DEA0016989MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 29. November 1952 Bekanntgemacht am 6. Oktober 1955

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Erfindung bezieht sich auf Brennkrafttuirbmenanlagen, 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.

Wenn Fahrzeuge und Flugzeuge mit Brennkraftturbinen ausgerüstet sind, ist es erwünscht, aber gewöhnlich schwer zu bewerkstelligen, daß. zwischen dein Verdichter und der Brennkammer oder den Brenmkaimmern ein Wärmetauscher einiges ehaltet 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.

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 dann durch eine Seite eines Wärmetauschers beliebiger bekannter Bauart, der z. B. aus eine'm Satz von Rohren bestehen, kann, der durch ein ätißeres Gehäuse hindurchgeht, durch welches die heißen Turbinengase geleitet werden. Dabei werden diese Gase uim die Rohre herumgeleitet, um einen guten Wärmeaustausch zu gewährleisten. Die durch die WärmeaustauschcrrOihre hindurch -

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strömende verdichtete Luft wird vermöge der Wärmeleitung durcli die Rohrwandungen liiiidiirch vorgewärmt und Mröint dann in die brennkammer oder -kümmern, wo sie zufolge der Verbrennung des Hrennstolles weitere Wärme aufnimmt. Die die Brennkammern <>:';τ -kammer verlassenden Gase gelangen dann in der Turbine zur Expansion und leisten dort Nut/arbeit; sie verlassen die Turbine mit einem etwas über dein Atmosphäreiidrurk

ίο liegenden Druck. Statt unmittelbar zum Auspuff können die heißen Abgase direkt durch Leitungen zur anderen Seite des Wärmetauschers geleilet werden, wo sie, wie zuvor beschrieben, um die von I.ult durchströmten Rohre licrumströinen; nachdem sie dort einen großen Teil ihrer Wanne 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 Wärmeaustauscher vorzunehmen, ist mit gutem Erfolg für Brcnnkrafllurbiucnanlagen bei Kraftwerken und ähnlichen stationären Anlagen angewendet worden. Soll dieses Wärinctauschersysteni jedoch auf Brcmikraftturbinen bei Flugzeugen oder sonstigen Fahrzeugen nach dem (iesicliispiinkt der Ersparnis von Brennstoff, (!■(•wicht und Platz angewendet werden, so ergeben sich sehr beträchtlich einschränkende Bedingungen:

im allgemeinen machen das Gewicht und die Größe eines Wärmetauschers, wie er für Vollastverkältnisse benötigt wird, seine Anwendung dann im Wert sehr zweifelhaft.

Geniäf'j der Erfindung ist zur Überwindung dieser Schwierigkeiten lür eine Breniikraltturbiiienanlage (!■er eingangs genannten Art, eine Wärmetauscher- j anlage vorgesehen, die aus zwei oder mehr Sätzen oder Reihen von Wärmeaustauschorganen besteht und auf der Luftseile oder auf der Auspullseite oder

4(ι vorzugsweise aiii beiden Seiten Vorrichtungen aulweist, durch die dii -e Sätze oder Reiben entweder in Reihenschaltung oder in Parallelschaltung zueinander in Betrieb gesetzt werden können.

Wärmelausclierankigcn, die die vorgenannten I Imsehaltinöglichkeiten in besonderer Form geben, sind an sich, z. B. bei Trocknungsanlage!), als mit Kreuzslrom arbeitende Plaltenhifierhitzer bekannt, bei denen zur Regelung der Warmlul (temperature)) die letzte Gruppe der Wärmeaustauschkörper auf

5« 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 Wärmelauscherbauart zu Regelzwecken bei einer Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art.

