DE762514C - Internal combustion turbine system of high performance - Google Patents

Internal combustion turbine system of high performance

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DE762514C
DE762514C DEM153340D DEM0153340D DE762514C DE 762514 C DE762514 C DE 762514C DE M153340 D DEM153340 D DE M153340D DE M0153340 D DEM0153340 D DE M0153340D DE 762514 C DE762514 C DE 762514C
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DE
Germany
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turbine
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internal combustion
high performance
turbine system
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Expired
Application number
DEM153340D
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German (de)
Inventor
Alfred Dr-Ing Schuette
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MAN AG
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MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/36Open cycles

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

Brennkrattturbinenanlage großer Leistung Bei jeder Brennkraftturbinenanlage gibt es ein bestimmtes Druckverhältnis, bei dem die Anlage den günstigsten Wirkungsgrad erreicht. Die Höhe dieses Druckverhältnisses wird von sehr vielen Faktoren beeinflußt, so z. B. von der Höhe des Turbinen- und Verdichterwirkungsgrades, von der Gaseintrittstemperatur, von der Höhe des Druckverlustes, von der Höhe der Abwärmeausnutzung usw.Combustion turbine system with high performance For every internal combustion turbine system there is a certain pressure ratio at which the system has the most favorable efficiency achieved. The level of this pressure ratio is influenced by many factors, so z. B. on the level of the turbine and compressor efficiency, on the gas inlet temperature, on the level of pressure loss, on the level of waste heat utilization, etc.

Weiterhin wird das Druckverhältnis beeinflußt von der Art des Arbeitsverfahrens, d. h. ' ob die Verdichtung adiabatisch oder isothermisch und die Dehnung adiabatisch oder isothermisch erfolgt. Wenn keine besonderen Maßnahmen ergriffen werden, verläuft eine Dehnung und Verdichtung immer polytropisch, wobei sich die Polytrope stark der Adiabate nähert. Bei polytropischer, d. h. also angenähert adiabatischer Verdichtung und Dehnung und einer praktisch ausführbaren und vertretbaren Größe des Wärmeaustauschers erhält man die günstigsten Gesamtwirkungsgrade bei verhältnismäßig geringen Druckverhältnissen.Furthermore, the pressure ratio is influenced by the type of work process, d. H. 'Whether the compression is adiabatic or isothermal and the expansion adiabatic or isothermal. If no special measures are taken, it will run an expansion and compression always polytropic, whereby the polytropes are strong the adiabatic is approaching. In the case of polytropic, i.e. H. thus approximated adiabatic compression and elongation and a practically feasible and reasonable size of the heat exchanger the best overall efficiency is obtained at relatively low pressure conditions.

Diese Tätsache hat Vorteile, aber auch Nachteile. . Vorteilhaft ist es, daß die Wandstärken der Leitungen. der Verdichter und der Turbine klein gehalten werden können. Weiterhin kommt man mit weniger Stufen bei der Turbine und dem Verdichter aus, was besonders bei den Verdichtern ins Gewicht fällt. da t%-e,-en der großen Fördermengen. die bei Brennkraftturbinenanlagen benötigt ,werden, fast ausschließlich Strömungsgebläse und hier wieder in erster Linie Axialverdichter in Frage kommen. Je vielstufiger ein derartiger Verdichter nun wird. desto steiler. also unvorteillia.fter wird die Kennlinie. Es ist daher erwünscht. daß das Druckverhältnis nicht zu hoch wird.This fact has advantages, but also disadvantages. . Is beneficial it that the wall thicknesses of the lines. the compressor and the turbine can be kept small. Furthermore, you get to the turbine with fewer steps and the compressor, which is particularly important for the compressors. there t% -e, -en of the large flow rates. which are required for internal combustion turbine systems, almost exclusively flow fans and here again primarily axial compressors come into question. The more multi-stage such a compressor becomes. the steeper. so unforteillia.fter the characteristic is. It is therefore desirable. that the pressure ratio does not get too high.

