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Gasturbinenkreislauf, insbesondere zum Antrieb von Automobilen.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasturbinenkreislauf und sie
ist im wesentlichen, jedoch nicht ausschließlich, gedacht als Primärantrieb von
Automobilen.
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Gasturbinenkreisläufe sind hinlänglich bekannt. Betrachtet man aber
bspw. den Kreislauf von Ackeret und Keller, so stellt man fest, daß aufwendige Wärmetauscher
erforderlich sind.
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Wärmetauscher haben aber nicht nur den Nachteil, ein relativ großes
Volumen zu beanspruchen - ein Nachteil, der auch durch eine Steigerung des Systemgasdruckes
nicht wesentlich gemildert werden kann, wefl die Austauschweglänge für die Wärmeübertragung
von der Prandtl-sehen Wahl Pr -- + festgelegt wird und diese nahezu druckunabhängig
ist - , sondern wegen ihrer eigentlichen Aufgabe können sie. bei hohen Temperaturen
auch nicht gegen diese abgeschirmt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es desh ib, einen Gasturbinen= kreislauf
anzugeben, der im Hochtemperaturbereich auf Wärme= tauscher verzichten kann und
sehr hohe Arbeitsgastemperaturen wirtschaftlich zu erreichen gestattet.
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Um die Be.schreibung nicht zu kompliziertt zu gestallten, sei der
Hauptgedanke der Erfindung sogleich an Ea-nd der beige= fügten Abbildung, einem
Funktionsschema,erläutert.
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Dieses Funktionsschema stellt zunächst einen Hauptkreislauf dar,
der aus den Komponenten Lavaldüse (1), einem Wieder-ver= d.ichtungskörper (4), Brennkammer
(5) und einer Hauptturbine (6) besteht. Dem Hauptkreislauf wird über einen ersten
Kompressor (7) mit nachgeschalteten Kühler (8), einen zweiten Kompressor (9) mit
nachgeschaltetem Kühler (110) und die Lavaldüse (2) Frischluft zugeführt. Der entspreehende
Anteil verbrannter Luft wird über die Entladeturbine (11) aus dem System wieder
entfernt.
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Damit läßt sich der zentrale Gedanke der Anordnun-g wiefolgt charakterisieren:
Durch den Kompressor (7) werde die Frischluft auf etwas mehr als Brennkammerdruck
komprimiert, der sich im wesentlichen aus der Forderung, an der Entladeturbine Cii)
einen vertretbaren Wirkungsgrad zu erhalten, bestimmt und ca. 80 atm für Maximal=
betrieb betragen möge. Nach Rückkühlung durch den Kühler (8) wird sie flun weiter
so komprimiert - bspw. um den Faktor tO -daß sie nach Rückkühlung durch den Kühler
(10) in der Lavaldüse (2) eine Überschallgeschwindigkeit erhält, die annähernd der
Überschal# geschwindigkeit, die das heiße Gas in Lavaldüse (1) erreicht, bei gleichem
statischen Druck gleich ist. Die Machzahl der Kalt gasüberschallströmung möge dann
etwa 2 betragen, während die unvermischte Heißgasüberschallströmung etwa die Machzahl
1,1 aufweisen möge. Vermischen sich nun die Gase in der Vermischungs= strecke (3Y,
so sinkt bei - von Reibungsverlusten abgesehen -gleicher Strömungsgeschwindigkeit
die Temperatur des heißen Gases.
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Das heißt aber: Bei der Rkompression des Arbeitsgases wird ein höherer
Druck erreicht, als er hinter der Hauptturbine (6) vorliegt und kann sinnvoll ungefähr
den Faktor 2- erreichen, wie eine Duchrechnung der Vorgänge lehrt.
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Das eigentliche Ziel der Erfindung ist nun sebstverständlich, bei
kleinem Bauvolumen der Anlage einen möglichst hohen Gesamt= wirkungsgrad zu erhalten.
Nach einer der Hauptgleichungen der Thermodynamik beträgt der ideale Wirkungsgrad
Sei
-bspw. T1 = 1600°K und T2 = 400°K gesetzt, so beträgt der ideale Wirkungsgrad
= 75 %. Um die Gastemperaturen nun, die den' angegebenen zur entsprechen, realisieren
zu können, wird zunächst der in der Abbildung gestrichelt gezeichnete Hilfskreis=
lauf benötigt, der mittels dem Ventil (14) eine Zwangsumlaufgas= kühlung der Haupt-und
Entladeturbinenrotor - und leitschaufeln,
sowie des Wiederverd'ichfungskörpers
(4) darstellt. - Diese.
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Maßnahme ist natürlich beispielhaft zu verstehen. Wenn erforderlich
können weitere Komponenten durch den gezeichneten Kühlkreislauf er= faßt werden.