Dabei ist die Anordnung so getrollen, daß, wenn die Turbineiianlage unter normalen Teillastlaufbcdingungen arbeitet, die Sätze von Wärmcaus-

Gn tauschorganen in Reihe miteinander verwendet werden können, während sie für Vollastbetrieb in Parallelschaltung zueinander benutzbar sind. Der Wärmeaustauscher besitzt derartige.¹ Größe, daß er bei Reihenschaltung der Sätze von Wärmeaustausch- ' Organen mit dem günstigsten Wirkungsgrad für einen vorgegebenen verringerten Durchsatz arbeitet, der bei den normalen Teillastlaufbcdiiiigungen vorliegt; dennoch können die Sätze in Parallelschaltung für Vollastbetrieb oder in der Nähe von Vollast derart verwendet werden, daß der Wärmetauscher einen erhöhten Durchsatz aufzunehmen vermag.

Durch die Anwendung der gesamten Wärmctauscheranlage kann diese viel kleiner als sonst mit beträchtlicher Ersparnis an Gewicht und Raumbedarf bemessen werden, was besonders für Luftfahrzeuge und sonstige Fahrzeuge von'Bedeutung ist.

Die Vorrichtung zur Schaltung der Sätze von Warmcaustauscliorgaive.il in Reihen oder parallel zueinander bestellt vorzugsweise aus ventilgesteuerten Kanälen; diese Ventile können dafür eingerichtet sein, sich selbsttätig und fortschreitend nach Maßgabe der Zunahme der Belastung über die normale Belastung zu öffnen.

Ausführungsbeispielc der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnungen beschrieben!, und zwar zeigt

Fig. ι schematisch einen Querschnitt eines Wärmetauschers, wobei insbesondere die Einzelheiten seiner Luftseite und der angeschlossenen; Kanäle und Regelventile dargestellt sind,

Fig. 2 einen der Fig. 1 ähnlichem Schnitt, jedoch mit den Ventilen in anderen Stellungen,

Fig. 3 einen Querschnitt nach einer im rechten. Winkel zur Schnitlebenc der Fig. 1 und 2 verlaufenden Ebene, \vobei insbesondere die Einzel- !leiten der Auspullseite des Wärmetauschers und die zugehörigen Kanäle und Regel ventile dargestellt sind, und

Fig. 4 einen der Fig. 3 ähnlichen Schnitt, jedoch mit den Ventilen in anderen Stellungen.

Gemäß Fig. 1 und 2 besitzt der Wärmetauscher zwei Bänke oder Sätze bzw. Reihen 10 und 11 von Wärmeaustauschrohren, und zwar sind die Sätze nebeneinander angeordnet und durch eine Trennwand 12 voneinander getrennt. Von einer (nicht gezeichneten) Verdichterturbine herkommende verdichtete Luft wird dieser Luftscite des Wärmetauschers durch die Hauptleitung 13 zugeführt, die unmittelbar an der Vorderseite des Wärmetauschers in zwei Teilleitungen 14 und 15 aufgeteilt ist, wie tio deutlich aus Fig. 2 hervorgeht; die Aufteilung wird durch einen Vorsprung" 16 der Trennwand 12 bewerkstelligt. Die Teilleitung 14 speist den Satz von Rohren 10 in jedem Zeitpunkt, jedoch ist ein schwenkbares Absperrventil 17 so vorgesehen, daß es aus der in Fig. 1 gezeigten Stellung, in der es die Teilleitung 15 von der Hauptleitung 13 absperrt, in die in Fig. 2 gezeigte Stellung gebracht \\'crden kann, in der die TcilleiUing 15 zur Leitung 13 hin geöffnet ist und den Satz 1 1 der Wärmeaustauschrohre speist.

Gemäß Fig. 1 schließt das Ventil 17 die Tcilleitungij von der Zufuhr verdichteter Luft ab, die demzufolge gezwungen wird, durch die Leitung 14 und den Satz 10 der Wärmetauscherroibre hindurchzugchen; dabei geht die Luft durch die.Boh-

