar gemacht werden.Fig. 2 shows a plant operated in essentially the same way. The cooling chambers 15 of the internal combustion engine i are also connected to the water circuit of the evaporator 3 for increased utilization of the heat loss. The heat dissipated by the cooling water in the cooling spaces 1 5 can therefore also be made usable in the generation of steam.

in der Abb. 3 ist eine Anlage dargestellt, bei der zur Verdichtung der Luft nur die Ab 'gase verwendet -werden. Die aus der Verbrennungskraftmaschine i austretenden Ab- gase strömen über- die Leitungen 2, 13 zu zwei Gasturbinen 29, 3o, von denen die eine den Hochdruckverdichter 7 und die andere den Niederdruckverdichter 9 antreibt. An der Ab- zweigung der Leitungen 3 1, 3 2 ist in der Ab- gasleitung 13 eine Umschaltklappe 34 vorgesehen, die entsprechend ihrer Stellung die Abgase nur zu der Turbine 3o oder zu beiden Turbinen 29, 3o leitet oder auch, falls eine Verdichtung von Luft nicht erforderlich ist (in Bodennähe), die Abgase ins Freie entweichen läßt. Zwischen dem Niederdruckverdichter 9 und dem Hochdruckverdichter 7 ist in der gleichen Weise, wie oben beschrieben, der Zwischenkühler 14 und zwischen diesem und der Hochdruckstufe 7 eine Ansaugleitung 26 mit einem Unterdruckventil 27 angeordnet.in Fig. 3, a system is shown in which to compress the air only Ab 'gases used -Be. The i exiting exhaust gases from the engine flow exceeds the lines 2, 3 to 1, two gas turbines 29, 3o, one of which is the high-pressure compressor 7 and the other drives the low pressure compressor. 9 At the exhaust of the lines 3 1, 3 2 is gas line in the waste 1 3, a changeover damper 34 is provided branching, the exhaust pipes according to their position only to the turbine 3o or two turbines 29, 3o, or even if a compaction of air is not required (close to the ground), the exhaust gases can escape into the open. Between the low-pressure compressor 9 and the high-pressure compressor 7 , the intercooler 14 is arranged in the same way as described above, and an intake line 26 with a vacuum valve 27 is arranged between this and the high-pressure stage 7.

Beim Aufstieg in größere Höhen kann der Abgasstrom, welcher über die Leitung 13 zu den Turbinen tritt, durch die Umschaltklappe 34 SO geleitet werden, daß er nur in der den Hochdruckverdichter 7 antreibenden Gasturbine 3o Arbeit leistet. Die Turbine 30 ist zweckmäßig so bemessen, daß sie ihren günstigsten Wirkungsgrad in den von dem Flugzeug zu durchfliegenden nieder-en Höhen hat. Dadurch wird erreicht, daß die Abgase vor den Düsen der Turbine3o auf einen höheren Druck aufgestaut werden, so daß auch in niederen Höhen ein genügend großes Gefälle der in der Gasturbine3o auszunutzenden Ab- gase gewährleistet ist und somit die Antriebsleistung, welche zur Verdichtung der benötigten Luftmengen erforderlich ist, gedeckt werden kann. Aber auch in , größeren ZD Höhen ist die Verdichtung der erforderlichen Luftmenge möglich, da dann dem Hochdruckverdichterl schon die von dem Niederdruckverdichter 9 vorverdichtete Luft zuströmt. Der den Gasturbinen 29, 30 zugeteilte Abgasstrom kann den jeweiligen Verhältnissen durch die UmschaltklapPc 34 angepaßt werden.When ascending to greater heights, the exhaust gas flow, which occurs via the line 13 to the turbines, can be passed through the switchover flap 34 SO so that it only works in the gas turbine 3o driving the high-pressure compressor 7. The turbine 30 is expediently dimensioned in such a way that it has its most favorable degree of efficiency in the low altitudes to be flown through by the aircraft. It is thereby achieved that the exhaust gases are accumulated to a higher pressure before the nozzles of the Turbine3o so that the utilizable in the Gasturbine3o exhaust gas is ensured even in low altitudes, a sufficiently large gap and hence the driving power, which for the compression of the required amounts of air is required, can be covered. However , the required amount of air can also be compressed at greater ZD heights, since the air that has already been pre-compressed by the low-pressure compressor 9 then flows to the high-pressure compressor. The exhaust gas flow allocated to the gas turbines 29, 30 can be adapted to the respective conditions by means of the reversing flap PC 34.

