DE872414C

DE872414C - Method and device for generating compressed gas, in particular as a propellant for gas turbine plants

Info

Publication number: DE872414C
Application number: DEM2976D
Authority: DE
Inventors: Fritz Eberle
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1945-02-13
Filing date: 1945-02-13
Publication date: 1953-04-02

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Druckgas, insbesondere als Treibmittel für Gasturbinenanlagen Mit der Auflad-ung von Verbrennungsmotoren durch Kreiselverdichter, die durch Abgasturbinen angetrieben werden, sind bereits bedeutende praktische Erfolge erzielt worden. Eine weitere Entwicklung führte zum Treibgasverfahren, bei denn der Kolbenmotor mechanisch den Verdichter für die Ladeluft antreibt und die gesamte Nutzleistung an der Welle der von den Abgasen des Kolbenmotors getriebenen Turbine entnommen wird; der aus Kolbenmotor und Verdichter bestehende Ma- ' schinensatz stellt den Treibgaserzeuger dar. Bei der reinen. (Gleichdruck-) Verbrennungsturbine in ihrer einfachsten Form tritt an die Stelle des Treibgaser7eugers der von der Verbrennungsturbine getriebene Verdichter und die Brennkammer; die Nutzleistung tritt als Überschuß der Turbinen über die Verdichterleistung auf.Method and device for generating compressed gas, in particular as a propellant for gas turbine systems with the charging of internal combustion engines by centrifugal compressors, which are driven by exhaust gas turbines, are already significant practical successes have been achieved. Another development led to Propellant gas process, because the piston engine mechanically controls the compressor for the charge air drives and the total useful power on the shaft of the exhaust gases from the piston engine driven turbine is removed; the one consisting of a piston engine and compressor The machine set represents the propellant gas generator. (Equal pressure) Combustion turbine in its simplest form takes the place of propellant gas the compressor driven by the combustion turbine and the combustion chamber; the useful power occurs as an excess of the turbines over the compressor output.

' Mit dem Treibgasverfähren können wi,e mit dem Verbrennungsmotor gute Wirkungsgrade erzielt werden, da der Kolbenmotor für hohe Drücke und Temperaturen geeignet ist. Die Gleichdruckverbrennungsgästurbine zeichnet sich demgegenüber durch größere Einfachheit aus, während ihr Wirkungsgrad bei der gegenwärtig beherrschbaren Gastemperatur am Turbineneintritt von 6oo° wesentlich niedriger liegt als beim Kolbenmotor.'With the propellant gas process we can with the combustion engine good efficiencies can be achieved because the piston engine for high pressures and temperatures suitable is. In contrast, the constant pressure gas turbine is characterized by greater simplicity, while their efficiency at what is currently manageable Gas temperature at the turbine inlet of 600 ° is significantly lower than that of the piston engine.

Der Erfindung liegt ,die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden, das einerseits den guten Wirkungsgrad des Kolbentreibgaserzeugers aufweist, während es andererseits unter Wegfall des verwickelten Kolbentriebwerkes an die bauliche Einfachheit der Gleichdruckturbinenanlage herankommen soll. Zur Lösung dieser Aufgabe wurden bereits rohrförmige Verbrennungskammern vorgeschlagen, in welchen periodische Verbrennungen des Arbeitsmittels stattfinden. -Die erzeugten Druckschwingungen werden hierbei am offenen Kammerende negativ reflektiert und das Einbringen frischer Luft bzw. frischen Gemisches in d-ie Kammer mittels dieser Unterdruck-,vellen selbsttätig durchgeführt. Die Verbrennungsdrucksteigerung erfolgt bei diesen bekannten Ausführungen praktisch vom atmosphärischen Druck aus. Eine Vorverdichtung des Arbeitsmittels vor dem eigentlichen Verbrennungsvorgang, die aber im Hinblick auf eine Steigerung des thermischen Wirkungsgrades notwendig wäre, findet hierbei nicht statt.The invention is based on the object of finding a method which on the one hand has the good efficiency of the piston propellant gas generator, while it on the other hand eliminating the involved Piston engine should approach the structural simplicity of the impulse turbine system. To the Tubular combustion chambers have already been proposed to solve this problem, in which periodic burns of the work equipment take place. -The generated Pressure vibrations are negatively reflected at the open end of the chamber and that Introducing fresh air or fresh mixture into the chamber by means of these vacuum waves carried out automatically. The increase in combustion pressure takes place in these known ones Executions practically from atmospheric pressure. A pre-compression of the work equipment before the actual combustion process, but with a view to increasing it the thermal efficiency would be necessary, does not take place here.

