DE1245491B

DE1245491B - Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer Gasturbine

Info

Publication number: DE1245491B
Application number: DES91361A
Authority: DE
Inventors: Michel Robert Garnier
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1963-06-07
Filing date: 1964-06-03
Publication date: 1967-07-27
Also published as: FR1366969A; GB1066547A; US3349248A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H02k

Deutsche Kl.: 21 d3 -1/01

Nummer: 1245 491

Aktenzeichen: S 91361 Vnib/21 d3

Anmeldetag: 3. Juni 1964

Auslegetag: 27. Juli 1967

" Es sind bereits Einrichtungen bekannt, die es gestatten, Wärmeenergie unmittelbar in elektrische Energie umzuwandeln. Diese Einrichtungen, die auf dem Prinzip der thermoionischen Emission beruhen, enthalten im allgemeinen, eine Kathode oder Elektronenemitter, und eine Anode oder Elektronensammler.

Die Kathode wird auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, um den in ihr festgehaltenen Elektronen eine solche kinetische Energie mitzuteilen, daß sie die Austrittsarbeit der Kathode überwinden, d. h. aus der Kathodenoberfläche austreten können und sich unter dem Einfluß des durch die Elektronen selbst gebildeten Raumladungsfeldes, oder gegebenenfalls unter der Einwirkung einer in der Nähe der Kathode angelegten negativen Spannung zur Anode bewegen können.

Es ist ferner bereits bekannt, die Wärme der Abgase von Verbrennungskraftmaschinen, die normalerweise in der Atmosphäre verlorengeht, zur Erzeugung von elektrischer Energie auszunutzen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß der Betrag an elektrischer Energie, der so erzeugt werden kann, durch die relativ niedrige Temperatur der genannten Abgase (weniger als 1000° C) nur sehr gering ist. Diese niedrige Temperatur reicht, insbesondere wenn man die unvermeidlichen Temperaturverluste beim Wärmetransport mit berücksichtigt, nicht aus, um die Kathode eines thermoionischen Wandlers so zu erhitzen, daß · eine intensive Elektronenemission auftritt und so ein nennenswerter elektrischer Strom erzeugt wird.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile der bekannten, zusammen mit einer Verbrennungskraftmaschine betriebenen thermoionischen Wandler zu beseitigen.

Sie geht aus von einer Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer Gasturbine, die einen mit ihr verbundenen Generator antreibt, und einem einen Gleichstrom erzeugenden -thermoionischen Wandler, dessen Kathode durch die heißen Gase der Gasturbine auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der sie Elektronen abgibt, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erhitzung der Kathode erforderliche Wärme den heißen Gasen der Gasturbine zwischen dem Brenner und der Turbine durch einen Wärmeaustauscher entzogen wird; der den Wärmetransport von den heißen Gasen zur Kathode bewirkt.

Die Temperatur der Verbrennungsgase der Turbine ist sehr hoch (in der Größenordnung von 1600° C) und gestattet es, die Kathode des thermoionischen Wandlers auf eine Temperatur zu erhitzen, die weit über den Kathodentemperaturen liegt, die· bei ErEinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer Gasturbine

Anmelder:

Societe Nationale d'ßtude

et de Construction de Moteurs d'Aviation, Paris Vertreter:

Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41

Als Erfinder benannt:
Michel Robert Garnier,
Sceaux, Seine (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 7. Juni 1963 (937 462)

hitzung der Kathode durch die Abgase normaler Verbrennungsmotoren erreichbar waren. Es ist so möglich, die thermoionische Emission stark zu erhöhen und einen bemerkenswerten elektrischen Strom zu erzeugen.

