EP1301695B1 - Verfahren zum betreiben einer turbomaschine und turbomaschine - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer turbomaschine und turbomaschine Download PDF

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EP1301695B1
EP1301695B1 EP00945606A EP00945606A EP1301695B1 EP 1301695 B1 EP1301695 B1 EP 1301695B1 EP 00945606 A EP00945606 A EP 00945606A EP 00945606 A EP00945606 A EP 00945606A EP 1301695 B1 EP1301695 B1 EP 1301695B1
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EP
European Patent Office
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air
working machine
chambers
conveying
combustion
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EP00945606A
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EP1301695A1 (de
Inventor
Hubert Tomczyk
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DIRO Konstruktions GmbH and Co KG
Original Assignee
DIRO Konstruktions GmbH and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/08—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing
    • F01C1/12—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F01C1/14—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons
    • F01C1/16—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons with helical teeth, e.g. chevron-shaped, screw type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C11/00—Combinations of two or more machines or pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type; Pumping installations
    • F04C11/001—Combinations of two or more machines or pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type; Pumping installations of similar working principle
    • F04C11/003—Combinations of two or more machines or pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type; Pumping installations of similar working principle having complementary function

Definitions

  • turbomachine is defined as follows:
  • CH 464 606 shows a method for cooling a screw-type engine, in which fresh air between a compressor and a combustion chamber is heated by means of exhaust gases in countercurrent process.
  • the compressor is in this case necessary to generate a pressure gradient in order to convey the fresh air through a heat exchanger.
  • the invention is therefore based on the object to develop a method and to carry out a turbomachine with which reduce said heat loss leaves.
  • the above object is achieved with respect to the device with at least two axially parallel, in opposite directions but at the same rotational speed driven comb-shaped interlocking, each designed as a hollow shaft screw spindles, which together with a shell side tightly enclosing, provided with a heat insulation outside stator each about form a threaded portion extending, largely completed air chambers, which are displaced upon rotation of the screw spindles of an air intake in the axial conveying direction to a Beereinström Colour a rotatably connected to the screw spindles work machine, before the air inlet and / or after the air outlet a combustion chamber is provided, the fuel supply and ignition device wherein the exhaust gases are introduced via an exhaust pipe in each case in the opposite end of the air intake nozzle of a wave cavity, which is formed opposite the air chambers as a countercurrent heat exchanger and opens in the region of the air intake in an exhaust.
  • a portion of the heat energy generated by the combustion is thus converted back into pressure, which results from the isochoric heating of the enclosed in the air chambers working medium.
  • the air pressure thus obtained then makes in the working machine, the e.g. work in a reverse manner to the screw compressor, work, the shaft rotation generated thereby in a preferred embodiment partly for air pre-compression at the beginning of the shaft, e.g. in a screw compressor, can be used.
  • the system according to the invention arise in the system covering the outside insulation only small heat losses; also the exhaust gas losses can be kept very low.
  • the system according to the invention requires heat-resistant materials, these are not subjected to as much stress as, for example, blades in jet-type turbines.
  • the system according to the invention is therefore particularly suitable for efficient power generators, car and marine engines and the like.
  • the performance can still be increased somewhat by the fact that at least one partial fuel quantity is introduced into the isochorically heated fresh air upstream of the work machine and at least one partial combustion is already introduced before the work machine. Furthermore, it can be provided that water is sucked or injected into at least some of the conveying and heating chambers.
  • the work machine may be a turbine that can operate on the same shaft with a compressor upstream of each screw.
  • a compression of the fresh air sucked in done by each screw has at least one axial section with decreasing thread pitch in the conveying direction.
  • the fresh air is conveyed in separate conveying and heating chambers in which heating takes place.
  • a compressor can be connected upstream according to the invention to convey compressed fresh air.
  • the wave cavity is used as a countercurrent heat exchanger for the air chambers, whereby the isochoric heating according to the invention of the individual, largely closed air chambers, which in the axial direction to the Working machine can be transported.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a turbomachine with two axis-parallel, in opposite directions but at the same rotational speed drivable, comb-shaped intermeshing screw spindles 1, 2, the shell side are tightly enclosed by a stator 3, which is provided to the outside with a thermal insulation 4 (see also Figure 5).
