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Brennkraftturbinenanlage Die Erfindung bezieht sich auf Brennkraftturbinenanlagen,
die mit voller Belastung nur über einen kleinen Prozentsatz der Betriebszeit laufen
sollen, und zwar insbesondere auf Brennkraftturbinenanlagen dieser Art für Flugzeuge
oder für Straßen- oder Schienenfahrzeuge.
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Wenn Fahrzeuge und Flugzeuge mit Brennkraftturbinen ausgerüstet sind,
ist es erwünscht, aber gewöhnlich schwer zu bewerkstelligen, daß zwischen dem Verdichter
und der Brennkammer oder den Brennkammern ein 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 Wärmetauscher geleitet werden,
bevor sie nach außen abgegeben werden.
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Brei einer derartigen Einrichtung wind die in den Verdichter eingeführte
Luft durch diesen Verdichter verdichtet und demzufolge in gewissem Maße @erhitzt;
sie strömt dann durch eine Seite eines Wärmetauschers beliebiger bekannter Bauart,
der z. B. aus einem Satz von Rohren bestehen kann, der durch
ein
äußeres Gehäuse hindurchgeht, durch welches die heißen Turbinenabgase geleitet werden.
Dabei werden diese Gasse um die Rohre herumgeleitet,, um einen guten Wärmeaustausch
zu gewährleisten. Die durch die Wärmeaustauscherrohre hirndurchströmende, verdichtete
Luft wird vermöge der Wärmeleitung durch. die Rohrwandungen hindurch vorgewärmt
und strömt dann in die Brennkammer oder -kamnnern, wo sie zufolge der Verbrennung
des Brennstoffes weitere Wärme aufnimmt. Die die Brennkammer oder -kammern 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 Wärmetauschers 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 gleichwertigeErsparnis an Brennstoff reit sich.
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Diese - allgemein bekannte Maßnahme, die verdichtete Luft in einem
Wärmetauscher vorzuwärmen, kann ,mit gutem Erfolg bei Kraftwerken und ähnlichen
,stationären Anlagen angewendet werden. Soll diese Wärm-etauscher-Vorrichtung jedoch
auf Brennkraftturbinen bei Flugzeugen oder sonstigen Fahrzeugen nach dem Gesichtspunkt
der Ersparnis von Brennstoff, Gewicht und Platz .angewendet werden, so ergeben sich
sehr beträchtliche 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.
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Die Erfindung geht aus von einer bekannten Brennkraftturbin@e mit
einem Wärmetauscher, der einerseits auf- der sogenannten Luftseite von Verbrennungsluft
für eine Brennkammer, andererseits auf der sogenannten Auspuffseite vom Auspuffgas
einer Turbine durchströmt wird; dabei ist für die eine und/oder die andere Seite
eines Wärmetauschers eine bzw. je eine mit Regelvorrichtung versehene Unngehungsleitung
vorgesehen, durch die ein Teil der Luft bzw. däs Gases am Wärmetauscher vorbei zur
Brennkammer bzw. zum.Auspudf gelangen kann. Bei der bekannten Anlage dient die mit
Regelvorrichtung versehene Umgehungsleitung vor allem dazu, bei Belastungsänderungen
im abnehmenden Sinne die Menge des durch den Wärmetauscher geführten .frischen Arbeitsmittels
vorübergehend in demselben Sinn wie die Belastung zu ändern, bis der Wärmeaustauscherseinen
der neuen Belastung entsprechenden stationären Zustand erreicht hat, wonach der
Durchsatz in entgegengesetztem Sinn b@aein$ußt wird. Dabei ist der Wärmneaustauscher
für den maximalen Durchsatz an Luft und/oder Gas hei voller Belastung bemessen und
ausgelegt. Die bekannte Anlage zeigt also die schon vorstehend genannten Mängel,
wenn man sie für Fahrzeugbetrieb oder ähnliche Belastungsfälle anwenden wollte.
-Demgegenüber bezweckt die Erfindung die Vermeidung solcher Mängel, wenn eine Brennkraftturbinenanlage
der vorgenannten Art mit voller Belastung nur über einten kleinen Prozentsatz der
Betriebszeit laufen, für den größten Teil der Betriebszeit der Turbine aber nur
unter Teillast arbeiten soll; wie es insbesondere bei Brennkraftturbinenanlagen
für Flugzeuge und sonstige Fahr-« zeuge der Fall 'ist.
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Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Wärmetauscher
nur für einen reduzierten. Durchsatz an Luft und/oder Gas bemessen oder ausgelegt
ist, welcher der bei Luftuni sonstigen Fahrzeugen und ähnlichen Anwendungsgebieten
für den größten Teil der Betriebszeit auftretenden Teillast entspricht und daß bei
vorübergehendem Betrieb mit höherer Last als der Auslegungsteillast der überschuß
des Durchsatzes durch die Unugehungsleitung(en) strömt.
