DE763136C

DE763136C - Working method for combustion turbines

Info

Publication number: DE763136C
Application number: DEM149959D
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl-Ing Martinka
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1941-02-16
Filing date: 1941-02-16
Publication date: 1954-12-30

Description

Arbeitsverfahren für Verbrennungsturbinen Die Erfindung bezieht sich auf ein Arbeitsverfahren für Verbrennungsturbinen, besonders für Fahr- und Flugzeuge, mit stetiger Verbrennung bei gleichbleibendem Druck und mit einer unter Auspufftemperatur beginnenden Verdichtung ohne Wärmeabfuhr. Bei bekannten Arbeitsverfahren dieser Art soll sich an die Verdichtung ohne Wärmeabfuhr eine Verbrennung anschließen, welche isothermisch, also bei abnehmendem Druck, verläuft. Dieser Druck soll in den Entspannungsdüsen abnehmen, wobei die Verbrennung in :den Entspannungsdüsen selbst stattfindet. Während der kurzen Zeit, in der die Luft solche Entspannungsdüsen durchströmt, ist die Verbrennung gar nicht möglich, so daß schon aus diesem Grunde das vorgeschlagene Arbeitsverfahren praktisch nicht ausführbar ist. Außerdem muß die Verdichtung his zur höchsten Temperatur des Arbeitsverfahrens getrieben werden, wodurch sich ein außerordentlich hohes Verdichtungsverhältnis und infolgedessen eine, bezogen auf die Nutzbarkeit, sehr große Verdichterarbeit ergibt. Dadurch werden nicht nur die Verdichterverluste größer, sondern wegen der bei gleicher Nutzleistung größeren erforderlichen 'Turbinenleistung auch die Turbinenverluste. Beides beeinflußt den Gesamtwirkungsgrad in ungünstigster Weise. Schließlich kann die höchste Temperatur des ganzen Arbeitsverfahrens nur eine sehr beschränkte Höhe haben, «eil die umlaufenden Teile sowohl des Verdichters als auch der Turbine der höchsten Temperatur des Arbeitsverfahrens ausgesetzt werden. Alle diese Umstände verhindern, selbst wenn die Verbrennung in einer Entspannungsdüse möglich sein würde, die Erreichung eines hohen Wirkungsgrades.Combustion Turbine Working Methods The invention relates to a working method for combustion turbines, especially for vehicles and airplanes, with constant combustion at constant pressure and with one below the exhaust temperature beginning compression without heat dissipation. In known working methods this Art should be followed by a combustion after the compression without heat dissipation, which is isothermal, i.e. with decreasing pressure. This pressure should be in remove the expansion nozzles, with the combustion in: the expansion nozzles itself takes place. During the short time in which the air such relaxation jets if it flows through, the combustion is not possible, so that for this reason alone the proposed working method is not practicable. Also must the compression can be driven up to the highest temperature of the working process, resulting in an extremely high compression ratio and consequently results in a very large compression work, based on usability. This will be not only are the compressor losses greater, but also because of the same useful output larger required 'turbine power also the turbine losses. Both influences the overall efficiency in the most unfavorable way. After all, the highest temperature can of the whole working process have only a very limited amount, «Hurry the rotating parts of both the compressor and the turbine of the highest temperature of the work process. All of these circumstances prevent yourself if the combustion in an expansion nozzle would be possible, the achievement high efficiency.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß ein Arbeitsverfahren mit hohem Gesamtwirkungsgrad erreicht werden kann, wenn die stetige Verbrennung bei gleichbleibendem Druck durchgeführt wird und die Luft so hoch verdichtet wird, daß ihre Temperatur bei Beendigung der Verdichtung die Endtemperatur der Entspannung der Verbrennungsgase bei Normalbelastung übersteigt, wobei mindestens die obere Hälfte des für die mehrstufige Entspannung in Frage kommenden, mit mindestens 8oo° beginnenden Temperaturgefälles der zu entspannenden Gase in einem einkränzigen Laufrad ausgenutzt wird.In contrast, the invention is based on the knowledge that a Working methods with high overall efficiency can be achieved if the steady Combustion is carried out at constant pressure and the air is so highly compressed that its temperature at the end of the compression is the final temperature of the relaxation the combustion gases exceeds at normal load, with at least the upper Half of that which comes into question for the multi-stage relaxation, with at least 8oo ° incipient temperature gradient of the gases to be expanded in a single-ring impeller is exploited.

