DE1981040U - Vorrichtung zur rueckgewinnung der in dem abgas eines turbinenstrahltriebwerkes enthaltenen waerme. - Google Patents

Description

PA032 40W8.1.68

sr /ze

M.A.H. TURBO G-MBH.

München, den 9.1.1968

Vorrichtung zur Rückgewinnung der in dem Abgas eines Turbinenstrahltriebwerkes enthaltenen Wärme.

Die Flugzeuggasturbine unterscheidet sich in ihrem Aufbau beträchtlich von einer von Anfang an als Industrieturbine konzipierten Gasturbine. Diese ist bei größeren Einheiten zumeist in getrennter Bauweise - Verdichter - Brennkammer Turbinen - ausgeführt. Diese Bauweise ermöglicht das Einfügen von Wärmetauschern in den Arbeitsprozeß, wobei sich auch deren große Abmessungen nicht allzu nachteilig bemerkbar machen. Die mehrfachen Umlenkungen der Strömung in einem solchen stationären Aufbau können, ohne Rücksicht nehmen zu müssen auf das Bauvolumen, nach strömungstechnischen Gesichtspunkten ausgeführt werden, wie auch das Gewicht nicht die Rolle wie bei der Plugzeuggasturbine spielt.

Demgegenüber ist die !Flugzeuggasturbine u.a. nach höchster Leistung aus kleinstem Bauvolumen (Stirnflächenschub) und geringstem Gewicht ausgelegt. Dabei werden Verdichter, Brennkammer und Turbine in Strömungsrichtung möglichst eng aneinander angeordnet. Wird eine solche I¹IUgzeuggasturbine als Gasgenerator für den Antrieb einer stationären Turbine verwendet, ergeben sich relativ hohe Kraftstoff-Verbrauche, die den Betrieb solcher Anlagen nur in Aus-

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nahmefällen zulassen. Eine "be tr acht Ii ehe Verringerung des Kraftstoff-Verbrauches wäre durch Rückgewinnung der im Abgas verlorengehenden Wärme möglich, die dem Prozeß zwischen Verdichteraustritt und Brennkammereintritt wieder zuzuführen wäre, wobei die eng aneinandergerückte Bauweise" von Verdichteraustritt und Brennkammereintritt bei Plugzeuggasturbinen zu beachten ist.

Bei Wärmeaustauschern sind solche, die nach dem Rekuperativverfahren und solche, die nach dem Regrenerativverfahren arbeiten, bekannt. Der beiderseitig gas- bzw. verdichterluftbeaufschlagte Rekuperator erfordert große Wärmeaustauschflächen und auf der gasbespülten Seite infolge der geringen G-asdichte große Strömungsquerschnitte. Damit entfällt der Einbau dieses Wärmetauschers in den Raum zwischen Verdiehteraustritt und Brennkammer bei !Flugzeuggasturbinen. Die offenstehende Möglichkeit, die verdichtete luft aus dem Triebwerk herauszuleiten, durch einen im Abgasstrom liegenden Wärmeaustauscher zu leiten und wieder in die Brennkammer zurückzuführen, bedingt so große Umbauten am Triebwerk und Strömungsverluste, daß man bisher lieber den schlechteren Verbrauch in Kauf genommen hat, als eine solche Anlage auszuführen.

Der als Igungströmvorwärmer bekannte Regenerator in Gestalt einer abwechselnd gas- und verdichterluftbeaufschlagten, langsam rotierenden Trommel hat ein wesentlich geringeres Bauvolumen als ein Rekuperator. Aber auch seiner Verwendung steht der Zwang zur Heranführung der beiden G-asströme, also

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ihre Umlenkung, gegenüber. Die erforderlichen großen Abgasquerschnitte erlauben außerdem nicht, die Trommel im Zwischenraum zwischen Verdichter und Brennkammer "bei Plugzeuggasturbinen anzuordnen, so daß auch hier die Verdichterluft aus dem Triebwerk herausgeführt werden müßte. Daneben "besteht noch die dem Prinzip eigene Schwierigkeit der Abdichtung der "beiden unter verschiedenem Druck stehenden G-asströme. Daher kann auch dieses Prinzip nicht ohne weiteres Anwendung "bei aus Plugzeugturbinen abgeleiteten Industrietur"binen finden.

