DE7906656U1 - Gasturbinenanlage, vorzugsweise-triebwerk, insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Description

sr/si

MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÜNCHEN GMBH

München, den 14.1.1983

Gasturbinenanlage, vorzugsweise -triebwerk, insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs

Die Neuerung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs

Solche Gasturbinenanlagen sind allgemein bekannt. Im genannten Wärmetauscher wird ein Teil der Wärme, die im Turbinenabgas enthalten ist, der vom Verdichter kommenden Luft vor ihrem Eintritt in die Brennkammer zugeführt. Dadurch hat die Gasturbinenanlage einen besseren spezifischen Brennstoffverbrauch. Es können spezifische Brennstoff verbrauche erreicht werden, die etwa so klein wie oder kleiner als die eines Dieselmotors sind, so daß z.B. Gasturbinentriebwerke zum Antrieb von Kraftfahrzeugen im allgemeinen einen solchen Wärmetauscher aufweisen.

Durch die dadurch relativ hohen Brennkammereintrittstemperaturen hat diese Luft eine relativ geringe Kühlkapazität, um die vorwiegend aus Blech bestehenden Brennkammerwände vor den heißen Gasen zu schützen und wirtschaftliche, d.h. genügend lange Standzeiten dieser Wände zu erzielen.

ESP-591

Ein weiteres Problem stellt sich durch die zunehmende Verschärfung der Abgasvorschriften bzw. die zunehmend schärfere Limitierung (Begrenzung) der Schadstoffmengen, weil z.B. die Emission (der Ausstoß) von Stickoxiden ° (NO ) durch die exponentielle Temperaturabhängigkeit dieser Emission bei der Verwendung vorgewärmter Luft stark zunimmt.

Es ist bekannt (US-PS 37 05 492) , einen Teil der vom Verdichter kommenden Luft vor dem Wärmetauscher abzuzweigen und dem vorderen Gebiet der Brennkammer zuzuführen und den anderen Teil im Wärmetauscher zu erwärmen und der Brennkammer weiter hinten zuzuführen. Auf diese Weise wird die Erzeugung von Stickoxiden vermindert, und zwar

wegen der niedrigeren Höchsttemperatur in der Verbrennungszone. Ähnliches ist bekannt (US-PS 38 26 078, 39 86 347 und 40 12 902), um die Erzeugung von Stickoxiden und Kohlenmonoxid (CO) und die Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe (HC) zu vermindern. In allen

Fällen ergibt sich aber, wegen der vor dem Wärmetauscher erfolgenden Abzweigung von Luft für die Brennkammer, ein kleinerer thermischer Wirkungsgrad bzw. ein Leistungsverlust der Gasturbinenanlage bzw. des

Gasturbinentriebwerks.
25

Die anfangs genannte Lufttemperaturabnahme (ungleichmäßige Lufttemperaturverteilung, inhomogenes Luft-Temperaturfeld) über den Luftaustritt ergibt sich beim Drehregenerator durch das verhältnismäßig langsame

Drehen seines Rotors (Läufers) bzw. seiner Matrix. Es ist die Aufheizung der Luft dort am größten, wo die aufgeheizte Matrix in die Luftseite eintritt. Auf dem Weg durch die Luftseite gibt die Matrix Wärme an die Luft ab, so daß über den Luftaustritt die Lufttemperatur

ESP-591
14.1.1983

1 in Drehrichtung der Matrix abnimmt. Der Unterschied

zwischen dem Höchstwert und dem Tieftswert dieser Luft-

! austrittstemperatur ist von der Auslegung des Wärme-

I tauschers abhängig, wobei dieser Unterschied bei einem

\ 5 sich langsam drehenden Drehregenerator größer ist als \ bei einem sich schneller drehenden. Beim Kreuzstrom-

i rekuperator ist die Aufheizung der Luft längs der Ab-

jj gaseintrittsseite am größten und, da das Abgas auf

I seinem Weg zur Abgasaustrittsseite Wärme abgibt, längs

j 10 der Abgasaustrittsseite am kleinsten, so daß längs des

I Luftaustritts die Lufttemperatur auf diesem Weg bzw.

I in dieser Richtung abnimmt.

I Aufgabe gemäß der Neuerung ist es, einen Schutz des

I 15 Brennkammerkopfes vor zu großer Hitze und eine Ver- \ minderung der Erzeugung von Stickoxiden (NO ) oder

r X

1 überhaupt eine schadstoffvermindernde Verbrennung

I ohne oder mit weniger Leistungsverlust der Gasturbinen-

I anlage bzw. des Gasturbinentriebwerks als vorn erwähnt

I 20 zu erreichen.

jj · Diese Aufgabe wird durch das Kennzeichen des Anspruchs

[ gelöst.