Die Temperatur der Verdichtung bis über die Endtemperatur der Entspannung der V erbrennungsgase bei Normalbelastung hinaufzutreiben, ist für einen Betriebszustand eines Regelverfahrens für Verbrennungsturbinen bereits in Aussicht genommen, jedoch mit einer Brennkammertemperatur von 6oo° und einer Entspannung der heißen Treibgase in einer mehrstufigen Turbine. Ein derartiges Arbeitsverfahren liefert aber ein unbefriedigendes Ergebnis, weil die Brennkammertemperatur von 6oo°, die sich bei einer mehrstufigen Turbine des Schaufelwerkstoffes wegen nicht steigern läßt, zu niedrig ist, um einen hohen thermischen Wirkungsgrad zu erreichen.The temperature of compression to above the final temperature of relaxation To drive up the combustion gases under normal load is for an operating condition a control method for combustion turbines has already been envisaged, however with a combustion chamber temperature of 600 ° and a relaxation of the hot propellant gases in a multi-stage turbine. However, such a working method provides a unsatisfactory result because the combustion chamber temperature of 6oo °, which is at a multi-stage turbine because of the blade material cannot be increased is low in order to achieve a high thermal efficiency.

Auch ist die Nutzleistung je Kilogramm Luft unbefriedigend, weil wegen der niedrigen Höchsttemperatur die Temperaturzunahme in der Brennkammer beschränkt ist und dementsprechend auch nur eine beschränkte Brennstoffmenge je Kilogramm Luft eingeführt werden kann. Nach dem Verfahren der Erfindung fallen der Wirkungsgrad und die Nutzleistung je Kilogramm Luft, wenn die Verdichtungsendtemperatur die Entspannungsendtemperatur übersteigt, durch die hohe Schlußtemperatur der Verbrennung günstiger aus. Um diese, welche mindestens 8oo° betragen soll, unbedenklich zulassen zu können, ist es nötig, einen erheblichen Teil des ganzen Temperaturgefälles in Düsen zu entspannen, ehe die Treibgase auf den Schaufelkranz des ersten Laufrades treffen.The useful output per kilogram of air is also unsatisfactory because of the low maximum temperature limits the temperature increase in the combustion chamber is and accordingly only a limited amount of fuel per kilogram of air can be introduced. According to the method of the invention, the efficiency drops and the useful output per kilogram of air if the compression end temperature is the relaxation end temperature exceeds, due to the high final temperature of the combustion from more favorable. Around, which should be at least 8oo °, to be able to safely allow, it is necessary, to relax a considerable part of the entire temperature gradient in the nozzles before the propellant gases hit the blade ring of the first impeller.

Nur auf .diese Weise können die Treibgase in ihrer Temperatur vor dem Auftreffen auf die Laufradschaufeln nahezu verlustlos herabgesetzt werden mit dem Ergebnis, daß die Treibgase mit hoher Strömungsgeschwindigkeit auf die Laufradschaufeln treffen. Dies erfordert eine hohe Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades, die bei der immerhin noch hohen Temperatur der Treibgase nur mit einem einkränzigen Laufrad erreicht werden kann.Only in this way can the propellant gases keep their temperature the impact on the impeller blades are reduced with almost no loss the result that the propellant gases at high flow velocity on the impeller blades meet. This requires a high circumferential speed of the impeller, which at the still high temperature of the propellant gases only with a single wheel can be reached.