- In den kühleren Bereichen des Hauptkreislaufes, also bspw. in de Lavaldüse (1),
dem Vemischungsraum (3) und den' Wiederverdichtungskörper (4) , werden nun die druckfesten
Wandungen der Komponenten mit einer Chrom-Aluminium-Eisen-Legierung ausgekleidet,
von der bekannt ist, daß sie bis zu Temperaturen son 1200 ° C c gegen Luft korrosionsfest
ist. Sorgt man nun gleichzeitig durch eine (bspw. waffelartige) Strukturierung und
eine (zur Unterbindung einer erzwungenen Konvektion) geeignete Perforierung dafür,
daß ein Spal von einigen Zebntelmillimetern zwishen korrosionsfester Legierung und
Struktumaterial worliegt, so kann hierdurch eine- Absenkung der Strukturmaterialtemperatur
auf vertetbare Werte erreicht werden. Diese so geschilderte Maßnahme dürfte sicherlich
dor die größte Auslegungssorgfalt erfordern, wo es gilt, den Teil der Lavaldüse
(2), der noch den hohen statischen Druck aufweist, gegen den Heißgasstrom der Lavaldüse
(1) abzuschirmen.
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Die höchsten Temperaturen treten in der Brennkammer (5) auf.
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Deshalb wird man diese zweckmäßig mit einer geeigneten Keramik auskleiden.
Dabei kann die eben beschriehenenMaßnahme zur Verwemdung der Chrom-Al-Fe-Legierung
dazu benutzt werden, die Keramik elasttisch zu lagern und' keine zu hohen Temperaturgradienten
in: ihr entstehen zu lassen.
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In den Laufschaufeln der Turbinen treten nun zusätzlich hohe Fliehkräfte
auf. Deshalb wird hier daran gedach, diese bspw.
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aus einer Sinterchromlegierung mit geeigneter Porosität herzu= stellen.
Durch diese Möglichkeit und dadurch, daß der Kompressor (l, die Frischluft auf einen
höheren Druck als den statischen Druck an den Turbinenlaufschaufeln erdichtet, wird
erreicht, daß Kaltluft in die Strömungsgrenzschicht der Turbinenlaufschaufeln eintritt
und so die Turbinenlaufschaufeltemperatur absenkt.
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Bs versteht sich, daß auch insgesamt die beschriebenen Kühl- und
Wärmabschirmmaßnahmen beispielhaft zu verstehen sind und, wenn bessere Lösungsgedanken
vorliegen, durch diese ersetzt werden können.
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Dader beschriebene Gasturbinenkreislauf primär zum Antrieb von Automobilen
gedacht ist, ist ee, da An-tomobile- zu einem Rohen Prozentsatz. mit Teillast betrieben
werden, darüber hinaus groß' Reschleunigungsfähigkeit und leichte Bremsbarkeit aufweisen
müssn, selbstverständlich, dem Steuer- und Regelproblem der Anordnung große Aufmerksamkeit
zu widmen. Um nun keine zu hohen Materialbeanspruchungen durch zu große Temperaturschwankungen
z;ti erhalten, wird man auf die bekannte: Qualitäts- oder Gemisch= regulierung nur
insoweit gegebenenfalls zurückgreifen, als es die durch die Wämeübengangskennzahlen
bedingten Temperaturschwan= kungen auszugleichen gilt und im wesentlichen mit der
ebenfalls bekannten Quantitäts- oder Füllungsregulierung arbeiten. Dazu ist in der
Abbildung die Drossel (12) eingezeichnet, der noch zur Vermeidung einer zu starken
Ans-augunterkühlung die Rückdrossel (13) zugeschaltet wurde.
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An dieser Stelle wird nun ein sehr wichtiger Vorteil der Anordnung
deutlich. Man kann sich nämlich im Prinzip einen Kreislauf - wie hinlänglich bekannt'
- vorstellen, der nur aus den Komponenten (5),(7),(8),(9),(11) und t12) besteht.
Unter Anwendung der aufgeführten te-chnologischen Kühl- und Wärmeabschirm= maßnahmen
würde sich nämlich auch bereits damit bei Maximalbetrieb e-Tn relativ brauchbarer
Wirkungsgrad ergeben. Auf Grund der Drosselungsregelung kann man nun aber davon
ausgehen, daß die Leistung der Kompressoren (7)' und (9) näherungsweise proportional
zum Systembezugsdruc-k, der bspw. als statischer Brennkan'merinnen= druck definiert
sein mag, wird, während die Leitung der Turbiné (11) auf Grund des sich verändernden
adiabatischen Gefälles überproportional zum Bezugsdruck variiert. D.h., bei Teillast
geht der Wirkungsgrad stark zurück. Nicht so jedoch bei der erfindungsgemäßen Anordnung.
Da nämlich die Aggregate (1),(2), (3) und (4) ein nahezu konstantes Kompressionsverhältnis
liefern, wird auch die Leistung der Turbine (6) proportional zum System= bezugsdruck.
Möge nun bei Maximalbetrieb das Leistungsvenältnis
Turbine (6) zu
Turbine (11) ungefähr eins sein, so steigt es aber bei Teillast stark an, d0h.,
der gute Wirkungsgrad der Anlage bleibt auch bei Teillast weitgehend erhalten. Bei
diesen Über= legungen wurde davon ausgegangen, daß nur Axialkompressoren verwendet
werden, wodurch in einem großen Drehzahlbereich ein hoher indizierter Wirkungsgrad
bei nahezu drehzahlunabhängiger leistung' erzielbar ift.