  • Each screw 1, 2 is a rotatably connected to her compressor 5 upstream and downstream of a likewise rotatably connected to her work machine 6, which is shown schematically in the illustrated embodiment as a turbine.
  • the conveying direction of the fresh air sucked in by the compressor 5 is indicated by an arrow 7.
  • a pre-combustion chamber 8 which is equipped with a fuel injection nozzle 9 and a spark plug 10, is located in front of the working machine 6 for the air conveyed via the screw spindles 1, 2.
  • the air outlet of the working machine 6 opens into a secondary combustion chamber 11, which also has a fuel injector 9 and a spark plug 10 and is connected via an exhaust pipe 12 to the adjacent end of the shaft cavity 13 of each formed as a hollow shaft screw 1, 2.
  • FIG. 5 shows that the two screw spindles 1, 2 together with the tightly enclosing stator 3 each form a threaded portion 14 extending, largely closed air chambers 15 which, upon rotation of the screw spindles 1, 2 of an air intake 16 (see Figures 1 and 3) in the axial conveying direction 7 to an unspecified marked air inflow of rotatably connected to the respective screw spindle 1, 2 driven work machine 6. If the funded by the screw spindles 1, 2 air on their conveyor in addition to the upstream compressor 5 are compressed, a decreasing in the conveying direction 7 pitch can be provided for the threaded portions 14.
  • FIG. 5 shows, in the right-hand section of the screw spindle 1, 2, a pitch 17 and, on the other hand, a reduced pitch 18 in the left-hand section of FIG. 5.
  • each shaft cavity 13 of each screw 1, 2 is formed opposite the air chambers 15 as a countercurrent heat exchanger, which opens in the region of the air intake 16 in an exhaust 19.
  • each shaft cavity 13 may be equipped with exhaust gas guide devices 20, which are arranged in the illustrated embodiment on a common axis 21 vanes.
  • the precompressed fresh air is fed, so to speak portionwise one after the other in the axial conveying direction 7 pre-migrating air chambers 15 in which the pre-compressed fresh air is heated isochoric, ie at a constant chamber volume on its conveyor to the machine 6 through the exhaust gases flowing through the countercurrent heat exchanger.
  • the waste heat is thus converted into temperature and pressure increase of the fresh air conveyed to the working machine.
  • the exhaust-gas guiding devices 20 indicated in the exemplary embodiment as an auger serve to increase the wall surfaces via which heat is to be delivered to the air chambers 15.
  • the snail-shaped Abgasleit Huaweien 20 must rest firmly with its outer surface on the lateral surface of the wave cavity 15.
  • the installation can be carried out so that the entire exhaust gas guide consists of arranged on a common axis 21 vanes and is inserted after a supercooling concentric in the wave cavity 13, where then when the air duct is heated to room temperature, the vanes with their outer edges under tension to the Apply lateral surface of wave cavity 13.
  • FIG. 1 shows the suction with the reference numeral 16, the compression with the first spark plugs 10 in the conveying direction 7, the external combustion symbolized by the working machine 6, with the fuel injection nozzle 9 and spark plug 10 following the internal combustion and by the reference numeral 19 to the exhaust of exhaust gases their temperature reduction in the heat exchanger.
  • FIG. 6 shows a temperature and pressure diagram for a method according to the invention. Temperature and pressure are respectively plotted over the usable length l 1,2 of the screw spindles. This length l 1,2 is composed of the partial lengths l 5 for the compressor 5, l 20 for the countercurrent heat exchanger and l 6 for the machine.
  • Q K denotes the heat obtained from the fuel, Q T the heat exchange and P the engine power, ie the power of the working machine 6.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Air Blowers (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Turbomaschine sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Bezeichnung "Turbomaschine" ist wie folgt definiert :
  • "Synonym mit Strömungsmaschine. Durch die Vorsilbe Turbo (lat. turbare drehen) wird die drehende Bewegung des Strömungsmaschinenrotors im Gegensatz zur Kolbenmaschine mit einer hin- und hergehenden Bewegung als kennzeichend angesehen."
  • Bei herkömmlichen Motoren geht von der gesamten Wärmeenergie des Kraftstoffs ca. ein Drittel im Kühlwasser und ein Drittel in den Abgasen verloren. Bei einem ungekühlten Motor läßt sich die Energieausbeutung nur geringfügig von z.B. 34 % auf maximal 38,5 % steigern, aber nur unter Inkaufnahme einer Vergrößerung der Abgasverluste.