Der Erfinder hat sich nun die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zur Rückgewinnung der in den Abgasen eines Turbinenstrahltriebwerkes enthaltenen Wärme und zur Zuführung dieser Wärme in die Verdichterluft des Triebwerkes zu schaffen, die, d.h. also die neuerungsgemäße Vorrichtung, infolge ihres geringen Platzbedarfes und Bauaufwandes bei Plugzeuggasturbinen angewendet werden kann, so daß Triebwerke mit solchen Plugzeugturbinen als Industrie-Turbinen mit relativ geringem Kraftstoff-Verbrauch dienen können. Die Verdichterluft soll dabei auf ihrem Weg zwischen Verdichter und Brennkammer des Triebwerkes nicht aus diesem abgeleitet und nach der zusätzlichen Erwärmung dem Triebwerk wieder zugeführt werden müssen. Im besonderen soll die Vorrichtung nach der Neuerung das relativ kleine Bauvolumen der nach dem Prinzip der Regeneratoren arbeitenden '!Wärmetauscher mit dem Prinzip der Rekuperatoren vereinigen, indem das wärmeliefernde Medium in dem Rekuperator so ausgewählt wird, daß die Wärmeaustauschfläche nahezu nur noch vom Wärmeübergang an die Verdichterluft

"bestimmt wird, während das wärmeliefernde Medium nur noch sehr geringe Strömungs querschnitte "benötigt.

Demzufolge "bezieht sich die !Feuerung auf eine Yorrichtung zur Rückgewinnung der in dem Abgas eines Turbinenstrahltriebwerkes enthaltenen Wärme, insbesondere bei einem für stationären Betrieb bestimmten Plugzeugtriebwerk.

Zur K)sung der gestellten Aufgabe schlägt die !Teuerung im wesentlichen vor, daß zwischen dem Yerdichter und der Brennkammer ein erster Wärmetauscher angeordnet ist, der über leitungen mit einem weiteren Wärmetauscher im Triebwerksauslaß verbunden ist, wobei im zweiten Wärmetauscher mit Hilfe der Triebwerksabgase ein Metall aufgeheizt wird, das verflüssigt in den ersten Wärmetauscher gelangt und dort die aufgenommene Wärme an die verdichtete Verbrennungsluft des Triebwerkes abgibt.

Bei einer solchen Vorrichtung dient das verflüssigte Metall als Wärmetransportmittel zwischen den beiden Wärmetauschern. Es hat eine gute Wärmeaufnahmefähigkeit und eine gute Wärmeabgab efähigkeit. Der Wärmetauscher im Abgasstrom muß allein nach den Bedürfnissen der im Abgas herrschenden Verhältnisse ausgelegt werden. Is ist also mit der Vorrichtung nach der Neuerung eine gute Möglichkeit geschaffen, zumindest einen Teil der in den Triebwerksabgasen enthaltenen Wärme zu gewinnen und der Ver dichterluft zuzuführen, ohne die Verdichterluft ihren Weg zwischen Verdichter und Brennkammer ändern zu lassen.

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Mit'besonderem Vorteil ist die !Teuerung dann anzuwenden, wenn gemäß einem weiteren Vorschlag der Feuerung ein Metall angewendet wird, dessen Schmelztemperatur unter der Yerdichtungsendtemperatur liegt. In diesem Pail kann die Turbine angefahren werden, ohne daß eine besondere Vorwärmung erforderlich ist. Solche Metalle vereinigen häufig in sich die Vorteile einer niedren Schmelztemperatur und guter Wärmeübergangszahlen. Als Beispeiele für solche Metalle können Zinn oder Quecksilber angegeben werden, ohne die Erfindung aber auf die Anwendung solcher Metalle zu beschränken. Im Hinblick auf sehr hohe Wärmeübergangszahlen sowie gute Transportfähigkeit im geschmolzenen Zustand sind in letzter Zeit eine Eeihe von Metallen grundsätzlich untersucht worden, so daß die Auswahl des entsprechenden Metalles bei der Anwendung der Neuerung für den Fachmann keine grundsätzlichen Schwierigkeiten bereitet.

Dem .infahren des Triebwerkes ohne Vorwärmung des als Wärmetransportmittel dienenden Metalles dienen auch die weiteren Merkmale der Neuerung, daß die Umwälzpumpe für das Metall im Abgasstrom des Triebwerkes sowie die Verbindungsleitungen zwischen der Fumpe und den Wärmetausehern sowie zwischen den beiden Wärmetauschern im Äbgasstrom des Triebwerkes und/oder im Verdichterstrom liegen. Hierdurch ist ein rasches, gleichmäßiges Schmelzen des Metalles gewährleistet.

Zur baulichen Vereinfachung wird vorgeschlagen, daß die Umwälzpumpe voh einer zusätzlichen Turbinenstufe angetrieben wird. Bei einem Triebwerk mit einer lutzturbine, die in

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baulicher Vereinigung mit der Antriebsturbine des Verdichters dieser nachgeschaltet ist, befindet sich die Antriebsturbine für die Umwälzpumpe hinter der Verdiehterantriebsturbine und der Futzturbine. Die Umwälzpumpe und deren Antriebsturbine sind auf einer gemeinsamen Hohlwelle angeordnet, durch die die Antriebswelle der Hutζturbine hindurchgeführt ist. Die Umwälzpumpe soll eine an sich bekannte Radialpumpe sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Feuerung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt.

