-
G A S @ U R B I N E Die Erfindung betrifft sine Gasturbine, und insbesondere
ein Gasturbinen-friebwerk mit verbesserter Ausgangsleistung und geringerer Abgastemperatur
und Konzentration an Verunreinigungen.
-
Eine Gasturbine weist im allgemeinen ein Laufrad auf, das auf einer
welle befestigt, beispielsweise verkeilt, und mit @@fangsschaufeln versenen ist,
die jeweils so getormt sind, daß der Aufprall eines Ho@@geschwindigkeits-Gasstrahls
auf die Schaufeln eine Bewegung der Schaufel auf dem Umfang des Laufrades bewirkt;
dadurch wird auf die Welle ein mechanisches Drehmoment ausgeübt. Dabei wird aufgrund
der Übertragung von kinetischer Energie auf die Schaufeln der autprallende Gasstrahl
wesentlich verlangsamt, wenn der Gasstrahl die Einlaßeinrichtung verläßt.
-
Der 0 ben erwähnte @ochgeschwindigkeits-Gasstrahl erfordert die Zulieferung
eines Gases mit hohes Druck und mit hoher Temperatur; dazu kann beispielsweise ein
Gasgenerator verwendet werden. Ein solcher Gaserzeuger muß eine Binrichtung aufweisen,
die Luft komprimiert und die komprimierte Luft zu einer Verbrennungskammer oder
einem Verbrennungszylinder liefert, in der ein @rennstoff an Luft unter Erzeugung
von Ver-Orennungsgasen verbrannt werden kann; weiterhin muß ein solscher Gas generator
auc eine Einrichtung enthalten, um diese Gase teilweise zu expandieren, damit die
notwendige Energie für die Kompression der Luft erzeugt werden kann. Beispiele für
einen solchen Gaserzeuger sind eine Freikolbenmaschine, wie sie später im folgenden
besc.arieben werden soll, oder ein Rotationskompressor bzw. Umlaufverdichter, der
einer Verbrennungskammer Luft zufünrt und durch eine weitere Gasturbine angetrieben
wird, wie es üblicherweise bei Gasturbinen-Triebwerken vorgesehen ist, die auf vielen
Anwendungsgebieten eingesetzt werden können.
-
Ini allgemeinen weist die Gaseinlaßeinrichtung für die Turbine einen
Satz von Düsen oder einen Düsenring bzw. Leitkranz auf, von dem das Gas mit hoher
Geschwindigkeit abgegeben wird, um auf die Turbinenschaufeln aufzutreffen. Das zugeführte
Gas befindet sich auf hoher Temperatur und hohem Druck; beim Verlassen der Düse
findet eine im wesentlichen adiabatische Expansion statt, beider die Auslaßtemperatur
des Gases wesentlich verringert wird. Diese adiabatische
Expansion
und der folgende Abfall der Gastemperatur beeinflußt direkt den Wirkungsgrad der
Turbine, da er eine Funktion der Energie ist, die an der Ausgangswelle in das mechanische
Drehmoment umgewandelt wird. In einem typischen Fall ist jedoch die Temperatur aes
Abgases nocn relativ hoch, sodaß sich bei vielen Gelegenheiten eine beträchtliche
Verschwendung von nutzbarer Energie aus dem Binlaßgas ergibt.
-
Weiterhin stellt der Ausstoß von Abgasen mit so hohen Temperaturen
einen wesentlichen lwJachteil bei der Entwicklung von kommerziell akzeptablen Gasturbinenmotoren
für Personenkraftwagen und ählllicize Fahrzeuge darlbei aenen der Sicherheitsfaktor
von sehr großer Bedeutung ist.