Dieser Nachteil wird nun bei einer Verbrennungskammer zur Erzeugung von Druckgas überwunden, welche gemäß der Erfindung auf die folgende Weise arbeitet: In einer rohrförmigen Kammer werden durch periodische Verbrennungen, die auf einen kleineren Teil der Kammer, z. B. das eine Ende derselben, begrenzt sind, Druckschwingungen erzeugt, und zwar wird an der Brennstelle jeweils zu Zeiten niedrigen Druckes frische Luft bzw. frisches Gas-Luft-Gemisch eingelagert, jeweils zu Zeiten erhöhten Druckes eine neue Verbrennung eingeleitet. Durch eine Entnahmedüse, die an geeigneter Stelle der Kammer angebracht und so bemessen ist, daß in der Kammer bei Beharrung ein gewisser Stau entsteht, strömt das durch die Verbrennungen erzeugte Treibgas auf ein Turbinenrad und gibt Leistung an dieses ab.This disadvantage is now being created in a combustion chamber overcome by pressurized gas, which according to the invention works in the following way: In a tubular chamber are caused by periodic burns, which on a smaller part of the chamber, e.g. B. one end of the same, are limited, pressure oscillations generated, and that is fresh at the burning point in each case at times of low pressure Air or a fresh gas-air mixture stored, in each case at times of increased pressure a new combustion initiated. Through a removal nozzle at a suitable point attached to the chamber and dimensioned so that in the chamber if persisted a certain If there is a jam, the propellant gas generated by the combustion flows onto a turbine wheel and gives power to it.

Der durch die erste Zündung an der Brennstelle hervorgerufene Druckberg durchläuft das Rohr bis zum Ende und wird dort positiv zurückgeworfen. Er wird beim Vorbeigehen an der Entnahmedüse um einen bestimmten Betrag abgebaut. Bei der Rückkunft des verkleinerten Druckberges, zu der Brennstelle wird das inzwischen eingelagerte frische Arbeitsmittel verdichtet und eine neue Verbrennung eingeleitet. Der infolge der Zündung.erhöhte Druckberg läuft sodann von neuem hin und zurück, wobei er einen Teil seiner Energie an: der Entnahmedüse abgibt und wiederum zum Vorverdichten der inzwischen neu eingelagerten Ladung an. der Brennstelle führt.The pressure mountain caused by the first ignition at the burning point runs through the pipe to the end and is positively thrown back there. He will be at Passing the removal nozzle reduced by a certain amount. When you come back of the reduced pressure mountain, what is now stored becomes the burning point fresh work equipment is compressed and a new combustion is initiated. The result of the ignition. The increased pressure mountain then runs back and forth again, whereby he has a Part of its energy to: the extraction nozzle releases and in turn to pre-compress the meanwhile newly stored cargo. the focal point leads.

Infolge des Vorverdichtens des. Arbeitsmittels. durch die Druckschwingung vor der Verbrennung wird es ermöglicht, die Wärmeentwicklung wie beim Otto- und Dieselmotor bei hohem Temperaturniveau auszulösen und damit die zugeführte Wärme mit gutem Wirkungsgrad in Arbeit umzusetzen. Andererseits ist für das Einbringen des Arbeitsmittels in die Kammer nur ein mäßiges Druckgefälle nötig, so daß im Gegensatz zur Gleichdrückverbrennungsturbinenanlage ein Verdichter mit niedrigem Druckverhältnis ausreicht.As a result of the pre-compression of the working medium. by the pressure oscillation before the combustion it is made possible, the heat development as with Otto and Triggering the diesel engine at a high temperature level and thus the supplied heat to implement in work with good efficiency. The other hand is for bringing in of the working medium in the chamber only requires a moderate pressure gradient, so that in contrast a compressor with a low pressure ratio for the constant pressure combustion turbine system sufficient.

