DE850087C - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines gasfoermigen Treib-mittels, insbesondere fuer Turbinen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines gasfoermigen Treib-mittels, insbesondere fuer Turbinen

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DE850087C
DE850087C DEM1009D DEM0001009D DE850087C DE 850087 C DE850087 C DE 850087C DE M1009 D DEM1009 D DE M1009D DE M0001009 D DEM0001009 D DE M0001009D DE 850087 C DE850087 C DE 850087C
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DE
Germany
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pressure
propellant
pipe
turbine
gas
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DEM1009D
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English (en)
Inventor
Leonhard Dipl-Ing D Geislinger
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MAN AG
Original Assignee
MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
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Publication date
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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
    • F02C3/02Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using exhaust-gas pressure in a pressure exchanger to compress combustion-air
    • 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
    • F02C5/00Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion
    • F02C5/12Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion the combustion chambers having inlet or outlet valves, e.g. Holzwarth gas-turbine plants

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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

  • Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines gasförmigen Treibmittels, insbesondere für Turbinen Die heute bekannten Bauarten von Gasturbinen mit Gleichdruckverbrennung zeigen zwei Hauptmängel, erstens ist der Gesamtwirkungsgrad gegenüber dem Dieselmotor wesentlich geringer, und zweitens wird der größte Teil der in der Turbine erzeugten Leistung zum Antrieb des Verdichters gebraucht. Es ist bekannt, daß diese beiden Mängel durch Kopplung von Kolbenmotor und Gasturbine beseitigt werden können. Der Kolbenmotor bildet dabei den Treibgaserzeuger für die Turbine und treibt den Luftverdichter an. Die ganze in der Turbine erzeugte Leistung steht dann als Nutzleistung zur Verfügung; der Brennstoffverbrauch ist fast ebenso gut wie bei Dieselmotoren. Der Kolbenmotor bringt jedoch gegenüber der reinen Gasturbine infolge seiner hin und her gehenden Maschinenteile eine große Komplikation, auch dann, wenn man. einen Freiflugkolbenverdichter verwendet.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Teil der Verdichterleistung einzusparen und damit den Gesamtwirkungsgrad der Turbinenanlage zu erhöhen. Gelöst wird die Aufgabe in der Weise, daß das Treibmittel in eurer oder mehreren Rohrleitungen durch Druckschwingungen oder Druckstöße vor der Wärmezufuhr auf einen höheren Druck verdichtet wird und die Wärmezufuhr dann bei diesem erhöhten Druck beginnt.
  • Mit dem Arbeitsverfahren nach der Erfindung ist eine Möglichkeit gegeben, die Vorteile des Treibgasverfalirens zu erreichen, ohne daß Maschinenteile eine hin und her gehende Bewegung ausführen. An Hand der schematischen Darstellung nach Abb. i ist das Verfahren nach der Erfindung im Grundprinzip veranschaulicht. Ein nicht dargestelltes Gebläse saugt Frischluft aus der Atmosphäre an und drückt sie in einen Behälter i, der zunächst .als unendlich groß angenommen werde. In dem Behälter herrscht der Druck p. An den Behälter schließt sich ein Rohr 2 an, das an seinen beidem, Enden durch die Schieber 3 und 4 verschlossen ist. Im Rohr herrscht der Druck po < p, das Gas, im Rohrrist in Ruhe. Nun wird plötzlich der Schieber 3 voll geöffnet, die Luft strömt in das Rohr ein. Dieser Einströmvorgang spielt sich nach den Lehren, der Gasdynamik so ab, daß in das Rohr hinein ein Druckstoß mit unend#-licher steiler Front läuft; hinter dem Druckstoß herrscht ein Druck p1 > p. und eine Gasgeschwindigkeit zum geschlossenen Rohrende hin. An diesem Ende wird der Druckstoß reflektiert und läuft gegen das offene Rohrende zurück. Hinter dem reflektierten Druckstoß verbleibt im Rohr die Geschwindigkeit Null und der Druck p2 > p. Sobald der reflektierte Druckstoß das linke Rohrende wieder erreicht, wird der Schieber 3 plötzlich wieder geschlossen.