Bei diesem vorstehend geschilderten Arbeitsverfahren arbeitet die Turbine also: mit einem kleinen Gefälle. Um eine bestimmte Leistung zu erhalten, muß bei kleinem Gefälle das verarbeitete Gasgewicht aber groß werden. Die Rohrleitungen. die Turbine usw. erhalten also große Abmessungen. Bei Anlagen kleinerer und mittlerer Größe mag diese Tatsache nicht sehr ins Gewicht fallen. Bei Gro3-anlagen kann sie jedoch die Ausführbarkeit überhaupt in Frage stellen. Man erhält dann derartig große erforderliche Ouersclinitte. daß man sie nur finit praktisch unausführbar großen Schaufel- und Läuferabmessungen verwirklichen könnte.In this working method described above, the So turbine: with a small gradient. To get a certain service, However, the processed gas weight must be large with a small gradient. The pipelines. the turbine, etc. are thus made large in size. For small and medium-sized systems Size may not weigh that fact very much. With large systems it can however question the feasibility at all. You then get such large ones required Ouersclinitte. that they are only finite and practically impracticable Could realize blade and rotor dimensions.

Man hat nun schon Gasturbinenanlagen mit geschlossenem Kreislauf gebaut, d. h. solche Anlagen, bei denen dasselbe Gas in einem Verdichter verdichtet, in einem Wärineaustauscher erhitzt, in einer Turbine gedehnt und in einem zweiten Wärmeaustauscher mit nachfolgendem Luftkühler abgekühlt wird. Bei einer derartigen Anordnung kann man durch Hebung des ganzen Druckniveaus das umlaufende Gasvolumen stark verkleinern, so daß größte Leistungen bei annehmbaren Abmessungen der einzelnen Teile der Anlage erzeugt werden können. Es ist aber erklärlich, daß eine derartige Gasturbinenanlage sehr vielteilig wird. Man benötigt einen zweiten Wärmeaustausclier und eine wesentlich größere Brennkammer, da diese mir unter atmosphärischem Druck betrieben wird. Wenn sie aber mit höherem Druck betrieben werden soll. dann ist noch ein weiterer Luftverdichter erforderlich. Weiterhin muß noch ein mit Wasser beaufschlagter 'Nachkühler für die umlaufende Luft angeordnet werden. damit die Luft mit annähernd Ratinitemperatur in den Verdichter eintritt. Die Regelung einer solchen Anlage geschieht durch Änderung des Druckniveaus der umlaufenden Luft. Bei Drucksenkung wird Luft abgeblasen und bei Druckhebung zusätzlich Luft in den Kreislauf hineingefördert, so daß man auch noch einen besonderen Regelverdichter benötigt. Nach der Erfindung «-erden diese Schwierigkeiten überwunden; die Aufgabe. eine Hochleistungsanlage zu schaffen. wird durch die gemeinsame Anwendung folgender an sich bekannter 'Merkmale gelöst: 2 an wählt ein Brennkraftturbinenverfahren. bei dem die Luft isothermisch verdichtet wird und die Verbrennungsgase isothermisch gedehnt werden bzw. die Isotlierme in beiden Fällen möglichst weitgehend erreicht wird. Man kann auch eine isothermische Verdichtung mit einer adiabatischen bzw. polytropischen oder eine adiabatische bzw. polytropische Verdichtung mit einer isothermischen Dehnung verbinden. Bei isotherinischer Verdichtung und auch bei isothermischer Dehnung liegen die günstigsten Wirkungsgrade bei hohen Druckverhältnissen. Infolge des großen Gefälles braucht zur Erreichung einer bestimmten Leistung nur ein kleines Luft-bzw. Gasgewicht verarbeitet zu werden. Die isotliermische Verdichtung erreielit man in bekannter Weise durch Wärmeentzug. also durch Kühlung des Verdichters und durch Zwischenkühlung. Die Zwischenkühlung erweist sich zwar als sehr wirksam, sie hat jedoch den Nachteil, daß der Druckverlust verliältnismäPig hoch und der Bauauf«vand sehr groß ist. Es ist daher ziveclkniäßig. nur mit der Verdichterkühlung auszukommen. Man kann damit allerdings wohl kaum die Isotherme ganz verwirklichen: es ist aber auch schon ausreichend, nenn die Isotherme nur annähernd verwirklicht wird.Gas turbine systems have now been built with a closed circuit, ie systems in which the same gas is compressed in a compressor, heated in a heat exchanger, expanded in a turbine and cooled in a second heat exchanger with a subsequent air cooler. With such an arrangement, by raising the entire pressure level, the circulating gas volume can be greatly reduced, so that the greatest power can be generated with acceptable dimensions of the individual parts of the system. However, it can be explained that such a gas turbine system is made up of very many parts. You need a second heat exchanger and a much larger combustion chamber, as this is operated under atmospheric pressure. But if it is to be operated with higher pressure. then another air compressor is required. Furthermore, an 'aftercooler acted upon with water must be arranged for the circulating air. so that the air enters the compressor at approximately the Ratini temperature. Such a system is regulated by changing the pressure level of the circulating air. When the pressure drops, air is blown off, and when the pressure rises, air is also fed into the circuit, so that a special regulating compressor is also required. After the invention "these difficulties are overcome; the task. to create a high performance facility. is achieved by the joint application of the following features known per se: 2 an selects an internal combustion turbine process. in which the air is isothermally compressed and the combustion gases are isothermally expanded or the isothermal energy is achieved as far as possible in both cases. An isothermal compression can also be combined with an adiabatic or polytropic or an adiabatic or polytropic compression with an isothermal expansion. With isothermal compression and also with isothermal expansion, the most favorable degrees of efficiency are at high pressure ratios. As a result of the great gradient, only a small air or air gap is required to achieve a certain performance. Gas weight to be processed. The isotropic compression is achieved in a known manner by removing heat. that is, by cooling the compressor and by intercooling. The intercooling proves to be very effective, but it has the disadvantage that the pressure loss is relatively low and the construction is very large. It is therefore civilized. only get along with the compressor cooling. One can hardly fully realize the isotherm with this, however: it is also sufficient if the isotherm is only approximately realized.

