SE535434C2 - Indirekt eldat gasturbinsystem - Google Patents

Indirekt eldat gasturbinsystem Download PDF

Info

Publication number
SE535434C2
SE535434C2 SE1051322A SE1051322A SE535434C2 SE 535434 C2 SE535434 C2 SE 535434C2 SE 1051322 A SE1051322 A SE 1051322A SE 1051322 A SE1051322 A SE 1051322A SE 535434 C2 SE535434 C2 SE 535434C2
Authority
SE
Sweden
Prior art keywords
combustion chamber
gas turbine
turbine system
heat exchanger
gas
Prior art date
Application number
SE1051322A
Other languages
English (en)
Other versions
SE1051322A1 (sv
Inventor
Stefan Larsson
Anders Lindstroem
Hansi Kobes
Original Assignee
Redian Ab
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Redian Ab filed Critical Redian Ab
Priority to SE1051322A priority Critical patent/SE535434C2/sv
Priority to JP2013544431A priority patent/JP5955858B2/ja
Priority to BR112013015184-6A priority patent/BR112013015184B1/pt
Priority to PCT/SE2011/051519 priority patent/WO2012082062A1/en
Priority to US13/994,987 priority patent/US9181871B2/en
Publication of SE1051322A1 publication Critical patent/SE1051322A1/sv
Publication of SE535434C2 publication Critical patent/SE535434C2/sv

Links

Classifications

    • 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
    • F02C1/00Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • 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
    • F02C1/00Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F02C1/05Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly characterised by the type or source of heat, e.g. using nuclear or solar energy
    • 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
    • F02C1/00Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F02C1/05Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly characterised by the type or source of heat, e.g. using nuclear or solar energy
    • F02C1/06Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly characterised by the type or source of heat, e.g. using nuclear or solar energy using reheated exhaust gas
    • 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
    • F02C1/00Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F02C1/10Closed cycles
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00Geometry
    • F05D2250/80Size or power range of the machines
    • F05D2250/82Micromachines
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

P 10-016117 SAM MAN DRAG Föreliggande uppfinning avser ett indirekt eldat gasturbinsystem innefattande enbrännkammare (3) som sträcker sig längs med en centralaxel hos gasturbinsystemet,för förbränning av komprimerad luft och tillfört bränsle varigenom rökgas bildas, enturbin (2) som drivs av ett arbetsmedium, en kompressor (1) vridbart kopplad tillturbinen för att komprimera arbetsmediet och/eller luft till brännkammaren och enförsta värmeväxlaranordning (8) för överföring av värme mellan rökgasen ocharbetsmediet. Den första värmeväxlaranordningen och brännkammaren är integreratutformade som en monolitisk enhet, varvid den första värmeväxlaranordningen ärhuvudsakligen anordnad inom brännkammarens axiella utbredning längs medcentralaxeln. Genom den integrerade konstruktionen av brännkammaren och denförsta värmeväxlaranordningen uppnäs ett kompakt, indirekt eldat gasturbinsystem med hög verkningsgrad.