-
Ein weiteres Problem bei vielen Gasturbinensystemen liegt in der Verunreinigung
von dem Verbrennungsprozess, der das Arbeitsgas für die Turbine liefert; dieses
Gas ist das Produkt der Verbrennung einer flüchtigen Mischung eines Brennstoffs
-wie beispielsweise Dieselöl bzw. Dieselkraftstoff, Benzin oder Rohöl - mit komprimierter
Luft. Allgemein ausgedrückt ist die Arbeitsleistung eines Verbrennungsprozesses
eine Funktion der maximal erreichten Verbrennungstemperatur und des Drucks der entwickelten
Verbrennungsgase. Mit Hochtemperatur-Verbrennungskammern ist jedoch ein Verunreinigungsproblem
verbunden, da sich beträchtliche Mengen von Oxiden des Stickstoffs bilden, die im
folgenden als Stickoxide oder NOx bezeichnet werden sollen. Diese Verunreinigung
strömt nämlich durch die Turbine und wird zusammen mit den Abgasen
von
ihr ausgestoßen.
-
Ausgellend von den obigen Erläuterungen liegt deshalb der vorliegenden
Erfindung unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Gasturbine mit verringerter
Abgastemperatur und erhöhtem Gaseinlaßdruck zu schaffen, deren Abgase nur geringere
Mengen an NOx Verunreinigungen enthalten.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Gasturbinen-Triebwerk geschaffen,
das eine Gasturbine mit einer Gaseinlaßeinrichtung und einer Gasauslaßeinrichtung1
einen Generator für das Verbrennungsgas mit einer Auslaßeinrichtung für das Verbrennungsgas,
die mit der Einlaßeinrichtung für das Turbinengas in Verbindung steht, und einen
Wärmetauscher mit pwimaren und sekundären Kreisläufen aufweist, wobei der primäre
Kreislauf mit der Gasauslaßeinrichtung der Turbine in Verbindung steht und der sekundäre
Kreislauf zwischen eine Quelle für ein unter Druck stehendes, flüssiges, fluides
Medium, das bei dem erforderlichen Druck durch das Abgas der Turbine in dem ersten
Kreislauf verdampft werden kann, und eine Einrichtung geschaltet ist, um das fluide
Medium in Gasform in die Leitung für die komprimierte Luft des Gasgenerators einzuführen,
beispielsweise einzuspritzen.
-
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert.
-
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinen-Triebwerks,
bei dem die Prinzipien der vorliegenden Erfindung vervwe-lldet werden; und Fig.
2 eine Querschnittsansicht eines Freikolbenmotors, der bei dem Gasturbinen-Triebwerk
nach der vorliegenden Erfindung angewandt werden kann.
-
Wie sich insbesondere aus Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung ergibt,
weist eine Turbinenstufe 10 eine Einlaßgasdüse 11, ein Laufrad 12, das auf einer
Ausgangswelle 13 angebracht, beispielsreise verseilt ist, eine Laufradkammer 1.4
und eine Abgasleitung 5 auf. Ein Gas 16 illit erhönter £eniperatur tritt mit hoher
Getrifft schwindigkeit aus der Düse il aus und auf das Laufrad 12, das ein mechanisches
Drehmoment auf die Welle 13 ausübt und dadurch ire Drehung bewirkt. Das Gas 16 wird
einer im wesentlichen adiabatiscnen Expansion unterzogen und verläßt die Laufradkammer
14 durch die Abgasleitung 15.
-
Das Gas i6 ist das Verbrennungsprodukt des Kraftstoffs, der in dem
Gasgenerator 17 verbrannt wird; es liegt deshalb in der Leitung 1ú, die den Gasgenerator
17 mit der Düse 11 verbindet, mit hohem Druck vor. Der Gaserzeuger hat einen oder
mehrere zur Zuführung des Kraftstoffs dienende Eingänge, die in Ab;längigkeit von
dem Typ des Gasgenerators und des darin verbrannten
Kraftstoffs
unterschiedliche Formen haben können; weiterhin weist der Gasgenerator einen Einlaß
für die Aussenluft und eine Übertragungsleitung 7a für die komprimierte Luft auf.
-
Die bisher schematisch beschriebene Anordnung wird herkömmlicherweise
bei Gasturbinen-Triebwerken verwendet, die auf vielen Anwendungsgebieten eingesetzt
werden können.