Es zeigt sich also, daß nur durch das Zusammentreffen der verschiedenen genannten Bedingungen ein besonders hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann. Insbesondere können die für den hohen Wirkungsgrad entscheidenden Treibgase hoher Temperatur nicht in mehrstufigen Turbinen üblicher radialer Bauart verarbeitet werden.So it turns out that only through the meeting of the different mentioned conditions a particularly high efficiency can be achieved. In particular can use the high-temperature propellant gases, which are decisive for high efficiency are not processed in multi-stage turbines of the usual radial design.

Auch können Arbeitsverfahren, die sich von demjenigen der Erfindung dadurch unterscheiden, daß die höchste Verdichtungstemperatur durch Kühlung herabgemindert wird, ehe die Erwärmung der verdichteten Luft durch Wärmezufuhr beginnt. nicht den hohen Wirkungsgrad des Arbeitsverfahrens der Erfindung erreichen.Also, working methods that differ from those of the invention differ in that the highest compression temperature is reduced by cooling before the compressed air begins to be heated by the supply of heat. Not the achieve high efficiency of the working method of the invention.

Die Abb. i der Zeichnung zeigt im Entropiet' ein Beispiel eines solchen Arbeitsverfahrens der Erfindung. Die Außenluft tritt mit 293° K (Punkt A) in den Verdichter, in welchem sie bis auf 23,5 ata ohne Wärmeabfuhr verdichtet wird, wodurch ihre Temperatur unter Berücksichtigung des Verdichterwirkungsgrades auf 8i5° K steigt (Punkt B). Von da erhöht sich ihre Temperatur bei gleichbleibendem Druck durch Brennstoffzufuhr auf i25o° K (Punkt C). Dann folgt die Entspannung der Verbrennungsgase in den Düsen, die dem ersten einkränzigen Laufrad vorgeschaltet sind, bis auf 2,94 ata und 73o° K (Punkt D) mit einem darauffolgenden Wiederanstieg der Temperatur in den Laufradschaufeln auf i82° K (Punkt E) und einer weiteren Steigerung im Austrittsdiffusor auf 8io- K bei einer Zunahme des Druckes auf 3,5 ata (Punkt F). Die dann folgende zweite Entspannung in den Düsen vor dem zweiten einkränzigen Laufrad ermäßigt die Spannung auf o,85 ata und 567"" K (Punkt G), worauf eine Steigerung der Temperatur auf 59o° K (Punkt H) in den Laufradschaufeln und eine weitere Steigerung im Austrittsdiffusor auf 61o"-' K bei einer Spannungszunahme auf i ata (Punkt J) eintritt. Mit diesem Zustand treten die Verbrennungsgase ins Freie, wo sie ihre Restwärme an die Außenluft abgeben und dadurch Punkt A wieder erreichen.Fig. 1 of the drawing shows in entropy an example of such a working method of the invention. The outside air enters the compressor at 293 ° K (point A), in which it is compressed to 23.5 ata without heat dissipation, whereby its temperature rises to 8i5 ° K, taking into account the compressor efficiency (point B). From there, their temperature increases to 125 ° K (point C) by adding fuel while the pressure remains the same. Then follows the expansion of the combustion gases in the nozzles, which are connected upstream of the first single-ring impeller, down to 2.94 ata and 73o ° K (point D) with a subsequent increase in the temperature in the impeller blades to i82 ° K (point E) and a further increase in the outlet diffuser to 8io-K with an increase in pressure to 3.5 ata (point F). The subsequent second relaxation in the nozzles in front of the second single-ring impeller reduces the tension to 0.85 ata and 567 "" K (point G), followed by an increase in temperature to 59o ° K (point H) in the impeller blades and another Increase in the outlet diffuser to 61o "- 'K occurs when the voltage increases to i ata (point J). With this state, the combustion gases enter the open air, where they give off their residual heat to the outside air and thus reach point A again.

Wie ersichtlich, liegt die Schlußtemperatur der Entspannung im Punkt J zwischen der Anfangs- und Endtemperatur der Verdichtung in den Punkten A und B.As can be seen, the final temperature of relaxation is at the point J between the start and end temperature of the compression in points A and B.