Description

535 434 den förbränns tillsammans med tillfört bränsle. Den genom förbränning bildade vanna rökgasen tillåts sedan expandera genom ett eller flera turbinsteg där den avger därmed sin energi. Turbinsteget är oftast vridbart kopplat till kompressorsteget för att drlva detta, men kompressorsteget kan även drivas av en separat motor eller annan energikälla. l idealfallet är kompressionen och expansionen isentropiska processer, dvs. entropin i systemet förblir konstant. På gnmd av energiförluster genom kompressom och turbinen i en verklig gasturbin, är dock dessa processer adiabatiska. Kompression och expansion sker så snabbt att det i princip inte förekommer någon värmeöverföring till eller från arbetsmediet. När trycket ökar genom komprimering sker adiabatisk uppvärmning och arbetsmedlet, l detta fall den indragna omgivningslufien, värms upp. Adiabatisk kylning inträffar då trycket minskar genom expansion i turbinen. Delar av denna avgivna värme kan utvinnas i form av arbete för att driva turbinen. Med högre verkningsgrad, kan en större andel av värrneenergin utvinnas.
En mikroturbin är, som namnet anger, en llten snabbgående gasturbin som uppvisar lägre tryck och temperatur i brännkammaren, jämfört med en större gasturbin. En mikroturbin har typiskt en utvecklad effekt l intervallet 50-500 kW och en storlek pá omkring 3 kubikmeter med en totalvikt pà 2 ton eller mer.
Som bränsle för att driva en gasturbln används vanligtvis olika fossila bränslen som naturgas (metan, propan), bensin, diesel, eldningsolja, gasol och rötslam eller icke- fossilt bränsle som biogas, biodiesel och E85 (en blandning av ca. 85% etanol och ca. 15% bensin). l praktiken används övervägande naturgas som har lägst utsläppsvärden. Även biobränslen i fast fonn, såsom träpellets, vass, strå eller gräs har utpekats som kandidater, men är förknippade med nackdelen att rökgasen och förbränningsprodukterna från brännkammaren kan förorsaka förorening och nedsmutsning av turbinbladen när de passerar turblnsteget, vilket kan öka energiförlusterna och därigenom sänka gasturblnens verkningsgrad. Turbinbladen riskerar även att utsättas för kemisk påverkan i form av korrosion, beroende på vilket bränsle som används. 535 434 Därför är det önskvärt att l gasturbiner eldade med fast biobränsle använda ett arbetsmedium, även kallat expansionsgas eller turbinluft, som är skilt från rökgasen. l en sákallad indirekt eldad arbetscykel överförs värme fràn rökgasen till expanslonsgasen med hjälp av en vänneväxlare, varvid dessa medium hålls fysiskt åtskilda.
WO 03093665 beskriver en indirekt eldad mikroturbin som utnyttjar Braytoncykeln i en gasturbin med separata kretslopp för rökgas och expansionsgas. Brânnkammaren är placerad på avstånd från värmeväxlaren, varvid rökgasen leds fràn brännkammaren till värmeväxlaren där dess värme överförs till det komprimerade arbetsmediet från kompressom.
Andra exempel på indirekt eldade (mlkmgasturbiner ges av GB 2 402 172. FR 2 913 724 och US 2008/0041057.
WO 02/39045 beskriver ett direkt eldat gasturbinsystem som uppvisar en ringformad rekuperator för överföring av värme mellan turbinavgas och förbränningsluft, med en kompressor, en brännkammare och en turbln anordnade inom rekuperatoms inre diameter.
GB 2 420 382 beskriver ett indirekt eldat gasturbinsystem som uppvisar en värmeväxlare belägen inuti en brännkammare.
En nackdel med den kända tekniken är att de ofta har en låg verkningsgrad på gnind av energiförluster i gasturblnsystemet pà expansionsgasens och/eller rökgasens väg från kompressom via brännkammaren och värrneväxlaren till turbinen, vilket bidrar till att sänka verkningsgraden.
En annan nackdel med denna typ av konstmktlon är att den kräver ett förhållandevis stort utrymme, något som förhindrar integrering i till exempel fordon av personbilstyp eller andra system med krav på kompakthet.
Det finns därför ett behov av att utveckla kompakta, indirekt eldade gasturbiner med hög verkningsgrad. 535 434 Sammanfattning Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett kompakt, indirekt eldat gasturbinsystem med hög verkningsgrad, som kan användas för drift av exempelvis fordon med biobränsle i fast form.