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Bevor nun noch anf oiniga wesentlichen Maßnahmen, die der Abbildung
nicht zu entnehmen sind, eingegangen wird, sei kurz vermerkt, daß die Abbildung
natürlich keine Aussage zur detailier= ten quantitativen Festlegung der anordnung
macht. Bei dem allge= meinen Bekanntheitsgrad aller verwendeten Komponenten - bei
dem Rekompressionskörper (4) spätestens seit den Arbeiten von Ludwieg und Oswatitsoh
ist dies aber auch nicht erforderlich. Das gleiche gilt auch für die Zahlenangaben.
Eine jeweilige zweck= angepaßte Optimierung mit Grroßrechnern stellt heute keinerlei
Problem' mehr dar.
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Zu der Vermischungsstrecke (3) sei angeführt, daß als! primäre Vermischungskraft
die wandreibungsinduzierte Turbulenz anzusehen ist. Überlagert man dem aus Lavaldüse
(2) austrenden Luftstrom einen geeigneten Drall, so wird man dadurch die erforderliche
Vermischungsstrefkenlän'ge reduzieren können und diese Maßnahme wird sich auch vorteilhaft
auf den Wirkungsgrad der Diffusoren auswirken.
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Um den Kühlstrom durch die Laufschaufeln gegenüber den übrigen Kühlströmen
zu erhöhen, kann man in den Turbinen den Kühlgaseintritt in die Schaufeln wie bekannt
radial weiter nach innen legen als#den Austritt.
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Es ist selbstverständlichr daß bei der Auslegung von Kompressor (9)
und Kühler (10) darauf gachtet wird, daß keine untragbare Luftkondensation in Lavaldüse
(2) auftritt.
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Bei den gebrannten Zahlenwerten können im Kühler (10) und den benachbarten
Apparateteilen Drücke bis zu 800 Atmosphären auftreten. Bei der Kleinheit d'ieser
Komponenten und den hier vorliegenden Maximaltemperaturen stellt dies aber kein
Problem dare Aus sicherheitstechnischer Sicht kann man daran; denken, diese Komponenten
in ein Stahlrohr mit-einer Verstärkung aus glasfaser=
verstärktem
Kunststoff und Schaumstoftauskleidung einzulagern.
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Letztere Maßnahme ist selbstverständlich auch auf alle- anderen Komponenten
anwendbar, wenn: man dabei die erforderlichen Kühluns= maßnahmen nicht außer Acht
läßt.
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Daß der Rekompressionskörper (4) in der Abbildung im Diffusor= teil
mit verjüngender Innenbegrenzung dargestellt ist, ist ledigliR aus Übersicht'lichkeitsgründen
geschehen. In der Praxis wird man wahrsheinlich diesen Diffusor mit Außenwanderweiterung
auslegen.
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In der Atbildung ist der Luftdurchtritt so dargestellt, daß Frischluft
bei (12) ein- und das Abgas bei (15) austritt. Um aus Korrosionsgründen mit kleineren
Luftüberschußzahlen arbeiten zu können, kann man daran denken, einen Teil des Abgases
über einen Kühler von (15) nach (12) rückzuführen. Es sei hier noch angeführt, daß
(15) eine Anfahrdrossel darstellt.
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Es sei auch darauf hingewiesen, daß es sinnvoll s'ein kann, den Kompressor
(7) in zwei Einheiten aufzuspalten und mit einem Zwischenkühler zu versehen. Auch
diese Möglichkeit wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Abbildung nicht
dargestellt.
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Durch die vorletzte Maßnahme kann die Anordnung auch zu einem geschlossenen
Kreislauf umgestaltet werden, wenn es gelingt, für die Brennkammer (5) eine geeignete
andere Wärmequelle, bspw. einen Kernreaktor, zu finden, die geeignete Wärmeübergangseigenschaften
besitzt. Als' Arbeitsgas kann dann wird Argon verwendet werden.
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Der Widerspruch zu den eingangs angeführten Bemerkungen über Wämetauscher
kann hier dadurch gemildert werden, daß im Gegensatz zu Rekuperatoren hier eine
Druckanpassung zwischen Primär- und Sekundärseite möglich ist und Großeinheiten
wie Kernreaktoren auch den Einsatz seltener Metalle wie molybdän rechtfertigen.
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In diesem Zusammenhang sei der Hinweis erlaubt, daß zu einer Überbewertung
jedoch sicherlich kein Anlaß besteht, da die Ausführungen lediglich einen eventuellen
Vorteil gegenüber Alternativkonzepten für Spitzenlastkraftwerke aufzeigen.
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Abschließend sei zu dem Kreislauf mit innerer Verbrennung noch angeführt,
daß die erfindungsgemäße Anordnung hier sicherlich ein hochwertiges Luftfiltersystem
erforderlich macht, was aber für den gegenwärtigen Stand der Technik keinerlei Problem
darstellt und möglicherweis'e kann dieses System sinnvoll mit einem Ansaug= Schalldämpfer
kombiniert werden.