  • Durch den beschriebenen Vorgang ist es gelungen, das zu Beginn des Vorgangs im Rohr befindliche Gas von p. auf p2 und das einströmende Gas von p auf p2 >_ p zu verdichten, Die Tatsache, daß p. größer ist als der Druck im Behälter, steht keinesfalls im Widerspruch mit dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik, wie man bei Betrachtung des in der Abb. 2 dargestellten p-v-Diagramms unschwer erkennt. Die von einem Verdichter zur Verdichtung von i kg des Gases vom Druck p. .auf den Druck p geleistete Arbeit entspricht nämlich der links schraffierten Fläche i-i'-a-b, die nach Beendigung des beschriebenen Vorganges im Rohr gespeicherte Arbeit pro Kilogramm Gas jedoch der rechts schraffierten Fläche i-2-c; diese ist kleiner als die links schraffierte, da das Gewicht des Gases im Rohr nach Beendigung des Vorganges größer ist als das eingeströmte Gasgewicht.
  • In der Abb. 3 ist die Drucksteigerung im Rohr als Funktion des Druckverhältnisses p/po dargestellt. Wählt man z. B. p/po = 3 und p. = i,o ata, so wird nach Schluß des Schiebers 3 ein Druck von 5,15 ata im Rohr vorhanden sein. Zur Drucksteigerung von 3 ata auf 5,15 ata ist keine weitere Antriebsleistung benötigt worden. Darin liegt bereits der erste Vorteil des Verfahrens. Bei den. angeführten Drücken wird zur Verdichtung' nur ein Teil der sonst üblichen von der Turbine abzuzweigenden Verdichterleistung benötigt. Vor allem ist noch darauf hinzuweisen, daß die Höherverdichtung einen sehr guten Wirkungsgrad aufweist, die Verdichtung durch den Druckstoß erfolgt nahezu adiabatisch.
  • Nach Beendigung des Verdichtungsvorganges wird dem Gas im Rohr durch Verbrennung Wärme zugeführt. Das kann entweder dadurch geschehen, daß eine gewisse Menge Treibstoff eingespritzt und gezündet wird, es kann aber auch ein fertiges Brennstoff-Luft-Gemisch in das Rohr eingebracht und, gezündet werdien. Infolge der Wärmezufuhr steigt der Druck im Rohr z. B. auf io atü und dtie Temperatur auf 7o0°.
  • Nach beendeter Verbrennung wird der Schieber 4 plötzlich geöffnet. Dadurch strömt das Gas aus dem Rohr aus und treibt das Turbinenrad 5 an. Hinter dem Turbinenrad herrscht der Druck p6 = 3,5 ata. In das Rohr hinein laufen Verdünnungswellen, die am geschlossenen Rohrende reflektiert werden. Wichtig ist dabei, daß der größte Teil der im Rohr enthaltenen Gase mit konstanten Werten von Geschwindrigkeit und Druck ausströmt. Bei den bekanntgewordenen Gasturbinen mit Verpuffungskammern verlassen demgegenüber die Gase die Verpuffungskammer mit allmählich fallendem Druck undabnehmender Geschwindigkeit; die zeitlich stark schwankenden Gasgeschwindigkeiten ergeben eine unter Umständen beträchtliche Einbuße an Turbinenwirkungsgrad, die bei dem vorgeschlagenen Arbeitsverfahren vermieden wird. Hierbei sinkt erst gegen Schluß des Ausströmvorganges die Geschwindigkeit bis auf Null ab. Wenn die Geschwindigkeit bis auf Null gesunken ist, wird der Schieber 4 wieder geschlossen.
  • Die Eigenart der Ausströmung aus dem Rohr bringt einen weiteren Vorteil. Es läßt sich zeigen, daß bei gleicher Verbrennungstemperatur die Staupunktstemperatur der auf das Turbinenrad strömenden Gase, die für die Temperatur der Turbinenschaufeln maßgebend ist, wesentlich niedriger als bei einer Turbine mit kontinuierlicher Gleichdruckverbrennung wird.
  • Der Druck der im Rohr verbliebenen Gase ist wesentlich niedriger als der Druck hinter dem Turbinenrad. Man. kann unschwer erreichen, daß er gleich dem Druck p. zu Beginn der beschriebenen Vorgänge ist. Nunmehr kann wieder der Schieber 3 geöffnet werden, und der Kreislauf beginnt von vorn.
  • Mahr kann auch auf den Schieber 4 am Ende des Rohres verzichten und bei genügender Leistungsführung und Ausbildung des Schiebers -3 das Treibmittel durch den Schieber 3 austreten lassen. Die Erfindung ist auch nicht an die Verwendung in einer Gasturbinenanlage gebunden, sondern kann auch z. B. bei reiner Verdichtung des gasförmigen Mediums ohne nachfolgende Verbrennung verwendet werden.