Bei der Dehnung strebt man die Isotherine dadurch an. daß man in bekannter `'eise während der Dehnung in der Turbine durch Anordnung von Zwischenbrennkamniern die in der oder den vorhergehenden Stufen abgesenkte Temperatur nieder auf den Anfangswert erhöht. Dieses ','erfahren verursacht aber Druckverluste und eine vielteilige Bauart. Man kann die isothermische Dehntinte auch durch Beheizung des Turbinengehäuse erreichen, wenn auch nicht v(illkommen. so doch wenigstens angenähert.When stretching, one strives for the isotherine. that one in known `` '' also during the expansion in the turbine through the arrangement of intermediate combustion chambers the temperature lowered in the previous stage or stages down to the initial value elevated. However, this ',' experience causes pressure losses and a multi-part design. The isothermal expansion ink can also be achieved by heating the turbine housing, if not completely come, at least approximate.

F_in weiterer Schritt zur Erreichung großer Leistungen in der Turbine ist. entsprechend der Aufteilung der Turbinenleistung in die Verdichterleistung und in die Nutzleistung. die Anordnung je einer besonderen Turbine für jede Leistung, die beide parallel geschaltet werden. Infolgedessen durchströmt jede Turbine nur ein Teil der gesamten Gasmenge, so daß die Abmessungen jeder Turbine kleiner ;werden hzw. man bei größtmöglicher Ausführung der Turbinen eine größere Leistung erzielen kann. als wenn nur eine einzige Turbine für die Verdichterleistung und Nutzleistung vorgesehen wäre. Die Trennung der Turbinenleistung in -Verdichter- und Nutz- Leistung hat außerdem noch den großen VOT-teil der besseren Regelmöglichkeit.F_in another step to achieve great performance in the turbine is. according to the division of the turbine output into the compressor output and in the useful power. the arrangement of a special turbine for each output, which are both connected in parallel. As a result, there is only flow through each turbine part of the total amount of gas, so that the dimensions of each turbine become smaller hzw. you can achieve greater performance with the largest possible design of the turbines can. as if only a single turbine for the compressor output and useful output would be provided. The separation of the turbine power into -compressor- and useful- power also has the large VOT part of the better control option.