25 Durch diese Neuerung können von dem Wärmetauscher-Luftaustritt bzw. der Unterteilung bzw. differenzierten Unterteilung des inhomogenen Luftaustrittstemperaturfelds her die niedrigen Temperaturen zum einen zur Brennkammerkopf-Kühlung und zum anderen zur Verminderung der NO -Erzeugung in der Brennkammerprimärzone und die hohen Temperaturen in den hinteren Brennkammerzonen zum Zwecke der Reduzierung der Emission von Kohlenmonoxid und der Reduzierung der Emission unverbrannter

³⁵ ESP-591

14.1.1983

J 1 >

-6-

Kohlenwasserstoffe verwendet werden. Genannte Abzweigluft von vor dem Wärmetauscher kann geringer sein oder in Wegfall kommen, so daß ein kleinerer oder kein Leistungsverlust eintritt.

Die Brennkammer der neuerungsgemäßen Gasturbinenanlage ist im allgemeinen eine Einrohrbrennkammer, eine Ringbrennkammer (Hohlring mit rohrartigem Querschnitt) oder eine Rohr-Ringbrennkammer (Einrohrbrennkammern über 360° verteilt angeordnet), in allen diesen Fällen axial bzw. ringaxial durchströmt.

Vorteilhafte Ausbildungen der Neuerung sind aus den Unteransprüchen ersichtlich. Es handelt sich um bau- !5 liehe relativ einfache, ferner sinnvolle und recht praktische und gedrängte Ausführungen bzw. Gesamtausführungen .

In den Zeichnungen ist die Neuerung beispielsweise weiter erläutert;

es zeigen:

Fig. 1 die Neuerung bei einem Drehregenerator,

Fig. 2 die Neuerung bei einem Kreuzstromrekuperator,

Fig. 3 ein Gasturbinentriebwerk mit zwei Drehregeneratoren, in einem Längsschnitt,

Fig. 4 einen weiteren Längsschnitt des Gasturbinentriebwerks gemäß VI-VI der Fig. 3,

Fig. 5 einen Querschnitt des Gasturbinentriebwerkes gemäß VII-VII der Fig. 3,

ESP-591
14.1.1983

ι « Il ti ii ι l ι ι it

• •111 1 1 I

' · > l I l ι im itt Mi

>·ιι ι > it ι ■ » «

l · Il ti I ii *

• > Il Il It III ι ·

-1-

Fig. 6 einen weiteren Querschnitt des Gasturbinentriebwerks gemäß VIII-VIII der Fig. 5,

Fig. 7 ein Gasturbinentriebwerk in einer weiteren Ausführungsform mit zwei KreuzStromrekuperatoren,

in einem Längsschnitt, und

Fig. 8 dieses Triebwerk in einer Ansicht aus der

axialen Richtung X der Fig. 7.
10

Gemäß Fig. 1 tritt die Luft in den Drehregenerator bzw.
dessen scheibenförmige, sich in Richtung des Pfeils 13
um eine Achse 14 drehende Matrix 11 in Richtung der
Pfeile 29 ein und in erwärmtem Zustand aus der Matrix 11
in Richtung der Pfeile 30 aus. Der Luftaustritt ist in
Bereiche 15 bis 18 unterteilt, die in Umfangsrichtung
aufeinanderfolgen, wobei deren mittlere Luftaustrittstemperaturen T₁ bis T- in Richtung des Pfeils 13 gemäß

T₁<T_<T-,<T. abnehmen. Von den Bereichen 15 bis 18

^^υ führen voneinander getrennte Luftkanäle 19 bis 22 zu

Gebieten 24 bis 27 einer rohrförmigen Brennkammer (Rohrbrennkammer) 23. In diese Gebiete 24 bis 27 treten die
betreffenden Luftströme etwa mit den Temperaturen T₁ bis

T. ein. Die Brennkammer 23 hat überall kreisförmigen

i

Querschnitt. Die Gebiete 24 bis 27 folgen in rohraxialer, | durch den Pfeil 31 angegebener Richtung aufeinander. Der £ Luftkanal 19 mit der kühlsten Luft (T₁) führt zum Gebiet f 24 bzw. zum Brennkammerkopf 28, der Luftkanal 20 (T„) zum « anschließenden Gebiet 25, der Luftkanal 21 (T-) zum Gebiet i

5

26 und der Luftkanal 22 mit der wärmsten Luft (T-) zum |

Gebiet 27. Die Gebiete 25 bis 27 weisen in der Brenn- |

kammerwand jeweils eine 360 -Umfangsreihe Luftöffnungen \ 12 auf, durch die die Luft aus den Luftkanälen 20 bis 22 \ in das Innere der Brennkammer 23 eintritt. Auch der Brenn- |

I

kammerkopf 28 weist Luftöffnungen auf, die aber nicht J

ESP-591 \

14.1.1983 i

II

· · I ■ · > Il I ■· ··

-δ-dargestellt sind; die dortige Lufteinströmung ist durch die Pfeile 79 und 80 angedeutet.