  • Das Verfahren nach der Erfindung läßt sich im Rahmen einer Gasturbinenanlage in einer sehr einfachen Weise verwirklichen. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Turbinenanlage nach der Erfindüng ist in den Abb. 4 und 5 dargestellt, und, zwar zeigt Abb.4 einen Längsschnitt durch die Anlage und Abb.5 einen Querschnitt durch den Röhrenkranz nach der Linie h- TV in Abb. 4.
  • Es ist eine Vielzahl von Röhren :2 mit etwa rechteckigem Querschnitt auf den Mantel eines Zylinders 6 angeordnet. An den beiden Enden des so entstehenden Hohlzylinders läuft je eine Steuerscheibe 3 und 4 um, die am Umfang ausgespart sind, @so daß die einzelnen Zellen während eines Teils des Umlaufs der Scheinen mit dem Druckgasbehälter 7 oder mit dein Turbinenlaufrad S verbunden werden. Die Abdichtung der Steuerscheiben gegen die Rohre 2 kamt durch Labyrinthdichtungeng erfolgen. Bei richtiger Abmessung der einzelnen Bauteile wird es möglich sein, die Steuerscheiben 3 und 4 mit der gleichen Drehzahl umlaufen zu lassen wie das Turbinenrad S; in letzterem Fall kann man die Steuersclieil>e .4 selbst auf einen Teil ihres Umfanges mit Turhinenschaufeln versehen. @'m an Baulänge zu sparen, kann man die Trennwände der einzelnen Rohre 2 auf dem Innenzylinder 6 schraubenförmig anordnen. Dadurch gewinnt man den Vorteil, daß man den Leitapparat vor dein ersten Turbinenrad völlig einsl>:iren kann, sofern man den: Steigungswinkel der Scliratilre gleich dem Ausströmwinkel aus dem Leitrad macht. .\uf der gemeinsamen Welle io ist auch <las Gebläserad t i für die Vorverd:ichtung der Luft angeordnet.
  • Durch die \'orriclitung nach der Erfindung gelingt es, einen Kreisl>rozeß finit Gleichrauniverbrennung zti verwirklichen. Daraus ergeben sich eine Reihe von Vorteilen, die man am einfachsten bei Betrachtung des p-! '-Diagratnnis nach der :\bb. 6 erkennt. Die Diagraninie sind maßstäblich für einen: Verdichtungsdruck von 3 ata. Für die Verdichtung ist ein Wirkungsgrad von 8oo!o, bezogen auf die Adiabate, zugrunde gelegt. Bei Gleichraumverbrennung nach dem hier gemachten Vorschlag ist vom Verdichter nur die der Fläche t-2-1" entsprechende Leistung aufzubringen. Diese beträgt, gleichen Verdichtungsdruck vorausgesetzt. nur einen Bruchteil der bei dem üblichen Gleichdruckprozeß nötigen Verdichterleistung, die der Fläche i-2-2'-1' entspricht. Da-bei sei nochmals in Erinnerung gebracht, daß hei dem Verfahren nach der Erfindung der Verdichter das Arbeitsgas nur auf einen Druck p"Gpz zu verdichten hat. Die Verdichtung von p,. auf p, erfolgt durch den Druckstoß im Rohr 2.
  • An die \'erdiclittitig schließt sich beim Gleichraumprozeli die Verbrennung 2-3 an. Infolge der Eigenart des dynamischen Ausströmens kann dabei die @erl)rennun"sliöclisttemperatur bei gleicher Temperatur der Turbinenschaufeln. wesentlich, zum Teil i oo° und mehr, höher sein als beim Gleichdruckprozel.i, bei dem die Verbrennung durch die Linie 2-3a dargestellt ist. Die in der Turbine bei adiabatischer 1#_nt.spannung gewonnene Arbeit ist durch die Fläche 3-.I-1" lxini Gleichraum- und durch die Fläche 2'-3u-4a-t' beim Gleichdruckprozeß dargestellt.
  • Um die Nutzleistung der Gasturbine zu erhalten, ist die bei adiahatischer Entspannung gewinnbare Turl>,inenarbeit finit dein Turbinenwirkungsgrad zu inultil>lizieren und davon dann die Verdichterleistung abzuziehen; die letztere ergibt sich durch Division der adiabatischen Verdichterleistung durch den adiabatischun \'erdichterwirkungsgrad. Aus dem p-V-Diagramm sieht man sofort, daß bei dem Verfahren nach der Erfindung von der in der Turbine gewonnenen Leistung nur ein geringer Teil zum :\ntricit des Verdichters verbraucht wird.
