DE941033C - Brennkraftturbinenanlage - Google Patents

Brennkraftturbinenanlage

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DE941033C
DE941033C DEA16989A DEA0016989A DE941033C DE 941033 C DE941033 C DE 941033C DE A16989 A DEA16989 A DE A16989A DE A0016989 A DEA0016989 A DE A0016989A DE 941033 C DE941033 C DE 941033C
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DE
Germany
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heat exchanger
sets
line
turbine system
internal combustion
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Expired
Application number
DEA16989A
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English (en)
Inventor
John Harold Wearing
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Austin Motor Co Ltd
Original Assignee
Austin Motor Co Ltd
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Publication date
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Expired legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/1615Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation the conduits being inside a casing and extending at an angle to the longitudinal axis of the casing; the conduits crossing the conduit for the other heat exchange medium
    • F28D7/1623Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation the conduits being inside a casing and extending at an angle to the longitudinal axis of the casing; the conduits crossing the conduit for the other heat exchange medium with particular pattern of flow of the heat exchange media, e.g. change of flow direction
    • 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
    • F02C7/00Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/08Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • F28F27/02Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus for controlling the distribution of heat-exchange media between different channels

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

  • Brennkraftturbinenanlage Die Erfindung bezieht sich auf Brennkraftturbinenanlagen, die mit voller Belastung nur über einen kleinen Prozentsatz der Betriebszeit laufen sollen, und zwar insbesondere auf Bnennkraftturbinenanlagen dieser Art für Flugzeuge oder für Straßen- oder Schienenfahrzeuge.
  • Wenn Fahrzeuge und Flugzeuge mit Brenukraftturbinen. ausgerüstet sind, ist es erwünscht, aber gewöhnlich schwer zu bewerkstelligen, da:ß zwischen dem Verdichter und der Brennkammer Wider den Brennkammer nein Wärmetauscher eingeschaltet ist, der die verdichtete Luft vorwärmt, wobei die für diesen Zweck verwendete Wärme von den Auspuffgasen der Turbine gewonnen wird, die durch den Wärmertauscher geleitet werden, bevor sie nach außen ab.gegeben werden.
  • Bei einer derartigen an sich für Brennkraftmaschinen bekannten Einrichtung wird die in den Verdichter eingeführte Luft durch diesen Verdichter verdichtet und demzufolge in gewissem Maße erhitzt; sie strömt daran durch eine Seite eines Wärmetauschers beliebiger bekannter Bauart, der z. B. aus einem Satz von Rohren bestehen kaue, der durch eire äußeres Gehäuse hindurchgeht, durch welches die heißen Turbinengase geleitet werden. Dabei werden :diese Gase :um die Rohre herumgeleitet, um einen guten Wärnveaustausch zu gewährleisten. Die durch die Wärmeaustauscherrahre hindurchströmende verdichtete Luft wird vermöge der WäTmeleitumg durch die Rohrwandungen hindurch vorgewärmt und strömt dann in, die Brennkammer oder -kammern, wo sie zufolge der Verbrennung des Brennstoffes weitere Wärme aufnimmt. Die die Bmenakammern oder -kammer verlassenden Gase gelangen dann in der Turbine zur Expansion und leisten dort Nutzarbeit; sie verlassen .die Turbine mit einem etwas über dem Atmosphärendruck liegenden Druck. Statt unmittelbar zum Auspuff können die heißen Abgase direkt durch Leitungen zur anderen Seite des Wärmetaus-chers ,geleitet werden, wo sie, wie zuvor beschrieben, um die von Luft durchströmten. Rohre herumströmen; nachdem sie dort einen großen Teil ihrer Wärme abgegeben haben, läßt man sie auspuffen. Die so aus den Turbinenabgasen gewonnene Wärme bringt eine nahezu gleichwertige Ersparnis an Brennstoff mit sich.