Da. der Wirkungsgrad einer mit wechselndem Druck beaufschlagten Turbine schlechter ist als der einer gleichmäßig beaufschlagten,. wird die Entnahme des Treibgases bei der halben Rohrlänge am günstigsten sein. Diese Anordnung bietet ferner die Möglichkeit, in an sich bekannter Weise an beiden Rohrenden Luft und Kraftstoff zuzuführen und zu verbrennen, so daß sich die Arbeitsweise und Leistung des Treibgaserzeugers noch weitaus wirksamer gestaltet.There. the efficiency of a turbine subjected to alternating pressure is worse than that of an evenly acted upon. the removal of the Propellant gas is the cheapest for half the pipe length. This arrangement offers also the possibility of air and air at both pipe ends in a manner known per se To add fuel and burn it, so that the operation and performance of the propellant gas generator made far more effective.

Der rechtzeitige Luft- bzw. Gemischeinlaß wird zweckmäßig in ebenfalls bekannter Weise durch selbsttätige Einlaßventile bewirkt, die sich nach Art von Rückschlagventilen nach dem Innern der Kammer hiri öffnen, wenn in -der Kammer an der Brennstelle ein niedrigerer Druck herrscht als in derLuft-bzw. Gemischzuleitung,.undsich schließen, wenn an der Brennstelle Überdruck gegenüber der Zuleitung herrscht. Bei der hohen minutlichen Hubzahl (etwa 4000 Spiele in der Minute bei 4,5 m Rohrlänge) ist ein großer Einlaßquerschnitt bei geringster Trägheit der Steuerung nötig. Diese Forderung wird durch Anwenden einer größeren Anzahl Einlaßorgane von entsprechend kleinen Abmessungen erfüllt.The timely intake of air or mixture is also expedient known way caused by automatic inlet valves, which are in the manner of Open non-return valves to the inside of the chamber if the chamber is on The pressure in the combustion point is lower than in the air or Mixture feed line, .andsich close if there is overpressure in relation to the supply line at the burner. at the high number of strokes per minute (approx. 4000 cycles per minute with a pipe length of 4.5 m) a large inlet cross-section is required with minimal control inertia. These Requirement is made by using a larger number of inlet organs from accordingly small dimensions met.

Die rechtzeitige Einleitung jeder Verbrennung wird zweckmäßig durch den Druck in der Kammer an der Brennstelle bewirkt. Bei Verdichtungszündung von einzuspritzendem flüssigem Kraftstoff wird der Einspritzvorgang durch den Verdichtungsdruck nach bekanntem Verfahren gesteuert. Bei Gemischverdichtung und Fremdzündung ist die Zündeinrichtung durch den an der Zündstelle herrschenden Druck zu steuern. Hierfür wäre beispielsweise eine elektrische Zündanlage geeignet, in deren Primärstromkreisein druckgesteuerterUnterbrecher geschaltet ist.The timely initiation of each incineration is expedient by causes the pressure in the chamber at the burning point. With compression ignition of The liquid fuel to be injected is controlled by the compression pressure controlled by a known method. With mixture compression and spark ignition is to control the ignition device by the pressure prevailing at the ignition point. Therefor For example, an electrical ignition system would be suitable with a pressure-controlled interrupter is switched.

Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Maschine ist als einfach bzw. doppelt wirkender Kolbenmotor zu betrachten, =der im Zweitakt arbeitet und dessen Kolben und Triebwerk durch eine gespannte Gassäule gebildet wird. Sie läuft im Ottobetrieb oder bei genügender Kompression im Dieselbetrieb. Auf Grund der hohen minutlichen Hubzahl weist sie eine außerordentliche Leistungsdichte auf.A machine operating according to the method according to the invention is to be regarded as a single or double-acting piston engine, = which works in two-stroke and its piston and engine are formed by a tensioned gas column. she runs in gasoline mode or, with sufficient compression, in diesel mode. Because of Due to the high number of strokes per minute, it has an extraordinary power density.