Das Triebwerk weist in üblicher Weise einen mehrstufigen Iiuftverdichter 1, eine oder mehrere Brennkammern 2 sowie die mehrstufige Antriebsturbine 3 auf. In der bei Plugzeugtriebwerken üblichen Bauweise sind die Antriebsturbine 3 und der Verdichter 1 auf einer gemeinsamen Welle 4 angeordnet, die die Brennkammer 2 durchdringt oder zu der symmetrisch mehrere Brennkammern 2 angeordnet sind. In der Verwendung als stationäres Triebwerk ist der Antriebsturbine 3 die lutz- oder Preifahrturbine 5 nachgeschaltet, die die Abtriebswelle 6 antreibt. Im Abgasstrom des Triebwerkes ist der Wärmetauscher 7 angeordnet, der über Leitungen 8,

9 mit dem Wärmetauscher 10 verbunden ist. Der Wärmetauscher

10 befindet sich zwischen dem Verdichterauslaß und dem Brennkammereinlaß. Die Verbindungsleitungen 8, 9 sind so in einem Gehäuse 11 angeordnet, daß sie von der Verdichterluft oder den Triebwerksabgasen umspült werden. Die mit einer Eadialbeschaufelung versehene Umwälzpumpe 12, für das in den

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Wärmetauschern 7,10 und den V erbindungs leitung en 8, 9 befindliche, zu verflüssigende Metall, "befindet sich im Ä"bgasstrom des Triebwerkes radial innerhalb des von dem Wärmetauscher 7 teilweise verbauten Triebwerksauslasses. Sie wird angetrieben von der weiteren !Turbinenstufe 13, die hinter der lutzturbine 5 angeordnet ist und mit der Umwälzpumpe auf der gemeinsamen Hohlwelle 14 sitzt, durch die die Abtriebswelle 6 geführt ist.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung bedarf keiner besonderen weiteren Erläuterung. Durch den niedrigen Schmelzpunkt des zum Transport dienenden Metalls wird dieses bereits kurz nach dem .Infahren des Triebwerkes verflüssigt und transportiert. Die im Wärmetauscher 7 aufgenommene Wärme gelangt in den Wärmetauscher 10, um dort an die Verdichterluft abgegeben zu werden, so daß die Verdichterluft beim Eintritt in die Brennkammer 2 eine höheren Temperatur hat als sie der Kompressionswärme am Ende des Verdichters 1 entspricht· Die Pörderrichtung ist durch 3Sin- und Auslaß der Umwälzpumpe 12 bedingt und durch Pfeile gekennzeichnet.

Claims (8)

sr/ze M.A.I. TURBO GMBH. München, den 9.1.1968 Schutzansprüche

1. Vorrichtung zur Rückgewinnung der in dem Abgas eines Turbinenstrahltriebwerkes enthaltenen Wärme, insbesondere bei einem für stationären Betrieb bestimmten Flugzeugtriebwerk, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verdichter (1) und der Brennkammer (2) ein erster Wärmetauscher (10) angeordnet ist, der über leitungen (8, 9) mit einem weiteren Wärmetauseher (7) im Abgasstrom des Triebwerkes verbunden ist, wobei im zweiten Wärmetauscher (7) mit Hilfe der Triebwerksabgase ein Metall aufgeheizt wird, das verflüssigt in den ersten Wärmetauscher gelangt und dort die aufgenommene Wärme an die verdichtete Verbrennungsluft des Triebwerkes abgibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung eines Metalles, dessen Schmelztemperatur unter der Verdichtungsendtemperatur liegt.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Umwälzpumpe (12) für das flüssige Metall, die von einer zusätzlichen Turbinenstufe (13) angetrieben wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei einem Triebwerk mit einer T-43 - 2 -

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der Antriebsturbine des Verdichters nachgeschalteten lutzturbine, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsturbine (13) für die Umwälzpumpe (12) nach der Verdichterantriebstur bine (3) und der lutzturbine (5) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzpumpe (12) und deren Antriebsturbine auf einer gemeinsamen Hohlwelle (H) angeordnet sind, durch die die JLbtriebs welle (6) der Uutzturbine (5) hindurehgeführt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzpumpe (12) eine Radialpumpe ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 und/oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzpumpe (12) im JLbgasstrom des-Triebwerkes angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen (8, 9) zwischen den beiden Wärmetauschern (7, 10) im Äbgasstrom und/oder in der Verdichterluft liegen.