Bei diesem Verfahren ist es besonders einfach und vorteilhaft, die Entspannung in zwei Druckstufen, jede mit einem einkränzigen Laufrad, vorzunehmen, da auf diese Weise die höchste Temperatur vor der Turbine möglich ist, ohne die noch zulässige Laufradschaufeltemperatur zu überschreiten.In this method it is particularly simple and advantageous that the Relaxation in two pressure stages, each with a single wheel, because that way the highest temperature possible in front of the turbine without exceeding the permissible impeller blade temperature.

Ist es in Sonderfällen erwünscht,, das Spannungsgefälle zu steigern, um die Schlußtemperatur der Entspannung herabzudrücken, ohne die Endtemperatur der Verdichtung anwachsen zu lassen, so kann der Verdichtung der Luft ohne Wärmeabfuhr eine Verdichtung mit darauffolgender Wärmeabfuhr vorgeschaltet werden.If in special cases it is desirable to increase the voltage gradient, to lower the final temperature of relaxation without the final temperature of the To let the compression increase, so the compression of the air without heat dissipation a compression with subsequent heat dissipation can be connected upstream.

Ein isolches Arbeitsverfahren gibt das TS-Bild in Abb.2 wieder für Betriebsverhältnisse, unter denen eine Verbrennurigsturbine eines Flugzeuges in 1o ooo m Höhe zu arbeiten hat, wo im Regelfall eine Spannung von 0,268 ata und eine Temperatur von -40°, entsprechend 233'°' K, herrschen.The TS picture in Fig. 2 shows an isolated working process for operating conditions under which a combustion turbine of an aircraft has to work at a height of 10,000 m, where as a rule a voltage of 0.268 ata and a temperature of -40 °, corresponding to 233 ' ° 'K, rule.

Die Luft von 0,268 ata und 233° K wird von K bis L auf 0,804 ata und 333' K verdichtet, darauf auf 265° K abgekühlt (Punkt M) und dann ohne Wärmeabfuhr auf 18,1 ata und 732° K (Punkt N) verdichtet. Darauf folgt bei gleichbleibendem Druck durch Brennstoffzufuhr Erwärmung bis auf 128o° K (Punkt 0). Diese heißen Verbrennungsgase werden von O bis P auf 1,71 ata und 700',K entspannt und treffen in diesem Zustand mit hoher Geschwindigkeit auf die Laufradschaufeln, an denen durch Reibung eine Temperaturzunahme auf 80o° K eintritt (Punkt Q). In dem .dann folgenden Diffusorsteigt der Druck auf 1,985 ata und die Temperatur auf 85o° K (Punkt R). Bei der zweiten dann folgenden Entspannung bis zum Punkt S .sinkt .die Spannung auf @diej enige der Außenluft, d. h. auf 0,268 ata, und die Temperatur auf 495° K. In diesem Zustand treffen die Treibgase auf die Laufradschaufeln des Niederdruckrades, an denen ihre Temperatur durch Reibung auf 527° K (Punkt T) steigt. Mit dieser Temperatur treten die Treibgase mit einer Geschwindigkeit, die etwa der Fluggeschwindigkeit entspricht, nach hinten aus, wo sie die Restwärme an die Außenluft abgeben.The air of 0.268 ata and 233 ° K is compressed from K to L to 0.804 ata and 333 'K, then cooled to 265 ° K (point M) and then without heat dissipation to 18.1 ata and 732 ° K (point N) condensed. This is followed by heating up to 128o ° K (point 0) by supplying fuel at constant pressure. These hot combustion gases are expanded from 0 to P to 1.71 ata and 700 ', K and in this state hit the impeller blades at high speed, where the temperature increases to 80 ° K due to friction (point Q). In the diffuser that follows, the pressure rises to 1.985 ata and the temperature to 85o ° K (point R). During the second relaxation to point S., The voltage on the outside air, ie to 0.268 ata, and the temperature to 495 ° K. In this state, the propellant gases hit the impeller blades of the low-pressure impeller, where their Temperature rises to 527 ° K (point T) due to friction. At this temperature, the propellant gases escape to the rear at a speed that roughly corresponds to the airspeed, where they release the residual heat to the outside air.