  • Dieses allgemein bekannte System, die verdichtete Luft in einem Wäxmeausitawscher vorzunehmen, ist mit gutem Erfolg für Brenakraftturbinenanlagexi bei Kraftwerkern" und ähnlichen stationären Anlagen angewendet worden. Soll dieses Wärmetauschersystem jedoch aud Brenakraftturbinen bei Flugzeugen oder sonstigen Fahrzeugen nach dem Gesichtspunkt der Ersparnis von Brennstoff, Gewicht und Platz angewendet werden:, so ergeben sich sehr beträchtlich einschränkende Bedingungen: im allgemeinen machen das Gewicht und die Größe eines Wärmetauschers, wie er für Vollastverhältnisse benötigt wird, seine Anwendung _dann im Wert sehr zweifelhaft.
  • Gemäß der Erfindung ist zur Überwindung dieser Schwierigkeiten für eine Brennkraftturbinenanlage der eingangs. genannten Arteine Wärmetauscheranlage vorgesehen, die aus zwei oder mehr Sätzen oder Reihen von Wäxmeaustauschorganen besteht und .auf der Luftseite oder auf der Auspuffseite oder vorzugsweise auf beiden Seiten Vorrichtungen. ausweist, durch die diese Sätze .oder Reihen, entweder in Reihenschaltung oder in Parallelschaltung zueinander in Betrieb ;gesetzt werden können.
  • Wärmebauscheranlagen, die die vorgenannten Umschaltmöglichkeiten in besonderer Form geben, sind an sich, z. B. bei Trocknvngsanlagen, als mit Kreuzstrom ;arbeitende Plattenlufterhitzer bekannt, bei denen zur Regelung der Warmlufftemperatuuren die letzte Gruppe der Wärme,austauschkörper auf der Seite des. Lufteintritts an die vorgeschaltete Gruppe und gleichzeitig an eine zweite regelbare Zuführung der vor dem Lufterhitzer gegabelten Frischluftleitung @angeschlossen ist.- Die Erfindung besteht in der Anwendung einer solchen bekannten Wärmetauscherbauart zu Regelzwecken bei einer Gasturbinen@anlage der eingangs genannten Art.
  • Dabei ist die Anordnung so getroffen, saß, wenn die Turbinenanlage . unter normalen Teillastlaufbedingungen arbeitet, die Sätze von Wärmeaustauschorganen in Reihe miteinander verwendet werden können, während sie für Vollastbetrieb in Parallelschaltung zueinander benutzbar sind. Der Wärmeaustauscher besitzt derartige Größe, saß er bei Reihenschaltung der Sätze von Wärmeaustauschorganen mit dem günstigsten Wirkungsgrad für einen. vorgegebenen verringerten. Durchsatz arbeitet, der bei den normalen Teillastlaufbedingungen vorliegt; dennoch können die Sätze ih Paxallels.chaltung für Vollastbetrveb oder in der Nähe von Vollast derart verwendet werden, daß der Wäxietauscher einen .erhöhten Durchsatz au£zunehrcnen vermag.
  • Durch @die Anwendung der geseämtem Wärmetavschenanlage kann diese viel kleiner als sonst mit beträchtlicher Ersparnis an Gewicht und RausnbedaTf beimessen werden, was besonders für Luftfahrzeuge und sonstige Fahrzeuge von 'Bedeutung ist.
  • Die Vorrichtung zur Schaltung der Sätze von Wärmeaustauschorganen in Rdihen oder parallel zueinander besteht vorzugsweise aus ventilgesteuerten Kanälen; diese Ventile können dafür eingerichtet sein, sich selbsttätig und fortschreitend nach Maßgäbe der Zunahme -der Belastung über die normale Belastung zu öffnen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hard der Zeichnungen bieschrieben, und zwar zeigt Fig. i schematisch einen Querschnitt eines Wärmetauschers, wobei insbesondere die Einzelheiten seiner Luftseite und der angeschlossenen, -Kanäle und Regelventile dargestellt sind, Fig. z ;einen der Fig. i ähnlichen Schnitt, jedoch mit .den Ventilen in anderen Stellungen, Fig.3 :einen. Querschnitt nach einer im rechten Winkel zur Schnittebene' der Fig. i und z verl nffenden Ebene, wobei insbesondere die Einzelheiten der Auspuffseite des Wärmetauschers und die zugehörigen Kanäle und Regelventile dargestellt sind, und Fig. q. einen der Fig. 3 ähnlichen Schnitt, jedoch mit .den Ventilen in anderen Stellungen.