  • Es ist bekannt, zur teilweisen Rückgewinnung der Abgasenergie z.B. Turbolader vorzusehen, mit denen sich aber letztlich nur bei Kolbenmaschinen der Liefergrad vergrößern, die Abgasenergie aber nicht vollständig nutzen läßt.
  • Die CH 464 606 zeigt ein Verfahren zum Kühlen einer Schraubenkraftmaschine, bei dem Frischluft zwischen einem Verdichter und einer Brennkammer mittels Abgasen im Gegenstromverfahren erwärmt wird. Der Verdichter ist hierbei zur Erzeugung eines Druckgefälles notwendig, um die Frischluft durch einen Wärmetauscher zu befördern.
  • Die DE 94 01 804 U1 und die DD 276 512 A1 zeigen Verbrennungskraftmaschinen mit zwei parallelen kammförmig ineinandergreifenden Schraubenspindeln, durch die Frischluft zu einer Brennkammer befördert und Verbrennungsgase nachfolgend einer Expansionsstufe zugeführt werden.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie zu dessen Durchführung eine Turbomaschine zu entwickeln, mit denen sich der genannte Wärmeverlust reduzieren läßt.
  • Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Arbeitsmedium Frischluft angesaugt, dann in einzelnen abgeschlossenen, in Förderrichtung aufeinanderfolgenden Förder- und Erwärmungskammern kontinuierlich in Förderrichtung gefördert und hierbei isochorisch erwärmt wird, und dann in eine Arbeitsmaschine eingeleitet wird, in der der insbesondere durch die isochorische Erwärmung erzeugte Luftüberdruck durch Leistungsabgabe weitgehend abgebaut wird, wobei die Luft vor ihrer Einleitung in die Arbeitsmaschine und/oder die aus der Arbeitsmaschine austretende Luft mit Kraftstoff vermischt und eine Verbrennung eingeleitet wird, worauf die durch die Verbrennung weiter erhitzten Verbrennungsgase im Gegenstrom, also entgegen der Förderrichtung der Förder- und Erwärmungskammern an diesen so vorbeigeleitet werden, daß die angesaugte Frischluft bei ihrer kontinuierlichen Förderung in Förderrichtung in den Förder- und Erwärmungskammern sukzessive isochorisch erwärmt wird.
  • Erfindungsgemäß wird die vorstehend genannte Aufgabe vorrichtungsmäßig gelöst mit zumindest zwei achsparallelen, in entgegengesetzten Richtungen aber mit gleicher Drehgeschwindigkeit antreibbaren, kammförmig ineinandergreifenden, jeweils als Hohlwelle ausgebildeten Schraubenspindeln, die zusammen mit einem sie mantelseitig dicht umschließenden, nach außen mit einer Wärmeisolierung versehenen Stator sich jeweils über einen Gewindeabschnitt erstreckende, weitgehend abgeschlossene Luftkammern bilden, die bei Drehung der Schraubenspindeln von einem Luftansaugstutzen in axialer Förderrichtung zu einem Lufteinströmbereich einer drehfest mit den Schraubenspindeln verbundenen Arbeitsmaschine verschoben werden, vor deren Lufteintritt und/oder nach deren Luftaustritt eine Brennkammer vorgesehen ist, die eine Kraftstoffzufuhr- und Zündeinrichtung aufweist, wobei die Abgase über ein Abgasrohr jeweils in das dem Luftansaugstutzen gegenüberliegende Ende eines Wellenhohlraumes eingeleitet werden, der gegenüber den Luftkammern als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist und im Bereich des Luftansaugstutzens in einen Auspuff mündet.
  • Erfindungsgemäß wird somit ein Teil der durch die Verbrennung erzeugten Wärmeenergie wieder in Druck umgewandelt, was sich aus der isochorischen Erwärmung des in Luftkammern eingeschlossenen Arbeitsmediums ergibt. Der so gewonnene Luftdruck leistet dann in der Arbeitsmaschine, die z.B. in einem dem Schraubenkompressor umgekehrten Sinne arbeiten kann, Arbeit, wobei die dadurch erzeugte Wellendrehung in einer bevorzugten Ausführungsform teilweise zur Luftvorverdichtung am Wellenanfang, z.B. in einem Schraubenkompressor, genutzt werden kann.