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Würde der Wärmetauscher luft- oder abgasseitig ohne Verwendung einer
Umgehungsleitung einfach entsprechend der Teillast bemessen., so würde er bei Vollast
nur mit außerordentlich schlechtem Wirkungsgrad arbeiten; denn dann würden sich
luftuni: ;abg,asseitig Druckverluste ergehen. Duzchdie erfindungsgemäße Verwendung
der an sich bekannten Umgehungsleitung in diesem Zusammenhang wird aber erreicht,
daß der Di`wckabfall im Wärmetauscher auf einem Wert gehalten wird, wie er für einen
guten Wärmeaustauschwirkungsgrad erforderlich ist.
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Eine derartige Umgehungsleitung kann mittels des in ihrem Kanal .oder
an ihrer Öffnung in an sich bekannter Weise vorgesehenen Regelorgans je nach Bedarf
in .oder außer Betrieb gesetzt werden. Selbstverständlich bringt diese Umgehung
des- Wärmetauschers in; der Umgehungsleitung Beinen viel geringeren Druckabfall
mit sich als im Wärmetauscher, wenn mon nicht besondere Maßnahmen trifft; dehngemäß
kann man, wenn die Umgehungsleitung geöffnet ist, dis Druckdifferenz im Wärmetauscher
dadurch ungefähr auf dem für den gewöhnlichen Teillasthetrieb berechneten Wert halten,
d4ß die Regelvorrichtungen in der Umgehungsleitung bzw. in den Umgehungsleitungen
in an sich bekannter Weise zugleich Drosselorgane für die Strömung sind. Obgleich
im Falle einer ungedrosselten Umleitung der Wärmeaustausch geringer wäre, ergibt
sich doch auch in diesem Falle noch ein Gewinn durch den. Umstand, daß in der durch
den: Wärmetauscher :und die parallel liegende Umleitung gegebenen Anordnung sich
ein sehr geringer Dnuclcabfall und demzufolge bei Vollast eine größare maximale
Leistung einstellt.
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An Hand der Zeichnung werden Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise
dargestellt, und zwar neigt Fig. i schematisch einen Plan einer Brennkraftturbinenanlage
mit einem Wärmetauscher, Fig.2 eine Einzeleinsicht zur Därstellung der einen Seite
des Wärmetauschers mit einer Umleitung, die mit Drosselorganen für die Strömung
ausgerüstet ist..
Gemäß Fig. i wird dem Verdichter i o Luft zugeführt,
die durch ihn verdichtet und dann durch die Leitung i i der Luftseite des Wärmetauschers
12 zugeleitet wird; :hiernach durchströmt sie das Rohrsystem 13, das die Luftseite
des Wärmetauschers, bildet und wird in diesen Rohren vorgewärmt, bevor sie durch
die Leitung 14 in die Brennkammer 15 eintritt, wo sie weitere Wärme zufolge der
Brennstoffverbrennung aufnimmt. Die die Brennk2mmer 15 verlassenden verbrannten
Gase expandieren in der Turbine 16 unter Leistung von Nutzarbeit und Antrieb der
Welle 17, die nicht nur die Abtriebswelle für die Leistungsabgabe bildet, sondern
außerdem in an sich bekannter Weise den Verdichter i o antreibt.
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Die vorn der Turbine 16 kommenden Auspuffgase werden durch die Leitung
18 der anderen Seite des Wärmetauschers 12 zugeleitet und beim Eintritt in dessen
Gehäuse zur Umspülung der von Luft durchströmten Rohre 13 gebracht; nach Abgabe
ihrer Wärme strömen sie durch die Leitung i9 in die Atmosphäre ab.
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Bei einer üblichen Anlage würde die vorstehend beschriebene Wärmetauscher-Vorrichtung
mit solcher Leistungausgelegt sein, d:aß sie den maximalen Durchsatz bewältigt,
der bei Vollastbetrieb auftritt; gemäß der Erfindung ist der Wärmetauscher 12, wie
er in Fig. i gezeigt ist, jedoch nach Gewicht und Größe auf beiden Seiten lediglich
für den verringerten Durchsatz ausgelegt, der sich bei den üblichen Tefllastbedingungen
ergibt, unter denen die Turbine -für -den größten Teil ihrer Betriebszeit arbeitet.