Detta uppnås med ett indirekt eldat gasturbinsystem enligt patentkrav 1, innefattande en brännkammare som sträcker sig längs med en oentralaxel hos gasturbinsystemet, för förbränning av luft och tillfört bränsle varigenom rökgas bildas, en turbln som drivs av ett arbetsmedium, en kompressor vridbart kopplad till turbinen för att Komprimera turbinens arbetsmedium och/eller luft till brännkammaren och en första värmeväxlaranordning för överföring av värme mellan rökgasen och arbetsmediet, varvid den första värmeväzdaranordningen och brännkammaren är integrerat utformade som en monolitisk enhet, och varvid den första värmeväxiaranordningen är huvudsakligen anordnad inom brännkammarens axiella utbredning längs med centraiaxeln.
Genom integrering av värmeväxlaren och brännkammaren i en monolitisk enhet kan värmeförlustema vid rökgasens passage från brännkamrnaren till värmeväxlaren minskas på ett effektivt sätt. Systemet utnyttjar både strålningsvärme från brännkammaren och konvektlonsvârme i den förste värmeväzdaranordningen vid uppvärmningen av arbetsmediet. Pà så sätt kan en förhöjd ingångstemperatur hos arbetsmediet vid inloppet till turbinen uppnås.
Llkaledes kan en avsevärd minskning av gasturbinsystemets volym åstadkommas, vilket möjliggör inbyggnad i exempelvis ett fordon, så som en personbil eller liknande.
Föredragna utföringsfonner av uppfinningen definieras av de osjälvständiga patentkraven.
Föreliggande uppfinning avser även ett fordon innefattande ett gasturbinsystem. 535 434 Kort beskrivning av rltningama Figur 1 visar en principskiss av ett gasturbinsystem enligt den kända tekniken.
Figur 2 visar en princlpskiss av den indirekt eldade Braytoncykeln.
Figur 3 visar ett gasturbinsystem enligt den föreliggande uppfinningen I en perspektivvy.
Figur 4 visar ett tvärsnitt i längdnktningen genom gasturbinsystemet enligt den föreliggande uppfinningen i en sidovy.
Figur 5 visar ett tvärsnitt i längdriktningen genom gasturblnsystemet enligt den föreliggande uppfinningen i en perspektiwy.
Detaljerad beskrivning av uppfinningen Gasturbinssystemet kommer nedan att beskrivas meri detalj med hänvisning till figurema. Uppfinningen ska dock inte anses vara begränsad till den eller de utföringsfonner som visas i figurema och beskrivs nedan. utan kan varieras inom ramen för patentkraven.
Generellt för alla typer av vârmemaskiner, som omvandlar termisk energi (värme) till mekanisk energi (arbete), definieras verkninsgraden n som kvoten mellan utvunnet arbete, Woch tillförd vårrnemängd. Q: -K ""Q Eftersom en verklig värmemaskin år begränsad på grund av energiförluster. kan inte hela den tillförda värmemängden konverteras till arbete. utan en viss mängd avges till omgivningen som splllvänne: Qin = W + Qut Verkningsgraden blir dà: 535 434 Qin _ Qut :a-:l Qin Qin -Éfl Om man tittar pà en vännemaskln som arbetar mellan två bestämda temperaturer. i detta fall en gasturbin som arbetar efter Braytoncykeln, kan man härleda att den tillförda vårmemängden och den avgivna spillvärrnen motsvaras av expansionsgasens temperatur vid turbinens inlopp respektive utlopp. vilket ger verkningsgraden: Således inses att en höjning av expansionsgasens temperatur vid turbinens inlopp kan bidra till att öka verkningsgraden hos gasturbinen.
Figur 1 visar en principskiss av ett gasturblnsystem enligt den kända tekniken som uppvisar en kompressor 1 som är vridbart kopplad till en turbin 2. Kompressom 1 är vanligtvis en axialkompressor som består av ett antal mångbladiga propellrar som roterar på en gemensam axel inuti ett rör. Mellan propellrarna sitter fasta ringar med blad som styr luftströmmen axlellt bakåt mot nästa propeller. Luft från omgivningen dras in i kompressom 1 varvid den komprimeras och leds till brännkammaren 3.
Brännkammaren 3 tillförs även bränsle från ett bränslelager 6, som förbränns tillsammans med den komprimerade omgivningsluften. Den resulterande rökgasen leds därefter till turbinen 2 varpå den tillåts expandera för att driva turbinens rotor.
Genom turbinens 2 koppling med kompressom 1 används en del av det utvunna arbetet för att driva kompressom 1.