  • Der Luftdruck sinkt nach der Expansion in der Arbeitsmaschine so weit ab, wie es in dem Wärmetauscher für die Überwindung der Strömungswiderstände erforderlich ist. Hingegen sinkt die Lufttemperatur gemäß den thermodynamischen Gesetzen für polytropische Expansion nicht so schnell ab, so daß die weitere Lufterhitzung im Nachbrenner ausgehend von einem bereits hohen Temperaturniveau erfolgen kann. Dabei kann in dem Gegenstromwärmetauscher mit einer Temperaturdifferenz von z.B. etwa 50°C - 100°C gearbeitet werden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen System entstehen in der das System nach außen abdeckenden Isolierung nur geringe Wärmeverluste; auch die Abgasverluste lassen sich sehr niedrig halten. Das erfindungsgemäße System verlangt zwar hitzebeständige Materialien, jedoch werden diese nicht so stark beansprucht wie z.B. Schaufeln in Düsenjetturbinen. Das erfindungsgemäße System eignet sich daher insbesondere für effiziente Stromerzeuger, Auto- und Schiffsmotoren und dergleichen.
  • Verfahrensmäßig ist es zweckmäßig, wenn die Temperatur der Verbrennungsgase auf der Gegenstrom-Wärmetauscherstrecke auf etwa die Temperatur der angesaugten Frischluft abgesenkt und dadurch der Wirkungsgrad weiter erhöht wird.
  • Die Leistung läßt sich noch dadurch etwas steigern, daß zumindest eine Kraftstoffteilmenge vor der Arbeitsmaschine in die isochorisch erwärmte Frischluft eingebracht und zumindest eine Teilverbrennung bereits vor der Arbeitsmaschine eingeleitet wird. Ferner kann vorgesehen werden, daß in zumindest einige der Förder- und Erwärmungskammern Wasser eingesaugt oder eingespritzt wird.
  • Die Arbeitsmaschine kann eine Turbine sein, die mit einem jeder Schraubenspindel vorgeschalteten Verdichter auf der gleichen Welle arbeiten kann. Dabei kann anstelle eines vorgeschalteten Verdichters oder aber auch zusätzlich eine Verdichtung der angesaugten Frischluft dadurch erfolgen, daß jede Schraubenspindel zumindest einen axialen Abschnitt mit in Förderrichtung abnehmender Gewindesteigung aufweist.
  • Anders als in der CH 464 604 wird erfindungsgemäß die Frischluft in separaten Förder- und Erwärmungskammern gefördert, in denen eine Erwärmung stattfindet. Somit ist die Verwendung eines Verdichters zur Erzeugung eines Druckgefälles nicht notwendig; ein Verdichter kann jedoch erfindungsgemäß vorgeschaltet werden, um verdichtete Frischluft zu befördern.
  • Anders als in der DE 94 01 804 U1 und DD 276 512 A1 wird erfindungsgemäß der Wellenhohlraum als Gegenstromwärmetauscher für die Luftkammern genutzt, wodurch die erfindungsgemäße isochorische Erwärmung der einzelnen, weitgehend abgeschlossenen Luftkammern, die in axialer Richtung zu der Arbeitsmaschine befördert werden, ermöglicht wird.
  • Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden in Verbindung mit weiteren Vorteilen der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • In der Zeichnung ist eine als Beispiel dienende Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
    • Figur 1
    in schaubildlicher Darstellung eine Turbomaschine mit einem zur Verbesserung der Übersichtlichkeit teilweise aufgebrochenen Statorgehäuse;
    Figur 2
    einen lotrechten Längsschnitt durch die Darstellung gemäß Figur 1;
    Figur 3
    einen lotrechten Querschnitt durch das linke Ende der Figur 2;
    Figur 4
    einen Horizontalschnitt durch die Turbomaschine gemäß Figur 1;
    Figur 5
    in vergrößertem Maßstab in Draufsicht eine Prinzipskizze von zwei miteinander kämmenden Schraubenspindeln und
    Figur 6
    ein Temperatur- und Druckdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren.
  • Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Turbomaschine mit zwei achsparallelen, in entgegengesetzten Richtungen aber mit gleicher Drehgeschwindigkeit antreibbaren, kammförmig ineinandergreifenden Schraubenspindeln 1, 2, die mantelseitig von einem Stator 3 dicht umschlossen sind, der nach außen mit einer Wärmeisolierung 4 versehen ist (siehe auch Figur 5).
  • Jeder Schraubenspindel 1, 2 ist ein drehfest mit ihr verbundener Verdichter 5 vorgeschaltet und eine ebenfalls drehfest mit ihr verbundene Arbeitsmaschine 6 nachgeschaltet, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel schematisch als Turbine dargestellt ist. Die Förderrichtung der vom Verdichter 5 angesaugten Frischluft ist durch einen Pfeil 7 gekennzeichnet.
  • In Förderrichtung 7 gesehen liegt vor der Arbeitsmaschine 6 für die über die Schraubenspindeln 1, 2 angeförderte Luft eine Vorbrennkammer 8, die mit einer Kraftstoff-Einspritzdüse 9 sowie einer Zündkerze 10 bestückt ist. Der Luftaustritt der Arbeitsmaschine 6 mündet in eine Nachbrennkammer 11, die ebenfalls eine Kraftstoff-Einspritzdüse 9 sowie eine Zündkerze 10 aufweist und über ein Abgasrohr 12 mit dem benachbarten Ende des Wellenhohlraumes 13 der jeweils als Hohlwelle ausgebildeten Schraubenspindel 1, 2 verbunden ist.
  • Figur 5 läßt erkennen, daß die beiden Schraubenspindeln 1, 2 zusammen mit dem sie dicht umschließenden Stator 3 sich jeweils über einen Gewindeabschnitt 14 erstreckende, weitgehend abgeschlossene Luftkammern 15 bilden, die bei Drehung der Schrauben-spindeln 1, 2 von einem Luftansaugstutzen 16 (siehe Figuren 1 und 3) in axialer Förderrichtung 7 zu einem nicht näher gekennzeichneten Lufteinströmbereich der drehfest mit der jeweiligen Schraubenspindel 1, 2 verbundenen Arbeitsmaschine 6 verschoben werden. Soll die von den Schraubenspindeln 1, 2 geförderte Luft auf ihrem Förderweg zusätzlich zu dem vorgeschalteten Verdichter 5 verdichtet werden, kann für die Gewindeabschnitte 14 eine in Förderrichtung 7 abnehmende Steigung vorgesehen werden. Figur 5 zeigt im rechten Abschnitt der Schraubenspindel 1, 2 eine Steigung 17 und eine demgegenüber verringerte Steigung 18 im linken Abschnitt der Figur 5.
  • Der Wellenhohlraum 13 jeder Schraubenspindel 1, 2 ist gegenüber den Luftkammern 15 als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet, der im Bereich des Luftansaugstutzens 16 in einem Auspuff 19 mündet. Dabei kann jeder Wellenhohlraum 13 mit Abgasleiteinrichtungen 20 bestückt sein, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf einer gemeinsamen Achse 21 angeordnete Leitschaufeln sind.
  • Werden über einen nicht näher dargestellten Anlasser die beiden an ihrem einen Ende mit dem Verdichter 5 und an ihrem anderen Ende mit der Arbeitsmaschine 6 bestückten Schraubenspindeln 1, 2 gegeneinander in Rotation versetzt, saugen die Verdichter 5 über den Luftansaugstutzen 16 Frischluft an, die dann nach ihrer Verdichtung dem in den Figuren 1, 2 und 4 rechten Ende der Schraubenspindeln 1, 2 zugeführt wird. Hier wird die vorverdichtete Frischluft sozusagen portionsweise nacheinander in die in axialer Förderrichtung 7 vorwandernden Luftkammern 15 eingespeist, in denen die vorverdichtete Frischluft auf ihrem Förderweg zu der Arbeitsmaschine 6 durch die den Gegenstromwärmetauscher durchströmenden Abgase isochorisch, also bei konstantem Kammervolumen erwärmt wird. Die Abgaswärme wird somit in Temperatur- und Druckerhöhung der zur Arbeitsmaschine angeförderten Frischluft umgesetzt. In der im Ausführungsbeispiel vorgesehenen Vorbrennkammer 8 erfolgt dann eine teilweise Luftverbrennung. Die durch Leistungsabgabe in der Arbeitsmaschine 6 entspannte, aber noch heiße Luft wird dann in der Nachbrennkammer 11 noch weiter aufgeheizt. Diese aufgeheizten Abgase strömen dann von der Nachbrennkammer 11 über das Abgasrohr 12 durch den Wellenhohlraum 13 jeder Schraubenspindel 1, 2 und geben über deren innere Mantelfläche Wärme an die in den Luftkammern 15 eingeschlossene Luft ab, die dadurch in der vorstehend beschriebenen Weise isochorisch erwärmt wird. Nachdem die Temperatur der Abgase auf der Gegenstrom-Wärmetauscherstrecke auf etwa die Temperatur der angesaugten Frischluft abgesenkt wurde, treten die Abgase aus dem Auspuff 19 aus.