Die heißen Verbrennungsgase der Turbine (etwa 1600° C) werden durch den mit der Kathode des thermoionischen Wandlers verbundenen Wärmetauscher auf eine Temperatur von etwa 1000° C abgekühlt. Diese Temperatur ist für die Schaufeln der Turbine gerade tragbar, so daß die Turbine als Einkreismaschine ausgeführt werden kann, auf die Beimischung von kalter Sekundärluft zum Herabsetzen der Gastemperatur an den Turbinenschaufeln also verzichtet werden kann. Die Erfindung gestattet es .so, einen bemerkenswerten Bruchteil der thermischen Energie der Verbrennungsgase abzuführen und trotzdem an den Turbinenschaufeln eine Temperatur zu erreichen, die für diese gerade tragbar ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zusammen mit der Erhitzung der Kathode des thermoionischen Wandlers über die von den Verbrennungsgasen herrührende Wärme die Abkühlung der Anode des Wandlers, ebenfalls unter Zwischenschaltung eines Wärmeaustauschers, vorgesehen, um einer Erwärmung der Anode durch die aufgreifenden Elektronen entgegenzuwirken, da eine Erwärmung der

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Claims

Anode den Wirkungsgrad des thermoionischen Wandlers veringern würde. Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Die Figur zeigt eine Anordnung, bestehend aus einer Gasturbine mit einem Verdichter 2, der eine AnsaugöfEnung 1 für die Luft und einen Abführkanal 3 besitzt, einer Brennkammer 4, in der der Abführkanal endet und die mit Einspritzdüsen 5, Brennern 6 und einem Zufuhrkanal 7 für die Turbine 8 versehen ist, deren Abgase durch eine Leitung 9 geführt werden, die mit einem Wärmeaustauscher 10 verbunden ist, der strömungsaufwärts • vor der Brennkammer angeordnet ist und einen Abgasstutzen 11 aufweist. Die Turbine 8 ist über eine Welle 14 mit dem Verdichter 2 verbunden, wobei die Welle über Labyrinthdichtungen 25 aus den Gehäusen austritt. Es ist ferner ein thermoionischer Wandler 12 vorgesehen, in dessen Kathode 13, die vorzugsweise aus einem Metall mit niedriger kritischer Temperatur besteht, eine Schlange 16 angeordnet ist,, die Teil eines Wärmeaustauschers ist, der noch eine andere Schlange 15 in der Brennkammer 4 enthält; der notwendige Flüssigkeitsumlauf in diesem Wärmeaustauscher wird durch eine Pumpe 17 geliefert. Die Anode 18 des thermoionischen Wandlers 12 besitzt die Form einer Platte, in der eine Schlange 19 eines zweiten Wärmeaustauschers angeordnet ist, der ebenfalls außerhalb des thermoionischen Wandlers 12 eine weitere Schlange 20 umfaßt, die in einem Kühlbehälter 21 angeordnet ist. Eine Pumpe 22 kann in diesem zweiten Flüssigkeitskreis vorgesehen sein, wenn eine erhöhte Zirkulation notwendig ist. Klemmen 24 für die Abnahme von Gleichstrom sind mit den Anschlüssen der Elektroden 13 und 18 des thermoionischen verbunden, während an den Klemmen eines auf der Welle 14 der Turbine 8 angeordneten Generators 23 Wechselstrom abnehmbar ist. Diese vorstehend angegebene Einrichtung arbeitet folgendermaßen (in Klammern sind Temperaturen angegeben, um eine Vorstellung von den Größenordnungen): Äußere Luft (15° C) wird über die Ansaugöff-. nung 1 des Verdichters 2 angesaugt un'd ihr Druck und ihre Temperatur (180° C) im Verdichter erhöht. Diese Luft durchläuft den Abführkanal 3, erwärmt sich (390° C) bei Berührung mit dem Wärmeaustauscher 10, der einen Teil der noch in ihm befindlichen Wärmeenergie der Abgase, die durch den Abgasstutzen 11 geleitet werden, abgibt. Die Verbrennung des über die Düsen 5 verteilten und nach Zündung hinter den Brennern 6 