Die Größe der Bereiche 15 bis 18 nimmt von Bereich zu Bereich in Richtung der Zunahme der Luftaustrittstemperatur von T. auf T- zu. Das Gleiche gilt für die rohraxiale Breite der Gebiete 25 bis 27 in Richtung des Pfeils 31. Das Gebiet 24 jedoch ist rohraxial breiter als das Gebiet 25, unter anderem ,-weil der Brennkammerkopf 28 rohraxial ausladend ist. Auch die Summe der Querschnitte der Luftöffnungen 12 je Gebiet 25 bis 27 nimmt in Richtung des Pfeils 31 zu, was nicht besonders dargestellt ist.

Die Luftkanäle 19 bis 22 sind durch Außenwände 32 und und Trennwände 33 bis 35 gebildet. Es sind jeweils zwei benachbarte Luftkanäle durch ein und dieselbe Tennwand voneinander getrennt, z.B. die Luftkanäle 20 und 21 durch die Trennwand 34. Die Breiten der Gebiete 24 bis 27 reichen jeweils von einer Trennwand zur nächsten Trennwand. 20

Es handelt sich gemäß Fig. 1 mit anderen Worten um eine differenzierte Unterteilung des inhomogenen Lufttemperaturfelds im Wärmetauscher-Luftaustritt mit daran anschließenden, durch Trennwände geführten Luftstrombahnen verschiede-²^ ner Lufttemperaturen zu bestimmten Gebieten der Brennkammer. Die Luft dient im Inneren der Brennkammer unter anderem der differenzierten Schadstoffverminderung, und zwar die Luft in den Gebieten 24 und 25, die beide die Brennkammerprimärzone darstellen oder einschließen, der

NO -Verminderung und die Luft in den Gebieten 26 und 27

der Verminderung der CO-Emission und der Verminderung der Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe. Die im Gebiet 24 ankommende Luft dient ferner der Kühlung des Brennkammerkopfes 28. Dem Brennkammerkopf 28 wird auch

ESP-591
14.1.1983

-S-

Brennstoff zugeführt. Mit 81 ist der Heißgasaustritt der Brennkammer 23 bezeichnet.

In Fig. 2 deuten die Pfeile 37 den Abgasstrom und die Pfeile 39 den Luftstrom durch den KreuzStromrekuperator an, aus dem die erwärmte Luft in Richtung der Pfeile 40 herausströmt. Der Luftaustritt des Rekuperators 38 ist in Bereiche 41 unterteilt, die in Richtung des genannten Abgasstroms aufeinanderfolgen und deren mittlere Luftaus-¹^ trittstemperaturen T₁ bis T. in dieser Richtung gemäß T₁^rT₂<T₃<T. abnehmen. Für die Brennkammer 23, die Gebiete 24 bis 27, die Luftkanäle 19 bis 22, die Wände 32 bis 36, die Luftöffnungen 12 und die Zwecke der verschiedentemperaturigen Luftzuströme in den Gebieten 24 bis 27 gilt das, was bei Fig. 1 ausgeführt ist.

Gemäß Fig. 3 bis 6 handelt es sich um ein Zweiwellentriebwerk mit einem Gaserzeuger und einer einstufigen, axialen Nutzleistungsturbine (Freiturbine). Der Gaserzeuger weist

einen einstufigen Radialverdichter für die Luft, eine Rohrbrennkammer 23 und eine einstufige, axiale Gaserzeugerturbine auf. Das Laufrad 43 des Radialverdichters und das Laufrad 44 der Gaserzeugerturbine sitzen auf einer gemeinsamen Welle 45. Diese fluchtet mit der Welle 46, auf der das Laufrad 47 der Nutzleistungsturbine sitzt. Die Brennkammer 23 ist vertikalstehend in einer die Welle 45 enthaltenden Vertikalebene oberhalb der Welle 45 angeordnet. Der Brennkammerkopf 28 liegt über dem Brennkammeraustritt