  • . Gemäß Fig. i und a besitzt der Wärmetauscher zwei Bänke oder Sätze bzw. Reihen io und i i von Wärmeaustau.schrohren, und zwar sind die Sätze nebeneinander angeordnet und durch eine Trennwand 12 voneinander getrennt. Von einer (nicht gezeichneten) Verdichterturbine herkommende v&-dichtete Luft wird dieser Luftseite des Wärmetauschers durch die Hauptleitung 13 zugeführt, die unmittelbar an der Vorderseite des Wärmetauschers@ in zwei Teilleitungen 1 ¢ und 15 aufgeteilt ist, _ wie deutlich ,aus: F b. z hervorgeht; die Aufteilung wird durch .einen. Vorsprung 16 -der Trennwand i z bewerkstelligt. Die Teilleitung 14 speist den Satz von Rohren io in. jedem Zeitpunkt, jedoch ist ein schwenkbares. Absperrventil 17 so vorgesehen, saß es aus der in Fig. i gezeigten Stellung, in .der e s die Teilleitung 15 von der Hauptleitung 13 .absperrt, in die in Fig. z gezeigte .Stellung gebracht werden. kann, in der die Teilleitung 15 zur Leitung 13 hin geöffnet ist und den Satz i i der Wärmeaus,tauschrohre speist.
  • Gemäß Fig. i schließt 'das Ventil 17 die- Teilleitung 15 von der Zufuhr verdichteter Luft ab, die demzufolge gezwungen wird, durch die Leitung 14 und den Satz io der Wärmetauscherrohre hinduTchzugtehen; dabei geht die Luft durch die Bohrunggen der Rohre und strömt von diesen in ,einen Überführungskanal 18, der beiden Sätzen io und II gemeinsam ist. Zwischen dem Überführungskanal 18 und einem anschließenden Auslaßkanal i9 ist ein zweites schwenkbares Absperrventil 2o vorgesehen, das in Fig. i in seiner Schließstellung gezeigt ist und dabei die Leitungen 18 und i9 voneinander trennt. Der von dem Satz io der Wärmetauscherrohre austretende Luftstroui wird daher gezwungen, in umgekehrter Richtung durch den zweiten Satz i i der Wärmetauscherrohre hindurchzugehen, wonach er in die Leitung 15 austritt. Diese Leitung 15 ist von der Hauptleitung 13 durch das Ventil 17 getrennt, das in dieser Schließstellung die Leitung 15 nach einem weiteren Austrittskanal21 hin öffnet. Die Auslaßleitungen 19 und 21 führen beide zur Hauptspeiseleitung 22, die den Luftstrom selbst-, verständlich zu der (nicht gezeichneten) BreTinkammer der Leistungsturbine führt, wobei der aus dem Satz i i der Wärmetauscherrohre austretende vorgewärmte Luftstrom durch die Leitungen 15 und 21 in. die Hauptspeiseleitung'22 führt. Der Verlauf der Luftströmung ist in Fig. i durch Pfeile angedeutet, und es ist ersichtlich, .daß die Strömung gezwungen ist, durch die Sätze i o und i i in Reihenschaltung hintereinander durchzugehen.