Den resterande delen av energimängden utvinns med hjälp av en generator 7 som även den är vridart kopplad till turbinen 2. Vanligtvis fungerar generatom 7 också som startmotor för gasturblnsystemet.
Gasturbinsystemet kan även innehålla andra komponenter som exempelvis luftfilter för inluften till kompressom 1 eller ljuddämpare för avgasen från brännkammaren 3. 535 434 I figur 2 illustreras den indirekt eldade arbetscykeln (Braytoncykeln) i ett principschema. Förutom de ovan nämnda komponentema ingår här även en vânneväxlare 8 för överföring av värme från rökgasen från brännkammaren 3 till turbinens 2 arbetsmedium, även kallat expansionsgas eller turbinluft. Därigenom undviker man förorening av turbinen 2. Vännen från expansionsgasen vid turbinutloppet kan återvinnas, med hjälp av en rekuperator där vännen överförs genom vänneväzding till ett annat medium för uppvärmning. exempelvis vatten. En annan möjlighet är att leda avgasen från turbinutloppet in iflamman i brännkammaren 3 och vänna upp bränslet innan förbränning. Detta reducerar brånsleåtgângen, då mindre vänne behöver tillföras brånnkammaren för en viss given drifttemperatur eller -effekt. Eftersom rökgasen aldrig passerar turbinen 2, öppnas möjligheter att använda t.ex. bränsle i fast fonn, som annars är förknippade med ökade halter av nedsmutsande restprodukter i avgasema.
Figur 3 visar ett gasturbinsystem enligt den föreliggande uppfinningen i en perspektiwy. Gasturbinsystemet innefattar en kompressor 1 och en turbln 2 som är vridbart kopplade med varandra genom en gemensam axel. En generator 7 kan vara integrerat I kompressoms 1 inlopp, så att lultflödet genom kompressom 1 kyler generatoms 7 statorlindningar.
Figur 4 visar ett tvärsnitt i längdriktningen genom gasturbinsystemet enligt den föreliggande uppfinningen i en sidovy. En brännkammare 3 sträcker sig I axiell riktning längs med gasturbinsystemets centralaxel. Brännkammarens 3 ena ände uppvisar ett brännkammarinlopp 4 för tillförsel av bränsle från ett bränslelager (ej visat) i anslutning till gasturbinsystemet. I en föredragen utföringsforrn kan gasturbinsystemet eldas med biobränsle i fast form. såsom trâpellets, vilket tillförs brännkammaren 3 från ett pelletslager med hjälp av en matarskniv (ej visad).
Brännkammaren 3 har här en cylindrisk utfonnnlng, men även andra utföringsfonner är tänkbara. såsom en kubisk, ringformig eller oregelbunden fonn. l andra änden av brännkammaren 3 leds rökgasema från förbränningen ut genom ett brännkammarutlopp 5 via radiellt utåtriktade utloppsöppningar 10 till en första värmeväxlaranordning 8. Den första vännevåxlaranordningen 8 är integrerat med brännkammaren 3 för att bilda en monolitiskt utfonnad enhet, en 535 434 lågtemperatursektion. Lägtemperatursektionen är konstruerad för att maximalt utnyttja strålningsvärmen från brännkammaren 3 i radiell riktning till att värma upp expanslonsgasen, genom att den första värrneväxlaranordningen 8 är huvudsakligen anordnad inom brânnkammarens 3 axiella utbredning längs med centralaxeln.
Fackmannen inser att även en konstruktion där en del av den första värrneväxlaranordningen 8 sträcker sig utanför brännkammarens 3 axiella utbredning, exempelvis i anslutning tlll brännkammarutloppet 5, ligger inom uppflnnlngens omfattning. l en föredragen utföringsform är den första värmeväxlaranordningen 8 anordnad koncentriskt kring brännkammarens 3 yttre diameter för att bilda en kompakt enhet.
Figur 5 visar ett tvärsnitt i längdriktningen genom gasturblnsystemet enligt den föreliggande uppfinningen i en perspektivvy. Den första värmeväxlaranordningen 8 kan med fördel vara utformat som en konvektionsvärmeväxlare där expansionsgasen och rökgasen har motriktade strömningsriktningar. En sådan värmeväxlare kan bestå av värrneöverföringskanaler 11 för rökgasen i form av flera, utmed brännkammaren längsgående, parallella rör, symmetriskt anordnade och på jämnt avstånd fördelade runt brännkammarens omkrets. Vänneöverföringskanalernas 11 tvärsnittytor kan uppvisa samma area, varvid värmeöverföringskanalema 11 är strömningsmässigt helt symmetriske för rökgasema vid utloppet 5 från brännkammaren 3. Detta innebär att rökgasen fördelas jämnt mellan vänneöverföringskanalerna 11 vid genomströmnlng, vilket ger en homogen temperaturfördelning och högsta möjliga vänneöverföring utan det extra tryckfall som annars uppstår när man skall balansera massflödet igenom värmeväxlarens kanaler i en Indirekt eldad turbin. Rökgasens flöde genom värrneöverföringskanalema 11 är väsentligen i axiell led parallellt med gasturbinsystemets oentralaxel.