(Heißgasaustritt). Die beiden Drehregeneratoren 48 und 49 30

sind gleich und haben jeweils einen scheibenförmigen Rotor bzw. eine scheibenförmige Matrix, und die beiden Achsen dieser Rotoren fluchten miteinander und liegen horizontal und senkrecht zur Achse der Wellen 45 und 46. Die beiden Regeneratoren 48 und 4 9 sind auf zwei Längsseiten des

ESP-591
14.1.1983

» 1 I

111 %

_l(i in f « ti« i » ι}

-ιοί Triebwerks bzw. der Gasturbinen symmetrisch zu den Wellen 45 und 46 angeordnet. Die Luftaustritte bzw. -austrittsbereiche (15 bis 18) der beiden Regeneratoren 48 und 4 9 sind einander zugewandt.
5

Durch den Radialverdichter (43) wird die Luft - siehe den Pfeil "Luft" in Fig. 3, 4 und 6 - angesaugt, verdichtet und den Regeneratoren 48 und 49 - siehe die Pfeile 50 und 51 in Fig. 4 - zugeführt, die sie etwa matrixaxial durchströmt und aus denen sie vom Abgas erwärmt in vier Strömen - siehe die vier Pfeile 52 und die vier Pfeile 53 in Fig. 5 - durch vier Luftkanäle 19 bis 22 hindurch zu den genannten Zwecken in die Brennkammer 23 strömt. Für die Luftaustrittsbereiche (15 bis 18) jedes der beiden

!5 Regeneratoren 48 und 49, die Brennkammer 23, die Brennkammergebiete (24 bis 27), die Luftkanäle 19 bis 22, die Wände 32 bis 36 - siehe Fig. 5 und 6 - und die Luftöffnungen 12 gilt das, was bei Fig. 1 ausgeführt ist. Bei der vorgegebenen Drehrichtung - siehe den Pfeil 54 in Fig. 3 und 6 - der Matrixscheiben und mit den Trennwänden 33 bis 35 ergibt sich, daß die kühlste Luft des Luftaustrittsbereichs (15 bis 18) dem Brennkammerkopf 28 zugeführt wird usw. - siehe die abgestufte (differenzierte) Zuführung gemäß Fig. 1. Die der Brennkammer 23 aus den Luftkanälen 19 bis 22 zugeführte Luft dient der Verbrennung von Brennstoff mit Schadstoffverminderung und der Kühlung der Brennkammer 23, wobei mit Luftüberschuß gearbeitet wird, so daß das die Brennkammer 23 verlassende

Heißgas ein Gemisch von Verbrennungsgasen und Überschuß-30

luft ist. Dieses Heißgas ist schadstoffvermindert und strömt durch einen Gasverteiler 55 und dann als Treibmittel hintereinander durch die Gaserzeugerturbine (44) und die Nutzleistungsturbine (47) , wonach das Abgas durch die Regeneratoren 48 und 49 strömt und dann durch

ESP-591
14.1.1983

Abgasstutzen hindurch das Triebwerk verläßt - siehe die ;

Pfeile "Abgas" in Fig. 3 und 4. Die Leistung der Nutz- ■

leistungsturbine (47) wurd von der Welle 46 über ein ;

Untersetzungsgetriebe 42 abgegeben. - In entsprechender |

5 oder ähnlicher Bauweise läßt sich ein Triebwerk mit nur I

einem einzigen Drehregenerator und den erfindungsgemäßen |

Merkmalen verwirklichen. !;

Das Triebwerk gemäß Fig. 7 und 8 ist ein Einwellentrieb- %

werk. Seine Rohrbrennkammer 56 ist mit der betreffenden j

Welle 57 fluchtend und strömungsmäßig vor der zwei- ?

stufigen Axialturbine 58 angeordnet. Die beide Kreuz strom- ^!,

rekuperatoren 59 und 60 sind gleich und auf zwei Längs- ; Seiten des Triebwerks bzw. der Axialgasturbine 58 längs des-

selben bzw. derselben und symmetrisch zur Welle 57 ange- j

ordnet und haben im wellensenkrechten Querschnitt (und in ;

der Ansicht gemäß Fig. 8) jeweils die Form eines Kreis- ■ segments mit Mittelpunkt auf der Achse der Welle 57. Sie \ werden von der vom Radialverdichter 61 gelieferten Luft j der Länge nach und entgegen der axialen Durchströmrichtung der Axialturbine 58 und vom Abgas von radial innen I

nach radial außen durchströmt. Durch die Pfeile 62, 63 und g

77 ist der Weg der Luft angedeutet. In den Rekuperatoren · 59 und 60 durchströmt sie Längskanäle 64. Durch die
Pfeile 65 bis 70 ist der Weg des Abgases angedeutet. Das
Abgas verläßt das Triebwerk durch zwei Abgasschächte 71
und 72. Durch die genannte Abgasströmung in den Rekuperatoren 5 9 und 60 wird die Luft in ihnen nach radial ?