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Auf der Luftseite verbindet eine Leitung 2o die Leitung i i unmittelbar
mit der Brennkammer 15, so daß die Leitung 2o parallel zur Luftseite des Wärmetauschers
12 liegt und als Umleitung für den Wärmetauschers arbeiten kann; sie vermag dann
an die Brennkammer jeglichen überschuß an Durchsatz abzugeben, für den die Luftseite
des WärmetauSchers nicht berechnet ist. Regelvorrichtungen, die durch das Rechteck
2 i angedeutet sind, sind in der Leitung 2o vorgesehen und können aus irgendeinem
geeigneten Mechanismus bestehen; der die Umleitung 2o nach Bedarf in oder außer
Betrieb setzt; Beispiele hierfür werden weiter untere beschrieben. In gleicher Weise
verbindet eine Leitung 22 an der Auspuffseite des Wärmetauschers 12 die Leitung
18 unmittelbar mit der Leitung i g, so daß die Leitung 22 parallel zur Auspuffseite
des Wärmetauschers 12 liegt und um den Wärmeta:uschef herum jeglichen überschuß
an Durchsatz direkt in die Atmosphäre zu leiten vermag, für den die Auspuffseite
des Wärmetauschers nicht ausgelegt ist.
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Das Rechteck 2i in der Leitung 22 bezeichnet ähnliche Regelvorrichtungen,
wie sie vorstehend für die Unl:eztung 2o der Luftseite des Wärmetauschers erwähnt
wurden.
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Während vorstehend und in dem gezeichneten Schema beide Seiten des
Wärmetauschers für den verringerten Durchsatz bei üblichen T:eillastverhältnissen
ausgelegt sind, könnte der Wärmetauscher auch so gebaut sein, daß die Auspuffseite
dem vollen. Durchsatz bei Vollast entspricht und genügt und nur seine Luftseite
eine Umleitung aufweist, oder umgekehrt nur seine Auspuffseite und nicht die Luftseite.
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Fig. 2 zeigt schematisch die eine Seite des Wärmetauschers 12 (und
zwar könnte es jede der -beiden Seiten sein). Die Bahn der Gasströmung durch den
Wärmetauscher geht von der Leitung 23 in den Wärmetauscher 12 hinein und von dort
durch die Leitung 2 ¢ weiter. Die Leitung 2 5 ist erhie Umleitung, die eine Regelvorrichtung
21 enthält. Die . Leitung 2 5 ist mit einer Venturi-Auslaßdüse versehen, die in,
seiner Venturi-Einsühnürung 27 der Leitung 2:1 angebracht ist. Dies ist eine Anordnung,
die den Verlust an Druckabfall durch den Wärmetauscher hindurch ändert, der .auftreten
würde, wenn die Umleitung im Betrieb nicht irgendwie gedrosselt würde; beim Betrieb
bringt der Gasstrahl, der von der Düse 26 der Umleitung 25 in die Venturi-Einschnürung
27 austritt, eine Zunahme an Geschwindigkeit des umgeleiteten Gases in der Düse
26 auf Kosten. des Druckabfalles in der Umleitung mit sich, und gleichzeitig teilt
dieser Strahl etwas von seiner Energie dem Gas mit, das aus dem Wärmetauscher in
die Leitung 24 austritt, so daß eine gemei.ame Geschwindigkeit der sich mischenden
Gase herbeigeführt wird, die in gewissem Grade in das allmählich sich ausdehnende
Rohr 28 hineinärffundieren und hierdurch etwas von dem D@ruekabfall zurückgewinnen,
der notwendig ist, um das Gans durch den Wärmetauscher 12 hindurchzuzwängen. Bei
diesem Verfahren tritt nur ein Minimum von Druckverlust auf, während deT Wärmetauscher
12 doch mit dem größtmöglichen Vorteil benutzt wird, selbst bis zur maximalen Laufbelastung.
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Die Regelvorrichtung für die Umleitung, die in. bekannter Weise z.
B. .als mutig oder außermittig gelagerte Drosselklappe ausgebildet sein kann, wird
vorzugsweise selbsttätig in irgendeiner geeigneten Weise und nach Maßgabe der Arbeits-
und Bela:stung sbiedingungen der -'urbine gesteuert und wird schließlich unterhalb
der normalen oder Teillastbedingungen vollständig geschlossen, für die der Wärmetauscher
gebaut ist.
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im Falle, daß mehr als ein Wärmetauscher verwendet wird und die Wärmetauscher
in Reihe geschaltet werden, kann das Arbeitsprinzip der Erfindung stufenweise angewendet
werden; sind z. B. zwei oder mehr Wärmetauscher in Reihe geschaltet, so können im
vorstehenden Sinn einer oder mehrere dieser Wärmetauscher für reduzierten Durchsatz
ausgelegt und mit einer bzw. je einer regelbaren, Umgehungsleitung für Luft und/oder
Gas verseben. sein. Dabei kann man dann erst den einen Wärmetauscher mit einer Umleitung
umgehen und dann beide Wärmetauscher umgehend, d. h. es kann nach Bedarf :ein überschuß
an Durchsatz entweder nur an einem oder an mehreren vorbeigeleitet werden. Diese
vorgenannte Anordnung kann entweder nur auf die Luftseite oder nur auf die Auspuffseite
oder auf beide Seiten des Wärmetauschers angewendet
werden,
je nachdem, wie es die Planung einer Anlage im Einzelfall erfordert.