Den första värmeväxlaranordningen 8 kan även uppvisa en värmeöverföringspassage 12 för expanslonsgasen. Expansionsgasen utgörs av komprimerad luft från kompressom 1 som leds via en rörledning 23 till värmeöverföringspassagen 12. Denna värmeöverföringspassage 12 kan utgöras av en kanal som begränsas av utsidan av brânnkammarens 3 yttervägg 13 och gasturbinsystemets ytterhölje 14 i radiell led, och av mellanliggande väggar 15 som sträcker sig från brännkammarytterväggen 13 till ytterhöljet 14 kring 535 434 brännkammarens 3 omkrets i axiell led. Värmeöverföringspassagen 12 kan således bilda en spiralforrnad passage som löper åtminstone ett varv runt brännkammarens 3 omkrets i tangentiell led. Angränsande passager är lufttäta mot varandra.
Expansionsgasens flöde genom värmeöverföringspassagen 12 är väsentligen i tangentiell led runt gasturbinsystemets centralaxel.
Vänneöverföringskanalerna 11 för rökgasen genomskär vårmeöverföringspassagens 12 mellanväggar 15. Kontaktytorna där värmeöverföringskanalemas 12 rör möter mellanvåggama 15 är lufttäta så att rökgasen ej kommer l beröring med expansionsgasen. Däremot överförs värmen från rökgasen till expansionsgasen genom konvektion. Rökgasen leds ut fràn den första värmeväxlaranordningen 8 via rökgasutlopp 22. Den uppvärmda expansionsgasen leds sedan vidare mot turbinen 2 via en röriedning 24.
Lågtemperatursektlonen är i en föredragen utföringsform utfört i 355 svetsa! stål och anpassat att öka temperaturen pâ expansionsgasen till 500-700 °C.
Gasturbinsystemet kan vidare vara försett med en andra värmeväxlaranordning 9, även kallad högtemperatursektion, i anslutning till turbinens 2 inlopp 20.
Brännkammarens utloppsöppningar 10 kan i så fall vara anordnade i den andra värrneväxlaranordningens 9 primärsida 16, vars yta vetter mot brännkammaren 3.
På sin väg från den första värmeväxlaranordningen 8 iill turbininloppet 20 passerar expansionsgasen den andra värmeväxtaranordningens 9 sekundärslda 17, vars yta vetter bort från brännkammaren 3. Sekundärsidan 17 kan vara utformad som en virvelkammare 19 som är placerad mitt framför brännkammaruttoppet 5. Denna position utgör brännkammarens 3 vännestrâlningsoentrum 18 där stràlningsvärrnen från brännkammaren när sitt högsta värde. Virvelkammaren 19 är cirkulärt utfonnad med ett inlopp 28 från rörledningen 24 placerat i virvelkammarens 19 ytterkant, vilket ger den inströmmande expansionsgasen en huvudsakligen tangentiell strömningsriktning vid inträde i virvelkammaren 19. Expansionsgasen cirkulerasi virvelkammaren 19 len spiralforrnad bana. Stràlningsvärrne från brännkammaren 3 vänner upp virvelkammaren 19, varpå expansionsgasen bestryker virvelkammarens 19 värrneöverföringsyta flera gångar innan den gär ut i turbinen 2 via 535 434 virvelkammarens 19 utlopp 29. Det år önskvärt att expansionsgasen har lång uppehàllstld I virvelkammaren 19 för att uppnå önskad uppvärmning. För att ytterligare förlänga uppehàllstiden i vlrvelkammaren 19 kan denna vara försedd med en central förhöjning 30 mitt emot utloppet 29, vilken underlättar cirkulationen.
Den andra värmeväzdaranordningen 9 är anpassad att höja expansionsgasens temperatur till 650-900 °C, vilket skulle ge en verkningsgrad för gasturbinsystemet pà omkring 20-22%. Ett föredraget material för högtemperatursektionen år sintrad eller gjuten keramik. som har goda tenniska egenskaper.
Den andra värmeväzdaranordningen 9 kan med fördel vara utformat som en modulär komponent för enkel påbyggnad till brännkammaren 3. vilket också underlättar byte vid slitage. Den yttre diametem av primärsldan 16 hos den andra vänneväxlaranordningen 9 är anpassad till brännkammarens 3 inre diameter för att bilda en lufttät anslutning vid sammanfogning av dessa tvà komponenter.