außen hin geringer aufgeheizt, so daß also die Luft- j

^!

temperatur über den dortigen Luftaustritt in Richtung J

dieser Abgasströmung abnimmt. Es gibt wieder vier züge- i

hörige Luftkanäle, 73, und dafür zwei Außenwände 74 und |

75 und drei Trennwände 76. Die Pfeile 78 deuten den |

Eintritt der vier zugehörigen Luftströme in die vier «

J

Brennkammergebiete oder -zonen an. Wie auch gemäß Fig. 3 ρ

ESP-591 I 14.1.1983

bis 6 sind auch die brennkammerseitigen Enden der Luftkanäle 73 durch die drei Trennwände 76 voneinander getrennt. Auch gemäß Fig. 7 und 8 beaufschlagt die Luft des kühlsten Luftstroms den Brennkammerkopf. Auch in der Brennkammer 56 findet durch diese differenzierte Luftzuführung die schon früher erläuterte schadstoffreduzierende Verbrennung statt. - Die Nutzleistung wird wie gemäß Fig. 3 bis 6 abgegeben.

ESP-591 14.1.1983

Claims (5)

1G7906656.1■ I I4l£ — • · t ·4» ·• * ··Ψ t# 0 ·,V.I 1 1 Ϊ I• • 1 I Iti « * »• ·■• sr/si MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÜNCHEN GMBH 5 München, den 14.1.1983 10 Schutzansprüche

1. Gasturbinenanlage, vorzugsweise -triebwerk, insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, mit Luftverdichter und Gasturbine, einem Abgas-Luft-Wärmetauscher, über dessen Luftaustritt die Lufttemperatur in einer Richtung abnimmt, besonders Drehregenerator oder Kreuzstromrekuperator dieser Art, und einer Brennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß von Bereichen des Wärmetauscher-Luftaustritts, die in der genannten Richtung (Pfeile 13 und 37) aufeinanderfolgen, voneinander getrennte Luftkanäle zu verschiedenen Gebieten der Brennkammer (23) führen, und zwar der Luftkanal mit d_er kühlen Luft zum vorderen, der Luftkanal (20) mit der nächstwärmeren Luft zum anschließenden Gebiet der Brennkammer (23) und gegebenenfalls so weiter.

2„ Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von vier genannten Bereichen (15 bis 18; 41) vier genannte Luftkanäle (19 bis 22) zu vier genannten Brennkammergebieten (24 bis 27) führen,

ESP-591

ι · · · ro . —

• · ι ·

• · I I

-2-

'(■ 1 und zwar der Luftkanal (19) mit der kühlsten Luft zum

6 Gebiet (24) des Brennkammerkopfes (28) , der Luftkanal

:- (20) mit der nächstwärmeren Luft zum anschließenden

? Gebiet (25) der Brennkammer (23) usw.

f,' 5

I

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge-

I kennzeichnet, daß von benachbarten genannten Bereichen

(16, 17; 41, 41) ausgehende genannte Luftkanäle (20, 21) bis zu den Brennkammergebieten (25, 26) durch ein 10 und dieselbe Trennwand (34) voneinander getrennt sind.

4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß von genannten Luftaustrittsbereichen (15 bis 18), die zu zwei auf zwei Längsseiten

15 der Gasturbine (Laufräder 44 und 47) angeordneten Drehregeneratoren {48, 49) gehören, genannte Luftkanäle (19 bis 22) zu den genannten Gebieten einer Brennkammer (Rohrbrennkammer (23)) führen, die in einer die Gasturbinenachse (Wellen 45 und 46) ent-20 haltenden, zwischen den beiden Drehregeneratoren I (48, 4 9) liegenden Ebene senkrecht oder schräg zur

.· Gasturbinenachse (45, 46) angeordnet ist.

5. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß von genannten Luftaustrittsbe-

I reichen, die zu zwei auf zwei Längsseiten der Gas-

I turbine (58) angeordneten, vom Abgas von radial innen

i nach radial außen (Pfeile 65 bis 69) und von der Luft

I längs und entgegen (Pfeil 77) der axialen Einström-

^ 30

I richtung der Gasturbine (58) durchströmten Kreuzstrom-

I rekuperatoren (59,60) gehören, genannte Luftkanäle

(73) zu den genannten Gebieten einer insbesondere gasturbinenaxial angeordneten Brennkammer (Rohrbrennkammer (56)) führen.
35

ESP-591
14.1.1983