Ist es erwünscht, aus betrieblichen Rücksichten die Schlußtemperatur der Verdichtung noch niedriger zu halten, und wird andererseits die Anwendung eines Wärmeaustauschers geringen Umfanges für zulässig erachtet, so ergibt sich das besonders vorteilhafte Arbeitsverfahren nach Abb.3, bei welchem im übrigen die gleichen Betriebsbedingungen zugrunde gelegt sind wie bei dem Arbeitsverfahren nach Abb. 2.Is it desirable for operational reasons to set the final temperature to keep the compression even lower, and on the other hand is the application of a The small size of the heat exchanger is considered to be permissible, so this is particularly evident advantageous working method according to Fig.3, in which the other operating conditions are the same are based on the same procedure as in Fig. 2.

Die etwas stärkere Vorverdichtung als beim Beispiel der Abb. 2 von o bis i erhöht die Luftspannung von 0,268 ata bei 233' K auf i ata bei 35o° K mit nachfolgender Abkühlung auf 265'°' K (Punkt 2). Die Verdichtung auf i8,1 ata (Punkt 3) ergibt unter Berücksichtigung des Verdichterwirkungsgrades 667'°';K. Dann folgt Erwärmung durch die bereits in der ersten Stufe entspannten Verbrennungsgase auf 815° K (Punkt 4), was in einem Oberflächenwärmeaustauscher mit den verfügbaren Eisenlegierungen möglich ist. Von 4 bis 5 wird die Temperatur durch Brennstoffzufuhr auf 1280'° K gesteigert. Dann folgt bis 6 .die Entspannung in den Düsen der ersten Turbinenstufe auf 1,71 ata und 70ö° K mit nachfolgender Erwärmung durch Reibung in .den Laufradschaufeln bis zum Punkt 7 und in anschließendem Diffusor bis 8, wo 1,985 ata und 85o'°' K erreicht werden. Von 8 bis 6 wird im Wärmeaustauscher bei etwas fallender Spannung infolge der Reibungsverluste in diesem die Wärme auf die frische, verdichtete Luft übertragen, um sie im Gegenstrom von 3 bis 4 zu erwärmen. Die Verbrennungsgase, die auf diese Weise wieder 70ö°' K erreichen, werden bis zum Punkt g in der zweiten Turbinenstufe auf die Außenluftspannung von o,268 ata bei 415° K entspannt. Diese Temperatur erhöht sich in den La.ufradschaufeln auf 455° K im Punkt io, mit denen die Verbrennungsgase austreten, um dann ihre Restwärme an die Luft abzugeben und damit den Punkt O wieder zu erreichen. Ein Vergleich dieser Arbeitsweise mit derjenigen nach Abb.2 zeigt, daß bei geringerer Verdichtungsarbeit mit gleichem Verdichtungsverhältnis, aber niedrigerer Verdichtungsendtemper:atur von 667' K gegenüber 732° K beim Beispiel der Abb. 2 wegen der Aufheizung der Druckluft durch die Verbrennungsgase auf 815° K die Erhitzung durch Brennstoffzufuhr bei einer höheren Temperatur beginnt als beim Beispiel der Abb.2 und außerdem die entspannten Verbrennungsgase mit niedrigerer Temperatur die Maschinenanlage verlassen. Das Gesamtergebnis ist ein höherer thermischer Wirkungsgrad als beim Beispiel der Abb. 2 bei niedrigerer Schlußtemperatur der Verdichtung. Dabei hat der Wärmeaustauscher nur ein Temperaturgefälle von 15o° zu verarbeiten, fällt also nicht übermäßig umfangreich aus.The somewhat stronger pre-compression than in the example in Fig. 2 from o to i increases the air tension from 0.268 ata at 233 ' K to i ata at 35o ° K with subsequent cooling to 265' ° 'K (point 2). The compression to i8.1 ata (point 3), taking into account the compressor efficiency, results in 667 '°'; K. This is followed by heating to 815 ° K (point 4) using the combustion gases that have already been expanded in the first stage, which is possible in a surface heat exchanger with the available iron alloys. From 4 to 5 the temperature is increased to 1280 ° K by adding fuel. Then up to 6. The expansion in the nozzles of the first turbine stage to 1.71 ata and 70 ° K with subsequent heating by friction in the impeller blades up to point 7 and in the subsequent diffuser up to 8, where 1.985 ata and 85o '°' K can be achieved. From 8 to 6, when the voltage drops slightly, the heat is transferred to the fresh, compressed air in the heat exchanger as a result of the friction losses in it, in order to heat it in countercurrent from 3 to 4. The combustion gases, which in this way again reach 70 ° K, are expanded to the outside air tension of 0.268 ata at 415 ° K up to point g in the second turbine stage. This temperature increases to 455 ° K at point io in the rotor blades, with which the combustion gases exit, in order to then give off their residual heat to the air and thus reach point O again. A comparison of this method with that according to figure 2 shows that at lower compression work with the same compression ratio, but lower Verdichtungsendtemper. Ature of 667 'K compared to 732 ° K in the example of Figure 2 because of the heating of the compressed air through the combustion gases at 815 ° K the heating by supplying fuel begins at a higher temperature than in the example in Fig. 2 and, moreover, the expanded combustion gases leave the machine system at a lower temperature. The overall result is a higher thermal efficiency than in the example in Fig. 2 with a lower final compression temperature. The heat exchanger only has to process a temperature gradient of 150 °, so it is not excessively extensive.