  • Auf der Gegenstrom-Wärmetauscherstrecke l20 (siehe Figur 6) dienen die im Ausführungsbeispiel als Schnecke angedeuteten Abgasleiteinrichtungen 20 zur Vergrößerung der Wandungsflächen, über die Wärme an die Luftkammern 15 abgegeben werden soll. Um eine gute Wärmeleitung zu erzielen, müssen die z.B. schneckenförmig ausgebildeten Abgasleiteinrichtungen 20 mit ihrer äußeren Mantelfläche fest an der Mantelfläche des Wellenhohlraumes 15 anliegen. Fertigungstechnisch kann der Einbau so erfolgen, daß die gesamte Abgasleiteinrichtung aus auf einer gemeinsamen Achse 21 angeordneten Leitschaufeln besteht und nach einer Unterkühlung konzentrisch in den Wellenhohlraum 13 eingeschoben wird, wo sich dann bei Erwärmung der Luftleiteinrichtung auf Raumtemperatur die Leitschaufeln mit ihren Außenrändern unter Spannung an die Mantelfläche des Wellenhohlraumes 13 anlegen.
  • In Figur 4 sind für die beiden Schraubenspindeln 1, 2 Lager 22 sowie Zahnräder 23 für die Drehverbindung der beiden Schraubenspindeln angedeutet.
  • Hinsichtlich des Verfahrensablaufes zeigt Figur 1 mit dem Bezugszeichen 16 das Ansaugen, mit dem Bezugszeichen 5 das Verdichten, mit den in Förderrichtung 7 ersten Zündkerzen 10 die Außenverbrennung, den durch die Arbeitsmaschine 6 symbolisierten Arbeitstakt, mit der darauf folgenden Kraftstoff-Einspritzdüse 9 und Zündkerze 10 die Innenverbrennung und mit dem Bezugszeichen 19 den Ausschub der Abgase nach deren Temperaturabsenkung im Wärmetauscher.
  • Figur 6 zeigt ein Temperatur- und Druckdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren. Dabei sind Temperatur und Druck jeweils über die nutzbare Länge l1,2 der Schraubenspindeln aufgetragen. Diese Länge l1,2 setzt sich zusammen aus den Teillängen l5 für den Verdichter 5, l20 für den Gegenstromwärmetauscher und l6 für die Arbeitsmaschine. QK bezeichnet die aus dem Kraftstoff gewonnene Wärme, QT den Wärmeaustausch und P die Motorleistung, also die Leistung der Arbeitsmaschine 6.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Turbomaschine, wobei als Arbeitsmedium Frischluft angesaugt, dann in einzelnen abgeschlossenen, in Förderrichtung (7) aufeinanderfolgenden Förder- und Erwärmungskammern (15) kontinuierlich in Förderrichtung gefördert und hierbei isochorisch erwärmt wird, und dann in eine Arbeitsmaschine (6) eingeleitet wird, in der der insbesondere durch die isochorische Erwärmung erzeugte Luftüberdruck durch Leistungsabgabe weitgehend abgebaut wird, wobei die Luft vor ihrer Einleitung in die Arbeitsmaschine (6) und/oder die aus der Arbeitsmaschine (6) austretende Luft mit Kraftstoff vermischt und eine Verbrennung eingeleitet wird, worauf die durch die Verbrennung weiter erhitzten Verbrennungsgase im Gegenstrom, also entgegen der Förderrichtung (7) der Förder- und Erwärmungskammern (15) an diesen so vorbeigeleitet werden, daß die angesaugte Frischluft bei ihrer kontinuierlichen Förderung in Förderrichtung in den Förder- und Erwärmungskammern (15) sukzessive isochorisch erwärmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbomaschine in einem gegenüber dem Umfeld weitgehend wärmeisolierten System betrieben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die angesaugte Frischluft vor ihrer isochorischen Erwärmung verdichtet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Verbrennungsgase auf der Gegenstrom-Wärmetauscherstrecke auf etwa die Temperatur der angesaugten Frischluft abgesenkt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Kraftstoffteilmenge vor der Arbeitsmaschine (6) in die isochorisch erwärmte Frischluft eingebracht und zumindest eine Teilverbrennung bereits vor der Arbeitsmaschine (6) eingeleitet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in zumindest einige der Förder- und Erwärmungskammern (15) Wasser eingesaugt oder eingespritzt wird.