Sodann werden die Turbinen und gegebenenfalls auch der Verdichter doppelflutig ausgeführt und die axiale Durchströmgeschwindigkeit durch die Turbine wie auch durch den Verdichter stark, d. h. auf mindestens ioo m/Sek. erhöht. Auch hierdurch wird bei gleichbleibender Schaufellänge die die Turbine durchströmende Gasmenge und damit die Leistung der Turbinenanlage vergrößert.Then the turbines and possibly also the compressor Double-flow design and the axial flow speed through the turbine as well as by the compressor strongly, d. H. to at least 100 m / sec. elevated. Even as a result, while the blade length remains the same, the blade flowing through the turbine becomes The amount of gas and thus the output of the turbine system is increased.

Die Erfindung besteht also in der gemeinsamen Anwendung folgender an sich bekannter Merkmale: i. Isothermische oder angenähert isothermische Verdichtung und/oder Dehnung, 2. Aufteilung der Turbinenleistung auf zwei parallel geschaltete Turbinen, 3. doppelflutige Ausführung der Turbinen und gegebenenfalls auch des Verdichters und q.. hohe axiale Durchströmgeschwindigkeit, d. h. mindestens ioo m/Sek., durch Tut-binen und Verdichter.The invention thus consists in the joint application of the following known characteristics: i. Isothermal or approximately isothermal compression and / or expansion, 2. Division of the turbine power into two parallel-connected Turbines, 3rd double-flow design of the turbines and possibly also of the compressor and q .. high axial flow velocity, d. H. at least 100 m / sec Tut-binen and compressors.

Jedes dieser Merkmale setzt die obere Leistungsgrenze für Brennkraftturbinen hinauf. Die gemeinsame Anwendung bringt als zusätzliche Wirkung eine weitere Verschiebung der Leistungsgrenze dadurch, daß jedes der Merkmale 2, 3 und q. die Annäherung an die Isotherme wesentlich besser ermöglicht, denn durch die Unterteilung der TurbiÜenleistung und durch die Doppelflutigkeit wird die Kühl- bzw. Heizfläche und durch die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit die Wärmeübergangszahl vergrößert.Each of these features sets the upper performance limit for internal combustion turbines up. The joint application brings another shift as an additional effect the performance limit in that each of the features 2, 3 and q. the approach to the isotherm allows much better, because by the subdivision of the turbine power and through the double flow the cooling or heating surface and through the increase the flow rate increases the heat transfer coefficient.

Claims (2)

PATENTANSPRUCH: Brennkraftturbinenanlage großer Leistung, gekennzeichnet durch die gemeinsame Anwendung folgender, an sich bekannter Merkmale: i.Isothermische oder angenähert isothermische Verdichtung und/oder Dehnung, PATENT CLAIM: Internal combustion turbine system of high performance, marked through the joint application of the following characteristics, which are known per se: i.Isothermal or approximately isothermal compression and / or expansion, 2. Aufteilung der Turbinenleistung auf zwei parallel geschaltete Turbinen, 3. doppelflutige Ausführung der Turbinen und gegebenenfalls auch des Verdiehters und q.. hohe axiale Durchströmgeschwindigkeit, d. h. mindestens ioo m/Sek., durch Turbinen und Verdichter.2. Distribution of the turbine power on two parallel-connected turbines, 3rd double-flow turbine design and possibly also of the compressor and q .. high axial flow velocity, d. H. at least 100 m / sec., through turbines and compressors.
DEM153340D 1942-02-24 1942-02-24 Internal combustion turbine system of high performance Expired DE762514C (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1021642B (en) * 1953-04-30 1957-12-27 Zsigmond De Galocsy Method for operating gas turbines

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE1021642B (en) * 1953-04-30 1957-12-27 Zsigmond De Galocsy Method for operating gas turbines

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