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" rangen der Rohre und strömt von diesen in einen Überführungskanal 18, der beiden Sätzen ι ο und 11 gemeinsam ist. Zwischen dem Überfü'hrungskanal 18 und einem anschließenden Auslaßkanal ig ist ein zweites schwenkbares Absperrventil 20 vorgesehen, das in Fig. 1 in seiner Schließstellung gezeigt ist und dabei die Leitungen 18 und 19 voneinander trennt. Der von dem Satz 10 der Wärmetauscherrohre austretende Luftstrom wird daher gezwungen, in umgekehrter Richtung durch den zweiten Satz 11 der Wärmetauscherrohre hindurchzugehen, wonach er in die Leitung 1S austritt. Diese· Leitung 15 ist von der Hauptleitung 13 durch das Ventil 17 getrennt, das in dieser Schließstellung die Leitung 1 5 nach einem weiteren Austrittskanal 21 hin öffnet. Die Auslaßleitungen 19 und 21 führen beide zur Hauptspieiseleitung 22, die den Luftstrom selbstverständlich zu der (nicht gezeichneten) Brennkammer der Leistungsturbine führt, wobei der aus dom Satz 11 der Wärmetauscherrohre austretende vorgewärmte Luftstrom durch die Leitungen 15 und

21 in die Häuptspeiseleitung 22 führt. Der Verlauf der Luftströmung ist in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet, und es ist ersichtlich, daß die Strömung gezwungen ist, durch die Sätze 10 und 11 in Reihenschaltung hintereinander durchzugehen. '. '. \ Gemäß Fig. 2 befinden sich beide Ventile 17 und 20 in ihrer Offenstellung, und während das Ventil 17 die Teilleitung 15 zur Hauptleitung 13 hin öffnet, trennt es zugleich die Leitungen 1S und 21 voneinander. Beide 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 ι ο und 11 des Wärmetauscher« parallel zueinander hindurchgehen, sich im Überführungskanal 18 miteinander vereinigen, ■durch das. offene Ventil 20 hindurch in die Auslaßleitung 19 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. 1 und 2 gleicht. Die Hauptleitung 23 führt verbrannte Gase vom der (nicht gezeichneten) Leistungsturbine zur Auspuffseite des Wärmetauschers; die Sätze 10 und 11 sind in Fig. 3 in Reihenschaltung zueinander dargestellt und der Vierlauf der Gasströmung ist durch Pfeile bezeichnet. Die Hauptleitung 23 teilt sich in zwei Teilleituogen 24 und 25; die Leitung 24 steht gegen die Hauptleitung 23 stets offen, während die Leitung 2 5 einen Gasstrom nur zum Satz 11 führt; diese Leitung kann von der Hauptleitung 23 durch ein schwenkbares Ab sperr ventil 26 abgesperrt werdein. Die Teillei rung 24 führt zu einem Überführungskanal 27, der beiden Sätzen 10 und 11 gemeinsam ist und gegen die Leitung 24 durch ein weiteres· schwenkbares Absperrventil 28 gieischloissen werden kann.

In Fig. 3 befindet sich das Ventil 26 in Offenstellung und das andere Ventil 28 in Schließstellung, si© daß deir Überführungskanal 27 von dem Gasstrom abgesperrt ist, der daher nur in die Teil-Iedtunig2 5 eintreten und von dieser durch den Satz i ι der Wärmetauscherrohre hindurch und in den Überführungskanal 27 tritt; von hier strömt er in umgekehrter Richtung durch den. anderen Satz 10 der Wärmetauscherrohre und aus diesen in die Hauptauspuffleitung 29.

Gemäß Fig. 4 befinden sich die beiden Ventile in uimgekehrter Stellung wie in Fig. 3; das erste Ventil ist geschlossen und sperrt die Leitung 2 5 von detm einströmenden Gasstrom ab, während es zugleich die Leitung 25 gegen die Hauptauspuff leitung 29 öffnet. Das andere Ventil 28 befindet sich in OffieniStellunig, in der es den Überführungskanal 27 mit der Teilleitung 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 ι ο und 11 hindurchströmen, wonach sie sich in der Hauptauspuffleitumg 29 vereinigein.