  7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zumindest zwei achsparallelen, in entgegengesetzten Richtungen aber mit gleicher Drehgeschwindigkeit antreibbaren, kammförmig ineinandergreifenden, jeweils als Hohlwelle ausgebildeten Schraubenspindeln (1, 2), die zusammen mit einem sie mantelseitig dicht umschließenden, nach außen mit einer Wärmeisolierung (4) versehenen Stator (3) sich jeweils über einen Gewindeabschnitt (14) erstreckende, weitgehend abgeschlossene Luftkammern (15) bilden, die bei Drehung der Schraubenspindeln (1, 2) von einem Luftansaugstutzen (16) in axialer Förderrichtung (7) zu einem Lufteinströmbereich einer drehfest mit den Schraubenspindeln (1, 2) verbundenen Arbeitsmaschine (6) verschoben werden, vor deren Lufteintritt und/oder nach deren Luftaustritt eine Brennkammer (8, 11) vorgesehen ist, die eine Kraftstoffzufuhr- und Zündeinrichtung (9, 10) aufweist,
    wobei die Abgase über ein Abgasrohr (12) jeweils in das dem Luftansaugstutzen (16) gegenüberliegende Ende eines Wellenhohlraumes (13) eingeleitet werden, der gegenüber den Luftkammern (15) als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist und im Bereich des Luftansaugstutzens (16) in einen Auspuff (19) mündet.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmaschine (6) eine Turbine ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schraubenspindel (1, 2) ein Verdichter (5) vorgeschaltet ist, der mit der Arbeitsmaschine (6) auf der gleichen Welle arbeitet.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schraubenspindel (1, 2) zumindest einen axialen Abschnitt mit in Förderrichtung (7) abnehmender Gewindesteigung (17, 18) aufweist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wellenhohlraum (13) mit Abgasleiteinrichtungen (20) bestückt ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleiteinrichtungen (20) schneckenförmig ausgebildet sind und mit ihrer äußeren Mantelfläche fest an der Mantelfläche des Wellenhohlraumes (13) anliegen.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Arbeitsmaschine (6) für die über die Schraubenspindeln (1, 2) angeförderte Luft ein Vorbrenner (8) angeordnet ist, der eine Kraftstoffzufuhr- und Zündeinrichtung (9, 10) aufweist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstromwärmetauscher (13, 20, 21) noch eine zwischen der Wärmeisolierung (4) und der Außenwandung des Stators (3) hindurchgeführte, in den genannten Auspuff (19) mündende Abgasleitung aufweist.
EP00945606A 1999-06-12 2000-06-09 Verfahren zum betreiben einer turbomaschine und turbomaschine Expired - Lifetime EP1301695B1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19926891 1999-06-12
DE19926891A DE19926891C2 (de) 1999-06-12 1999-06-12 Verfahren zum Betreiben einer Turbomaschine und Turbomaschine
PCT/DE2000/001857 WO2000077363A1 (de) 1999-06-12 2000-06-09 Verfahren zum betreiben einer turbomaschine und turbomaschine

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EP1301695A1 EP1301695A1 (de) 2003-04-16
EP1301695B1 true EP1301695B1 (de) 2007-01-17

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