Då temperaturen i brännkammaren 3 uppgår till omkring 650-1200 °C, kan det uppstå en temperaturgradient mellan brännkammarytterväggen 13 och gasturbinsystemets ytterhölle 14, som står i kontakt med omgivningens temperatur.
Temperaturgradlenten kan orsaka defonnationer av gasturbinsystemet på grund av olik utvidgning av materialet i brännkammarytterväggen 13 ochleller ytterhöljet 14. vilket företrädesvis utgörs av svetsat stål.
För att motverka deformatloner kan brännkammarytterväggen 13 och/eller ytterhöljet 14 vara veckat utformade, vilket ger en bälgftrnktion där materialet tillåts utvidga sig i axiell led utan att leda till oönskad defonnation.
Gasturbinsystemet kan vidare vara utrustat med en rörledning 25 mellan turbinens 2 utlopp 21 och brännkammarens 3 inlopp 4. Expansionsgasen àterförs således till brännkammaren 3, där den värmer upp det tillförda bränslet innan förbränning påbörjas. Därmed reduceras bränsleförbrukningen på grund av att mindre värme behöver tillföras brännkammaren 3 Jämfört med exempelvis stirlingmotorer. 535 434 11 l en föredragen utföringsform kan gasturbinsystemet vidare innefatta medel för reglering av expansionsgasens och/eller rökgasens gasflöde delvis förbi den första 8 ochleller den andra värmeväxlaranordningen 9. Detta medel eller reglage kan bestå av en eller fiera ventiler med rörlednlngar för att leda exempelvis expansionsgasen från kompressorn 1 direkt till den andra värmeväxlaranordningen 9 eller fràn den första värmeväxlaranordningen 8 direkt till turbinen 2.
Då gasturbinsystemet skall kunna integreras i ett fordon, såsom en personbil, är det av stor vikt att systemet blir tillräckligt kompakt, samt att vikten kan hållas I nivå med traditionella förbrånningsmotorer av kolvtyp. lett exempel med integrering i en personbil, ligger kravet pà utvecklad effekt i intervallet 10-100 kW, motsvarande efiekten hos en mikroturbin. Den kompakta designen med lágtemperatursektionen utformat som en monolitlsk enhet möjliggör en utföringsforrn med en gasturbin l form av en mikroturbin, där systemets storlek ges av längden 700-1000 mm och omkretsen 400-600 mm. Med den hittills kända tekniken skulle en sådan storieksminskning innebära en avsevärd försämring av verkningsgraden. vilket motverkas l den föreliggande uppfinnlngen genom utnyttjande av brännkammarens 3 strälningsvämie för att värma expansionsgasen.
Tlll mikroturblnsystemets storlek beräknas utrymme för isolering om ytterligare 30-50 mm. I synnerhet området som omsluter den andra värrneväxlaranordningen 9 i keramik ställer höga krav vad gäller möjlig yttemperatur. Mlkroturbinsystemets massa beräknas till omkring 34 kg i denna utföringsform.
Gasturblnsystemet enligt den föreliggande uppfinningen är ej begränsat till någon specifik storlek, utan kan tillämpas i ett gasturbinsystem av önskad storlek och effekt.
Materialet i de ingående komponentema kan givetvis vara andra än de ovan angivna materialen som uppfyller gasturbinsystemets krav på hàllfasthet och vännebestandighet. exempelvis metaller eller kompositmalerial.
Den första värmeväxlaranordningens värmeöverföringskanaler/-passager kan vara anordnade så att rökgasen följer en huvudsakligen tangentiell strömningsriktnlng runt brännkammaren och arbetsmediet följer en axiell strömningsriktnlng längs med brännkammaren. Även andra konstruktioner är tänkbara, med båda 535 434 12 strömningsriktningama motriktade i huvudsakligen tangentiell led, axiell led eller spiralformig med en vinkel mot gasturbinsystemets centralaxel. 535 434 13 Hiinvlsnlngsbetocknlngar -OICOÖNIOOIÅOJNJ .A -Å A N a W _: -b _; UI _; G .A *l .a æ i W N O N ...s N N N OJ N Å N UI N O) N *I N W N (D O) O Kømprassor Turbin Brännkammare Brännkammarinlopp Brännkammarutlopp Bränslelager Generator Första värmeväxlaranordning Andra värmeväzdaranordnlng/Högtemperatursektion Utloppsöppningar Värmeöverföringskanal för rökgas Vänneövarföringspassage för expansionsgas Yttervägg Ytterhölje Mellanväggar Primärsida Sekundärslda Vårmestrálningscentrum Virvelkammare Turbininlopp Turbinutlopp Utløpp rökgas Röriedning (kompressor-vänneövarföfingspassage) Röfledning (vârrneöverföringspassage-virvelkammara) Rörledning (turbin-brânnkammare) Kompressorinlopp Kompressorutlopp Wrvelkammarinlopp Virvelkammarutlopp Förhöjning