  • Beim Gleichdruckprozeß dagegen wird der größte Teil der in der Turbine gewonnenen Arbeit zum Antrieb des Gebläses benötigt. Die Nutzleistung ist nur ein Bruchteil der Turbinenleistung.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Arbeitsverfahren wird die Summe aus Turbinen- und Gebl-äseleistung, die insgesamt zu installierendeLeistung, bei gleicher Nutzleistung des Aggregates wesentlich geringer als beim Gleichdruckprozeß. Es ergeben sich also große Vorteile hinsichtlich Leichtigkeit und Preis der Turbinenanlage. Infolge der geringeren, bei gleichem Verdichtungsdruck benötigten Gebläseleistung zusammen mit den Vorteilen, die :sich aus der Gleichdruckverbrennung und der höheren zulässigen Verbrennungstemperatur ergeben, ist ein besserer Gesamtwirkungsgrad zu erwarten als bei dem üblichen Gleichdruckprozeß, auch wenn man berücksichtigt, daß bei dem letzteren bessere Wirkungsgrade von Verdichtung und Entspannung zu erreichen sind.
  • Der einfache Aufbau und der günstige Wirkungsgrad machen das: Verfahzen für den Antrieb von Flugzeugen besonders geeignet. Bei hoher Fluggeschwindigkeit ist es möglich, Gebläse und Turbine völlig einzusparen. Die Verdichtung erfolgt dann durch Ausnutzung des Staudruckes; durch die Wirkung der Druckstöße bei dem periodischen Einströmen wird der Verdichtungsdruck in den Verpuffungszellen unter Umständen doppelt so hoch als der der Fluggeschwindigkeit zugeordnete Staudruck. Der Vortrieb erfolgt durch die Reaktion der periodisch aus den Zellen ausgestoßenen Gasmassen. Dabei wirkt sich auf dien Vortriebwirkungsgrad besonders günstig aus, daß die Ausströmgeschwindigkeit aus den Gaszellen wesentlich geringer ist, als dem aclial)atisclien Gefälle vom Zellendruck auf den Außendruck entspricht.

Claims (4)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. \'erfa.hrenzurErzeugung eines gasförmigen Treibmittels, insbesondere für Turbinen, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel in einer oder mehreren Rohrleitungen durch Druckschwingungen oder Druckstöße vor der Wärmezufuhr auf einen höheren Druck verdichtet wird und die Wärmezufuhr dann bei diesem erhöhten Druck beginnt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel in der oder den Rohrleitungen nach der Wärmezufuhr durch Drucksch-,vingungen in der oder den Rohrleitungen auf einen niedrigeren als den Außendruck bzw. den Druck hinter der ersten Turbinenstufe entspannt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckschwingungen: in der oder den Rohrleitungen durch periodisches Offnen und Schließen der mindestens an einem Ende der Rohrleitung vorhandenen Abschlußorgane verursacht werden.
  4. 4. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von rohrförmigen Kammern (2) kranzartig um einen Zylinder (6) angeordnet ist. 3. \'orrichtting nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daB die AbschluBorgane an den Enden der rohrförmigen Kammern (z) als Kreisscheiben (3 und 4) mit je einer oder mehreren Steueröffnungen ausgebildet sind und mit der durch den Rohrkranz hindurchgeführten Welle (io) umlaufen. 6. Vorrichtung nach Atvspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Austrittssteuerscheibe (4) ein oder mehrere Turbinenräder (8) auf der Welle (io) angeordnet sind. 7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daB vor der Eintrittssteuerscheibe (3) ein ringförmiger Sammelbehälter (7) angeordnet ist, dem das Medium durch ein Gebläse (i I) unter Druck zugeführt wird. B. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläserad (i i) zur Vorverdichtung des Mediums auf der gemeinsamen Welle (io) angeordnet ist. g. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Rohre (z) des Rohrkranzes schraubenlinienartig auf dem Zylinder (6) angeordnet sind und der Steigungswinkel der Schrauben etwa dem Austrittswinkel des Treibmittels aus einem Leitapparat (8) entspricht.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2968924A (en) * 1954-08-18 1961-01-24 Napier & Son Ltd Combustion chambers of internal combustion turbine units
EP0085119A1 (de) * 1982-01-29 1983-08-10 Ingelheim gen. Echter v.u.z. Mespelbrunn, Peter, Graf von Wärmekraftmaschine mit getrenntem Verdichter- und Kraftmaschinenteil für isobare, isochore oder gemischte Wärmezuführung
EP0503277A1 (de) * 1991-03-12 1992-09-16 Asea Brown Boveri Ag Gasturbogruppe
WO1997045631A1 (de) * 1996-05-31 1997-12-04 Michael Jensen Verfahren zur umwandlung von energie und vorrichtung zur durchführung des verfahrens

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