-Durch die Verteilung des Abgasstromes auf die beiden Gasturbinen 29, 3o können diese mit einem geringeren Laufraddurchmesser bemessen werden, da nur die halben Schaufelhöhen erforderlich sind. Damit verringert sich auch die Schaufel- und Laufradbeanspruchung, so daß die Turbinen mit höheren Drehzahlen als sonst zulässig betrieben oder weit höheren Temperaturen der Abgase ausgesetzt werden können, in welchem Falle das ausnutzbare Wärmegefäll#e größer ist und die Leistung der Turbinen zunimmt.By distributing the exhaust gas flow to the two gas turbines 29, 3o, these can be dimensioned with a smaller impeller diameter, since only half the blade heights are required. This also reduces the stress on the blades and impellers, so that the turbines can be operated at higher speeds than otherwise permissible or exposed to far higher temperatures of the exhaust gases, in which case the usable heat gradient is greater and the output of the turbines increases.

Bei der in Abb. 4 dargestellten Anlage durchströmen die von der Verbrennungskraftmaschine i kommenden Abgase zunächst einen überhitzer 22, in dem der für die Ab- kühlung der Abgase erforderliche Temperaturbetrag abgeführt wird. Die Verbrennungskraftmaschine i wird durch Anwendung der an sich bekannten Verdampfungskühlung gekühlt. Der in den Kühlräumen 15 der Verbrennungskraftmaschine i entwickelte Dampf tritt durch die Leitung 36 zu dem überhitzer 22 und von hier aus in eine Dampfturbine 24, welche dem Antrieb eines Gebläses 25 dient. Dieses -Gebläse dient dazu, Luft durch einen Kühler 18 zu saugen, in dem der in der Dampfturbine 24 entspannte Dampf niedergeschlagen wird. Auf diese Weise können die Abgase auf die für die Gasturbinen --9, 30 zulässige Temperatur herabgekühlt werden, ohne daß sich Verluste durch die Herabkühlung ergeben. Die Verdichtung der Luft erfolgt in der gleichen Weise wie bei der Anlage nach Abb. 3. In the illustrated in Fig. 4 system coming from the internal combustion engine exhaust gases flow through i initially a superheater 22 in which the cooling system for the exhaust of the exhaust temperature required amount is discharged. The internal combustion engine i is cooled by using evaporative cooling, which is known per se. The steam developed in the cooling chambers 1 5 of the internal combustion engine i passes through the line 36 to the superheater 22 and from here into a steam turbine 24 which is used to drive a fan 25 . This - fan serves to draw air through a cooler 18, in which the expanded in the steam turbine 24, steam is deposited. In this way, the exhaust gases can be cooled down to the temperature permissible for the gas turbines - 9, 30 without losses resulting from the cooling down. The air is compressed in the same way as in the system shown in Fig. 3.

Claims

PATENT CLAIMS- -. i. Device for generating energy from the exhaust gases of internal combustion engines according to Patent 657 6o7, in which the steam generated by the exhaust gas heat in a steam turbine and the remaining pressure gradient of the exhaust gases in an exhaust gas turbine do work to compress the air required to operate aircraft, characterized in that the high pressure stage (7) of the compressor by the steam turbine (5) and the low-pressure stage (9) of the compressor by means of the exhaust gas turbine (6) are driven independently of one another.

2. Device for generating energy from the exhaust gases of internal combustion engines according to patent 657 607, in which the whole or the remaining pressure gradient of the exhaust gases is used to compress air for the operation of aircraft, characterized in that the recovery of the energy, as known per se, in two gas turbines (29,., t ) driving a low-pressure compressor (9) and a high-pressure compressor (7), the gas turbine (30) driving the high-pressure 30) success compressor (7) being designed so that lower when flying through If their drive power is sufficient to cover the air requirement by the high-pressure compressor (7) alone and a switch-over flap (34) is provided at the branch of the gas line leading to the two turbines (29, 3o ') , through which the inflow of the gas volume to the low-pressure compressor ( 9) driving turbine (29 ') is enlarged during the transition to greater flight altitudes 3. Device according to claims 1 or 2, characterized thereby It means that a special suction line (26) is provided between the high-pressure compressor (7) and an intercooler (14) and a vacuum valve (27) is switched on in this. 4. Device according to claims x or 2, characterized in that the two compressors (7, 9) are arranged axially parallel and are operated with opposite directions of rotation.