Wird bei einem der beschriebenen Arbeitsverfahren gasförmiger Brennstoff verwandt, so ist er .bis zum Zusammentreffen mit der Druckluft in der gleichen Weise zu behandeln wie die Druckluft. Die zur Vorwärmung verwendeten Verbrennungsgase sind derart aufzuteilen, daß Druckluft und brennbares Druckgas in gleicher Weise erwärmt werden.Is gaseous fuel in one of the working processes described it is related in the same way until it meets the compressed air to be treated like compressed air. The combustion gases used for preheating are to be divided in such a way that compressed air and combustible compressed gas are in the same way be heated.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Working method for combustion turbines, especially for vehicles and aircraft, with constant combustion at constant pressure and with a compression beginning below the exhaust temperature without heat dissipation, characterized in that the air is compressed so high that its temperature when the compression is completed the final temperature of the relaxation of the Exceeds combustion gases at normal load, with at least the upper half of the temperature gradient of the gases to be expanded in a single-crowned impeller that comes into question for the multi-stage expansion and begins with at least Soo °. Working method according to Claim i, characterized in that the compression of the air without heat dissipation is preceded by a compression with subsequent heat dissipation in a manner known per se. 3. Working method according to claim i, characterized in that the compressed air before combustion by compression is not quite brought up to the temperature of the combustion gases after the first relaxation and then through the combustion gases between the two stages of their relaxation t-orge,% is cärmt. 4 .. Working method according to claims 1 to 3 using gaseous fuel, characterized in that this is treated until combustion in the same way as the air and the combustible compressed gas is optionally heated in the same way by a corresponding part of the combustion gases as the Compressed air. To distinguish the subject matter of the invention from the state of the art, the following publications were taken into account in the granting procedure: German Patent Specifications No. 35; 797, 38 5 967. 63o 624, 631 993: W. Piening, "The efficiency of combustion turbines with constant pressure combustion", Z. Luftfahrtforschung, i9.lo, B d. 17, volume 9, p. 267 ff .: FAF Schmidt, "Verbremiungsmotoren", 1939, p. 2o6, para. 3 a, in particular p.: 2o9 and Fig. 139.