Claims (1)

1. 0 15 20 25 535 434 14 PÅTENTKRÅV 1. lndirekt eldat gasturbinsystem innefattande: - en brânnkammare (3) som sträcker sig längs med en centralaxel hos gasturbinsystemet. för förbränning av luft och tlllfört bränsle varigenom rökgas bildas; - en turbln (2) som drivs av ett arbetsmedium; - en kompressor (1) vrldbart kopplad till turblnen (2) för att Komprimera turbinens (2) arbetsmedlum och/eller luft till brännkammeren (3): och - en första värrneväxlaranordning (8) för överföring av värme mellan rökgasen och arbetsmediet, kännetecknat av att den första värmeväxlaranordningen (8) och brännkammaren (3) är integrerat utformade som en monolitisk enhet. varvid den första värmeväxlaranordningen (8) är huvudsakligen anordnad inom brännkammarens (3) axiella utbredning längs med centralaxeln. . Gasturbinsystem enligt patentkrav 1. varvid brännkammaren (3) är cyllnderfonnad och den första värmeväxlaranordningen (8) är anordnad koncentriskt kring brännkammarens (3) yttre diameter. . Gasturbinsystem enligt patentkrav 1 eller 2, varvid den första värmeväxlaranondningen (8) innefattar en konvektionsvärrneväxlare, genom vilken arbetsmediet och rökgasen har motriktade strömningsriktnlngar. _ Gasturbinsystem enligt något av föregående patentkrav, varvid den första värmeväxlaranordningen (8) innefattar värmeöverföringskanaler (1 1) för rökgasen i form av flera. utmed brännkammaren (3) längsgående. parallella rör, symmetriskt anordnade och på jämnt avstånd fördelade mnt brännkammarens (3) omkrets. . Gasturbinsystem enligt patentkrav 4, varvid värmeöverföringskanalema (11) är strömningsmässigt helt symmetriska för rökgasen vid brånnkammarens (3) utlopp (5). 10 15 20 25 535 434 15 . Gasturbinsystem enligt patentkrav 4 eller 5, varvid värmeöverförlngskanalemas (11) tvärsnlttsyta har samma area. . Gasturbinsystem enligt något av föregående patentkrav, varvid den första värrneväzdaranordningen (8) innefattar en värmeöverföringspassage (12) för turbinens (2) arbetsmedium ifonn av en spiralfonnad, huvudsakligen tangentiellt runt brännkammarens (3) omkrets löpande kanal. . Gasturbinsystem enligt något av föreående patentkrav, vidare innefattande en andra värmevåxlaranordning (9) placerad mitt framför brännkammarens (3) utlopp (5). . Gasturbinsystem enligt patentkrav 8. varvid arbetsmediet passerar den andra värmevâxlaranordningen (9) precis innan det leds in turbinen (2) via turbinens (2) inlopp (20). 10. Gasturbinsystem enligt patentkrav 8 eller 9, varvid den andra värmeväxlaranordningen (9) innefattar en virvelkammare (19) med en värmeöverföringsyta vilken vetter bort från brännkammaren (3), varvid arbetsmedlet bestryker vârmeöverföringsytan flera gånger innan arbetsmediet går ut l turbinen (2). 11.Gasturblnsystem enligt något av föregående patentkrav, vidare innefattande en generator (7) integrerad i kompressoms (1) inlopp (26), varvid ett i kompressom (1) ingående luftflöde kyler generatoms (7) statorlindningar. 12. Gasturbinsystem enligt något av föregående patentkrav, varvid den första värmeväxlaranordningen (8) och brännkammaren (3) tillsammans utgör en lågtemperatirrsektion utförd i svetsat stàl. 13. Gasturbinsystem enligt något av föregående patentkrav, varvid brännkammarens (3) yttervägg (13) ochleller gasturbinsystemets ytterhölje 535 434 16 (14) är veckat utformade, bildande en bälgfunktion där materialet tillåts utvidga sig i axiell led. 14. Gasturbinsystem enligt något av patentkraven 8-10, varvid den andra 5 värmeväxlaranordnlngen (9) utgör en högtemperatursektion utförd i sintrad och/eller gjuten keramik. 15. Gasturbinsystem enligt nàgot av patentkraven 8-14, vidare innefattande medel för reglering av gasflödet delvis förbi den första och/eller den andra 10 värrneväxlaranordningen (8; 9). 16. Gasturbinsystem enligt nàgot av föregående patentkrav, varvid bränslet utgörs av biobränsle i fast form. 15 17. Gasturblnsystem enligt patentkrav 16, varvid biobränslet utgörs av träpellets. 18. Fordon innefattande ett gasturbinsystem enligt något av patentkraven 1-17.
SE1051322A 2010-12-15 2010-12-15 Indirekt eldat gasturbinsystem SE535434C2 (sv)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE1051322A SE535434C2 (sv) 2010-12-15 2010-12-15 Indirekt eldat gasturbinsystem
JP2013544431A JP5955858B2 (ja) 2010-12-15 2011-12-15 間接加熱式ガスタービンシステム
BR112013015184-6A BR112013015184B1 (pt) 2010-12-15 2011-12-15 sistema de turbina a gás aquecida indiretamente e veículo com sistema de turbina a gás
PCT/SE2011/051519 WO2012082062A1 (en) 2010-12-15 2011-12-15 Indirectly heated gas turbine system
US13/994,987 US9181871B2 (en) 2010-12-15 2011-12-15 Indirectly heated gas turbine system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE1051322A SE535434C2 (sv) 2010-12-15 2010-12-15 Indirekt eldat gasturbinsystem