verbrannten Brennstoffes bringt das Gas auf hohe Temperaturen (1600° C). Dabei wird jedoch auch ein großer Teil der Wärme an die Schlange 15 abgegeben, in der die Flüssigkeit für die Wärmeübertragung umläuft. Das Gas, welches teilweise abgekühlt wird (1000° C), gelangt über den Zuführkanal 7 in die Turbine 8, wo es entspannt und seine Druckenergie in mechanische Rotationsenergie umgewandelt wird, die über die Welle 14 der Turbine auf den Wechselstromgenerator 23 und den Verdichter 2 übertragen wird. Das Gas tritt schließlich über den Abgasstutzenll aus, nachdem es in dem Wärmeaustauscher 10 einen Teil seiner restlichen Wärmeenergie abgegeben hat. " Der Flüssigkeitsumlauf in dem Wärmeaustauscher 15,16 erhöht die Temperatur der Kathode 13 auf einen Wert, bei dem die Elektronenemission eintritt, so daß eine Gleichspannung an den Klemmen 24 geliefert wird. Es ergibt sich somit, daß die beschriebene Anordnung es gestattet, Wechselstrom über die Klemmen des von der Turbine 8 angetriebenen Wechselstromgenerators 23 abzunehmen und Gleichstrom von den Klemmen 24, die mit den Elektroden des thermoionischen Wandlers 12 verbunden sind. Die Anode erwärmt sich bei diesem Vorgang; ihre Temperatur kann dank der in dem Wärmeaustauschet 19/20 umlaufenden und in dem Kühlbehälter 21 abgekühlten Flüssigkeit verringert werden. Es ist bemerkenswert, daß es bei der erfindungsgemäßen Einrichtung nicht notwendig ist, durch Verdünnung mit abgekühlter Sekundärluft die in der Kammer 4 erzeugten brennbaren Gase abzukühlen, da einerseits das Gas bei hoher Temperatur (1600° C) nur feste und robuste Teile trifft, in Form der Schlange 15, die von einem sie abkühlenden Flüssigkeitsstrom durchflossen wird, und andererseits diese Wärmeabgabe an den Flüssigkeitsstrom zur Folge hat, daß in die Turbine 8 Gas mit niedrigerer Temperatur (1000° C) gelangt. Diese Temperatur kann den beweglichen Schaufeln zugemutet werden. Der Vorteil besteht somit darin, daß eine Wärmequelle hoher Temperatur die Elektronenemission begünstigt und der Wärmetransport bei geringer Entropieerhöhung vorgenommen wird. Es ist weiterhin bemerkenswert, daß die nach dem Durchströmen der Turbine 8 in dem Gas verbliebene Wärmeenergie über die Schlange 10 dazu verwendet wird, die Luft oberhalb der Brennkammer 4 vorzuwärmen. Es sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung mit jeder Art von thermoionischem Wandler verwirklicht werden kann. Im besonderen kann der Wandler mehr als zwei Elektroden enthalten, und diese Elektroden können im Vakuum oder in einem Gas angeordnet sein. Schließlich hängt die Erfindung weder von der Art, wie der Wärmetransport von den Brenngasen zur Kathode 13 oder von der Anode zum Wärmeaustauscher 21 (Wärmeleitung, Wärmekonvektion, Wärmestrahlung) vorgenommen wird, noch von der Art des verwendeten Wärmeaustauschers, noch von der Art des Wärmekreislaufes (offen oder geschlossen) ab. Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Ener-. gie mit einer Gasturbine, die eine mit ihr verbundene Maschine antreibt, und einem einen Gleichstrom erzeugenden thermoionischen Wandler, dessen Kathode durch die heißen Gase der Gasturbine auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der sie Elektronen abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erhitzung der Kathode (13) erforderliche Wärme den heißen Gasen der Gasturbine (2, 4, 8) zwischen dem Brenner (6) und der Turbine (8) durch einen Wärmeaustauscher (15,16) entzogen wird, der den Wärmetransport von den heißen Gasen zur Kathode (13) bewirkt.