  • Gemäß Fig. 2 befinden sich beide Ventile 17 und 20 in ihrer Offenstellun:g, und während das Ventil 17 die Teilleitung 15 zur Hauptleitung 13 hin öffnet, trennt es zugleich die Leitungen 15 und 21 voneinander. Beeide Leitungen 14 und 15 stehen nun für den in, der Hauptleitung 13 strömenden Luftstrom offen, so daß dieser unterteilt wird und die Teilströme durch die Sätze io und i i des Wärmetauschers parallel zueinander hindurchgehen, sich im überführungskanal18 miteinander vereinigen, durch das offene Ventil 2o hindurch in die Auslaßleitung i9 übertreten und in die Hauptspeiseleitung 22 eintreten. Der Verlauf der Luftströmung ist in Fig. 2 durch Pfeile bezeichnet.
  • Fig. 3 und 4. zeigen die Auspuffseite des gleichen Wärmetauschers. Es ist ersichtlich, daß die Anordnung, im Prinzip derjenigen nach Fig. i und 2 gleicht. Die Hauptleitung 23 führt verbrannte Gase von der (nicht gezeichneten) Leistungsturbine zur Auspuffseite des Wärmetauschers; die Sätze io und i i sind in Fig. 3 in Reihenschaltung zueinander dargestellt und der Verlauf der Gasströmung ist durch Pfeile bezeichnet. Die Hauptleitung 23 teilt sich in, zwei Teilleitungen 24 und 25; die Leitung 24 steht gegen die Hauptleitung 23 stets offen, während die Leitung 25 einen Gasstrom nur zum Satz i i führt; diese, Leitung kann von der Hauptleitung 23 durch ein schwenkbares Absperrventil 26 abgesperrt werden. Die Teilleitung 24 führt zu einem Überführungskanal 27, der beiden -Sätzen i o und i i gemeinsam ist und gegen die Leitung 24 durch ein weiteres. schwenkbares Absperrventil 28 beschlossen werden kann.
  • In Fig.3 befindet sich das Ventil 26 in Ofbensroellung und. das andere Ventil 28 in Schließstellung, so daß der üb@erführungskana127 von dem Gasstram .abgesperrt ist, der daher nur in die Teil-Leitung 25 eintreten und von dieser durch den Satz 11 der Wärmetauscherrohre hindurch und in den Übtrführungskana127 tritt; von hier strömt er in umgekehrter Richtung durch den anderen Satz i o dien Wärm@etaus.cherrohre und ,aus diesen in die Hauptauspuffleitung 29.
  • Gemäß Fig. 4 befinden sich die beiden Ventile in umgekehrter Stellung wie in Fig. 3; das erste Ventil ist geschlossen und sperrt die Leitung 25 von denn eimtrömenden Gasstrom ab, während es zugleich die Leitung 25 gegen die Hawp.tauspurffleitung 29 öffne t. Das andere Ventil 28 befindet sich in Offiensbellung, in der .es den Überführungskanal 27 mit der 24 in Verbindung bringt, durch die der gesamte ankommende Gasstrom hindurchgeht. Der Gasstrom teilt sich in dem überführungskanal 27 in zwei Teile, die parallel zueinander durch die Sätze io und i i hindurchströnmen, wonach sie sich in d:ex Hauptauspuffleitung 29 vereinigen-.
  • Bei der Brennkraftturbinenanlage; die die vorstehend beschriebene Wärmetauscheranl.age enthält, ist der Wärmetauscher bei Reihenschaltung seiner Sätze oder Reihen von Wärm@eaustauschorganen für den Durchsatz bei normalen Laufbedingungen unter Teillast mit dem günstigsten Wirkungsgradeingerichtet. Für Betriebsbedingungen unter Vollast, oder mehr nach Volllast zu, werden die Sätze durch völliges Öffnen der Ventile 17, 20, 26 und 28 in Parallelschaltung verwendet. Es ist ersichtlich, daß. auf diese Weise .die Größe des für irgendeine Anlage benötigten Wärmetauschers sehr viel geringer gehalten werden kann als. sie bisher erforderlich war, wobei zugleich an Raum und. an Gewicht gespart wird.