Publications (2)

Publication Number Publication Date
SE1051322A1 SE1051322A1 (sv) 2012-06-16
SE535434C2 true SE535434C2 (sv) 2012-08-07

Family

ID=46244975

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SE1051322A SE535434C2 (sv) 2010-12-15 2010-12-15 Indirekt eldat gasturbinsystem

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9181871B2 (sv)
JP (1) JP5955858B2 (sv)
BR (1) BR112013015184B1 (sv)
SE (1) SE535434C2 (sv)
WO (1) WO2012082062A1 (sv)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11952903B2 (en) 2013-11-08 2024-04-09 Galileo Technologies Corp. Microturbine and method of manufacture
US20150128557A1 (en) * 2013-11-08 2015-05-14 Gnc Galileo S.A. Microscale distributed energy cogeneration method and system
ES2575352B1 (es) * 2014-11-28 2017-04-11 Abengoa Solar New Technologies, S.A. Planta híbrida solar-fósil de alto rendimiento
US10443495B2 (en) * 2017-04-14 2019-10-15 Enexor Energy Combined heat and power system and method of operation
CN110514052A (zh) * 2019-09-25 2019-11-29 江苏恒军动力科技有限公司 一种微型燃气轮发电机使用的回热器

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4492085A (en) * 1982-08-09 1985-01-08 General Electric Company Gas turbine power plant
US4827723A (en) * 1988-02-18 1989-05-09 A. Ahlstrom Corporation Integrated gas turbine power generation system and process
US5165239A (en) * 1991-06-03 1992-11-24 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Water augmented indirectly-fired gas turbine systems and method
US6066898A (en) 1998-08-14 2000-05-23 Alliedsignal Inc. Microturbine power generating system including variable-speed gas compressor
US6951110B2 (en) 2000-11-06 2005-10-04 Capstone Turbine Corporation Annular recuperator design
GB0100601D0 (en) 2001-01-10 2001-02-21 Talbotts Heating Ltd Power generating system
DE10392006D2 (de) 2002-04-27 2005-05-12 Oeko Insel Maschb Gmbh Mikrogasturbine sowie Verfahren zu deren Betrieb und Verwendung einer Mikrogasturbine
JP2004084575A (ja) * 2002-08-27 2004-03-18 Honda Motor Co Ltd ガスタービン発電装置
GB2402172A (en) 2003-05-30 2004-12-01 Bowman Power Systems Ltd Generator system
GB0425369D0 (en) 2004-11-18 2004-12-22 Talbotts Heating Ltd Power generating system
SE531220C2 (sv) * 2005-04-21 2009-01-20 Compower Ab Energiåtervinninssystem för en processanordning
US7603860B2 (en) 2006-08-15 2009-10-20 Mark Odell Thomas High efficiency flexfuel internal combustion engine
FR2913724B1 (fr) 2007-03-15 2009-05-08 Compte R Soc Par Actions Simpl Utilisation de fumees chaudes issues de la combustion de matieres combustibles pour produire de l'energie mecanique, et installation correspondante
US8176724B2 (en) * 2008-09-18 2012-05-15 Smith Douglas W P Hybrid Brayton cycle with solid fuel firing
WO2010064921A1 (en) * 2008-11-24 2010-06-10 Kleven Ole Bjoern Gas turbine with external combustion, applying a rotating regenerating heat exchanger

Also Published As

Publication number Publication date
BR112013015184A2 (pt) 2016-09-13
US20130269344A1 (en) 2013-10-17
BR112013015184B1 (pt) 2020-12-22
WO2012082062A1 (en) 2012-06-21
JP2013545938A (ja) 2013-12-26
US9181871B2 (en) 2015-11-10
SE1051322A1 (sv) 2012-06-16
JP5955858B2 (ja) 2016-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10233838B2 (en) Recuperated gas turbine engine
CN106050427B (zh) 用于涡轮机的热管温度管理系统
JP6685290B2 (ja) らせん式クロスフロー熱交換器
CN105277023A (zh) 用于径向管状换热器的方法及系统
US11041677B2 (en) Heat exchanger for cooling medium temperature reduction
US20110097189A1 (en) Boundary layer effect turbine
US20120243970A1 (en) Arrangement and method for closed flow cooling of a gas turbine engine component
US10358976B2 (en) Heat recuperation system for the family of shaft powered aircraft gas turbine engines
SE535434C2 (sv) Indirekt eldat gasturbinsystem
CN106988887A (zh) 燃气涡轮发动机流体冷却系统及其组装方法
US2553867A (en) Power plant
CN106958485A (zh) 用于嵌入式发动机应用的热交换器:曲线板
US20130097994A1 (en) Multi-fluid turbine engine
CN111140364A (zh) 燃料氧转换单元
CN105952526B (zh) 燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机
WO2018219254A1 (zh) 热管发动机
CN106050429A (zh) 用于涡轮机的热管中间冷却系统
CN116950774A (zh) 涡轮风扇发动机的氢气-排气热交换器
US20100107649A1 (en) Gas Turbine Engine With Fuel Booster
RU2379532C1 (ru) Атомный газотурбинный авиационный двигатель
KR20170021334A (ko) 가스 터빈
RU2372509C1 (ru) Комбинированный авиационный двигатель
RU2688050C1 (ru) Роторный двигатель
CN108005912A (zh) 一种高背压大流量超高速涡轮泵
RU2374479C1 (ru) Комбинированный авиационный двигатель