Bei der Brennkraftturbinenanlage, die die vorstehend beschriebene Wärmetauscheranlage¹" enthält, ist der Wärmetauscher bei. Reihenschaltung seiner Sätze oder Reihen von Wärmeaustauschorganen für den Durchsatz bei aiOrmalen Laufbedingungen unter Teillast mit dem günstigsten Wirkungsgrad eingerichtet. Für Betriebsbedingungen unter Vollast, oder mehr nach Vollast 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 Auspuff.se.ite des Wärmetauschers parallel zu schalten, wenn seine Luftseiten so. geschaltet sind, wobei sich ein Verlust an Wärmeaustauschwirkung ergibt, kann es mehr zu empfehlen Siein, die Austauschseiten in Reihenschaltung zu belassen und zu diesem Zweck einen entsprechend ■größeren Durchtrittsraum auf jeder dieser Auspuff seiten , vorzusehen. Auf diese Weise wird ein günstigeres Maß von Wärmeaustausch auch sogar bei VoIIa₁St erzielt, und zwar mit einem verhältnismäßig kleinen Wärmetauscher, während dennoch ein angemessen geringer Druckabfall sowohl auf der Luftseite als auf der Austauechseite des Wärmetauschers aufrechterhalten wird; es ergibt sich dabei keine Abnahme des Wirkungsgrades bis zu der vorgegebenen Teilbelastung und ein brauchbarer Wärmeaustausch bis zur Vollbelastung.

Zusätzlich kann die Erfindung in Fällen angewendet werden, in denen es zweckmäßiger ist, die Sätze oder Reihen von Wärmeaustauschorganen an der Auspuffseite des Wärmetauschers in Parallelschaltung zu belassen und nur die Einlaßsätze von Reihenschaltung auf Parallelbetrieb umzuschalten, wenn die Belastung sich von Teillast zu Vollast ändert. Bei einer Wärmetauseheranlage mit mehreren Reihen oder Sätzen von Wärmeausitauschorganen können unterschiedliche Grade des, Wärmeaustausches durch geeignete Reihen- ttnd Parallelanordnung bzw. -schaltung der Sätze vorgesehen

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Claims (3)

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   werden, um den vollen Wirkungsgrad des Wärmelauschers bis zu der vorgegebenen Teilbelastung und eine allmähliche Abstufung des Wärmeaustausches bis zu Vollast vorzusehen, wenn die Luitseiten aller Sätze parallel geschaltet sind.

   Die die Reihen- und/oder Parallelschaltung regelnden Ventile der Sätze von Wärmeaustausehorgaiw'ii des Wärmetauschers können vorzugsweise bei jeder beliebigen Ausführungsform der Erfindung selbsttätig nach Maßgabe der Änderungen eier üelastungsbedingungen gesteuert werden, z. Ii. durch an sich bekannte Verbindung mechanischer Ventilsteuervorrichtungen mit den Regelvorrichtungen für den Turbincnbrennstoffzu 11 uli.

   P A T K N T A N S P Π 0 C H E:

   l. Brennkraftturbincnanlage, die nur während eines kleinen Bruchteils ihrer Betriebszeit unter Vollast arbeiten soll, z. B. bei Flugzeugen und Straßen- oder Schienenfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenanlagc eine Wärmetauscheranlage an sich bekannter Art enthält, die aus zwei oder mehr voneinander getrennten Sätzen oder Reihen (io, ii) von Wärmeaustauschorganen besteht, und die an ihrer Luftseite und/oder Auspuffseite mit Vorrichtungen versehen ist, durch die die Sätze (10, 11) entweder in Reihe oder parallel zueinander geschaltet werden können.
2. 2. Brennkraftturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Schaltung der Sätze (io, ii) der Wärmeaustauschorgane in Reihe oder parallel zueinander aus durch Absperrventile (17,20,26,28) gesteuerten Strömungskanälen bestehen.
3. 3. Brennkraftturbinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (17, 20, 26,28) selbsttätig derart steuerbar sind, daß sie fortschreitend nach Maßgabe der Zunahme der Belastung über die gewöhnlichen Belastungsverhältnisse geöffnet werden.

   Angezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 468734;
   schweizerische Patentschrift Nr. 213 662;
   französische Patentschrift Nr. 946 128.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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