  • Statt die Auspuffseite des Wärmnetauschers parallel zu schalten, wenn seine Luftseiten @so geschaltet sind, wobei sich ein Verlust an Wärmeaustauschwirkung ergibt, kann es mehr zu =empfehlen sein, die Austauschseiten in Reihenschaltung zu belassen und zu diesem Zweck -einen entsprechend größeren Durchtrittsraum .auf jeder dieser Auspuffseiten vorzusehen.. Auf diese Weinre wird ein günstigeres Maß von Wärmeaustausch auch sogar bei Vollast erzielt, und zwar 'mit einem verhältnismäßig kleinen Wärmetauscher, während dennoch -ein angemessen geringer Druckabfall sowohl auf der Luftseite als auf der Austauschseite des Wärmetauschers aufrechterhalten wird; es ergibt sich dabei keine Abnahme des Wirkungsgrades bis zu der vorgegebenen Teilbelastung und rein brauchbarer Wärmeaustausch bis zur Vollbelastung.
  • Zusätzlich kann die Erfindung in Fällen angewendet werden, in, denen es zweckmäßiger ist, die Sätze oder Reihen von Wärmeaustausrchorganen an der Auspuffseite des Wärmetauschers in Parallelschaltung zu belassen und :nur die Einlaßsätze von Reihenschaltung auf Parall@elbietrieb umzuscha<lben-, wenn die Belastung sich von Teillast zu Vollast ändert. Bei .einer Wärmetauscheranlage mit mehreren Reihen oder Sätzen von Wärmeaustauschorganren können unterschiedliche Grade des Wärmeaustausches durch geeignete Reihen- und P,arallelanordnung bzw. -schalturig der Sätze vorgesehen werden, um den vollen Wirkungsgrad des Wärmetauschers bis zu der vorgegebenen Teilbelastung und eine allmähliche Abstufung des Wärmeaustausc4es bis zu Volllast vorzusehen, wenn die Luftseiten aller Sätze parallel geschaltet sind.
  • Die die Reihen.- und/o:der Parallelschaltung regelnden: Ventile der Sätze von Wärmeaustausichorganen des Wärmetauschers können vorzugeweise bei jeder beliebigen: Aus£ührungsfiorm der Erfindung selbsttätig nach Maßgabe der Änderungen. der Belastungsbedngugige#r gesteuert werden, z. B. durch an sich bete Verbindung mechanischer Ventilsteuervorrichtungen mit den Regelvorrichtungen für den Turbinenbrenustoffzufluß. .

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Brnennkraftturbinenanlage, die nur während eins kleinen Bruchteils ihrer Be triiebsmt unter Vollast arbeiten soll, z. B. bei Flugzeugen. und Straßen.- oder Schienenfahrzeugen, dadufch ge- kennzeichnet, daß die Turbinenanlage eine Wärmetauscherandage an sich bekannter Art
    enthält, die aus zwei oder mehr voneinander getrennten Sätzen oder Reihen, (i o, i i) von Wärmeaustauschorganen besteht, und die an ihrer Luftseite und/oder Auspuffseite mit. Vorrichturvgen versehen ist, durch die die Sätze (i o, i r) entweder in Reihe oder parallel zueinander geschaltet werden können. z. Brennkraftturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Schaltung der Sätze (i o, r r) der Wärmeanstauschorganee in Reihe oder parallel. zueinagder aus durch Absperrventile (17, 2o, 26, 28) ;gesteuerten Strömungskanälen bestehen. 3: Brennkraftturbinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (17, 20, 26,28) selbsttätig derart steuerbar sind, daß, sie fortschreibend nach Maßgabe der Zunahme .der Belastung über die gewöhnlichen Belastungsverhältnisse geöffnet werden. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 468 734; ;schweizerische Patentschrift Nr. 213.662; französische Patentschrift Nr. 946128.
DEA16989A 1951-12-01 1952-11-30 Brennkraftturbinenanlage Expired DE941033C (de)

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