In der Zeichnung ist das Verfahren nach der Erfindung an. Hand von Prinzipschemen und Diagrammen von Druck- und Geschwindigkeitsverlauf beispielsweise klargemacht.In the drawing, the method according to the invention is on. Hand of Principle schemes and diagrams of pressure and speed, for example made clear.

Der in der Abb, i schematisch dargestellte Treibgaserzeuger besteht aus einer rohrförmigen Kammer i mit einem periodisch gesteuerten Lufteinlaß 2 und eitler Entnahmeöffnung 3 für das Treibgas. Der Kraftstoff wird durch eine Düse 4 eingespritzt oder mit der Luft zusammen in den Rohrzylinder gebracht. Periodische Verbrennungen, die auf einen kleineren Teil des Zylinders, z. B. auf das einlaßseitige Ende, begrenzt sind, erzeugen Druckwellen. Der Druckverlauf ist schematisch in Augenblicksaufnahmen in der Abb. 2 a bis 2 n dargestellt. Der durch die Verbrennung am einlaßseitigen Rohrende erzeugte Druckberg läuft mit Schallgeschwindigkeit zum anderen Ende (Abb. 2 a bis 2c), wird positiv reflektiert und läuft zum Ausgangspunkt zurück (Abb. 2 d bis 2 f). Dort wird das inzwischen eingelagerte frische Arbeitsmittel verdichtet und daraufhin gezündet (Abb. 2 g). Der durch die Zündung erhöhte Druckberg läuft sodann von neuem hin und zurück (Abb. 2 g bis :2m). Er wird beim Vorbeigang an der Entnahmedüse 3 jeweils um einen bestimmten Betrag abgebaut (Abb. 2 c und 2i), wobei das sich entspannende Treibgas Leistung an ein Turbinenrad 5 abgibt.The propellant gas generator shown schematically in Fig, i consists from a tubular chamber i with a periodically controlled air inlet 2 and Eitler removal opening 3 for the propellant gas. The fuel is fed through a nozzle 4 injected or brought into the tubular cylinder together with the air. Periodic Burns affecting a smaller part of the cylinder, e.g. B. on the inlet side End, are limited, generate pressure waves. The pressure curve is schematically shown in snapshots shown in Fig. 2 a to 2 n. The one caused by the combustion on the inlet side The pressure mountain generated at the end of the pipe runs at the speed of sound to the other end (Fig. 2 a to 2c), is reflected positively and runs back to the starting point (Fig. 2 d to 2 f). There will the fresh work equipment stored in the meantime compressed and then ignited (Fig. 2 g). The pressure mountain increased by the ignition then runs back and forth again (Fig. 2g to: 2m). He will be passing by reduced by a certain amount at the extraction nozzle 3 (Fig. 2 c and 2i), the expanding propellant gas delivering power to a turbine wheel 5.

Die Abb.3 zeigt schließlich die schematische Darstellung eines rohrförmigen Treibgaserzeugers 6 mit den Einlaßorganen 7 und den Brennstoffeinspritzdüsen 8 an beiden Rohrenden. Die Entnahmeöffnung 9 für das Turbinenrad io ist in der Rohrmitte angeordnet.Finally, Fig.3 shows the schematic representation of a tubular Propellant gas generator 6 with the inlet organs 7 and the fuel injection nozzles 8 both pipe ends. The removal opening 9 for the turbine wheel io is in the middle of the pipe arranged.

Claims

PATENT CLAIMS: i. A method for generating compressed gas, in particular as a propellant for gas turbine systems, in which periodic burns limited to a section of the same take place in a tubular chamber, with fresh air or a fresh gas-air mixture being stored at the combustion point at times of low pressure, characterized in that the combustion pressure waves are positively reflected at the end of the chamber opposite the burning point and, as overpressure waves, precompress the air or the freshly stored gas-air mixture that has meanwhile been stored in the tubular chamber, and only after the charge has been precompressed a new combustion is initiated.

2. Procedure for generating compressed gas according to claim i, characterized in that during compression ignition of fuel to be injected, the injection process, with mixture compression and External ignition the ignition device is controlled by the pressure oscillations.