-
Gemäß der vorliegenden erfindung ist eine Abgasleitung 15 mit dem
primären Kreislauf 19a eines Wärmetauschers 19 verbunden. Der sekundäre Kreislauf
l9b des Wärmetauschers ist init einer Vorratsquelle eines unter Druck stehenden
flüssigen fluiden hediums verbunden; außerdem ist die Aulaßseite des sekundären
Kreislaufs 19b an einen Einlaß 20 für den Gasgenerator 17 angeschlossen. Das fluide
Mediu in dem sekundären Kreislauf 19b des Wärmetauschers wird erwärmt und durch
das heiße Abgas verdampft, das durch den primären Kreislauf 19a strömt. Anschließend
wird das fluide Medium in Gasform unter Druck in den Gasgenerator 17 geführt. Damit
wird die Stromungsgeschwindigkeit des Verbrennungsgases von dem Generator 17, ausgedrückt
in Volumeneinheiten, durch die Hinzufügung des zusätzlich eingespritzten, unter
Druck stehenden Gases erhöht, sodaß die Austrittsgeschwindigkeit des sich ergebenden
Gases aus der Düs-e 11 in entsprechender Weise ansteigt.
-
Das mechanische Drehmoment, das auf die Ausgangswelle 13 übertragen
wird, ist eine Funktion der Kraft, die auf die Laufradschaufeln ausgeübt wird; d.ii.
also, daß auf diese Weise das
Drehmoment erhöht wird; da die erte
Ausgangsleistung vollständig von der sonst überscllüssigen Energie, insbesondere
der Abwärme, des Abgases geliefert wird, steigt der thermische Wirkungsgrad des
Triebwerks in entsprechender Weise an.
-
Ein wesentlicher Effekt der Injektion des zusätzlichen gasförmigen
fluiden Mediums in den Gas generator liegt in der Erhöhung der Wärmekapazität der
Verbrennungsgase und damit einer Verringerung der maxinialen Gastemperatur nach
der Verbrennung.
-
Obwohl ein Absinken der Verbrennungstemperatur selbst den Wirkungsgrad
des Verbrennungsprozesses und damit den gesamten Wirkungsgrad der Ausgangsleistung
des Triebwerks verringern würde, so wird doch diese Verringerung mehr als ausgeglichen
durch die erhöhte Strömungsgeschwindikeit, ausgedrückt in Voluijieneinheiten, die
sich dadurch ergibt, daß das gasförmige fluide Medium unter relativ hohem Druck
in die Brennkammer eingeführt, beispielsweise eingespritzt wird. Dadurch ergibt
sich also eine Netto-Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades und der Ausgangsleistung,
die von einer niedrigeren Brennkammertemperatur begleitet ist.
-
Bereits oben wurde darauf hingewiesen, daß die Stickoxide NOx eine
wesentliche Verunreinigung bei jedem Prozess darstellen, für den Luft bei hohen
Temperaturen verbrannt werden muß. Es hat sich herausgestellt, daß es im allgemeinen
eine kritische Temperatur für jeden bestimmten Typ von Brennkammer,
jedes
Kraftstoffgemisch, jeden Verbrennungsdruck, usw. ergibt; oberhalb dieser kritischen
Temperatur steigen die NOx-Emissionen scharf an, sodaß angestrebt wird, diese Temperatur
für die spezifischen Parameter des Verbrennungsprozesses zu bestimmen. Dies läßt
sich relativ einfach durch Experimente und Berechnungen durchführen; ist die kritische
Temperatur einmal bestimmt so können die Injektionsgeschwindigkeit und der Druck
des gasförmigen fluiden j'jediums ohne Schwierigkeiten so eingestellt werden, daß
sic eine geeignete Temperatur in der Brennkammer ergibt. Dabei muß weiterhin berücksichtigt
werden, daß eie zu starke Abkühlung der Brennkammer zu einem merklichen Absinken
des Wirkungsgrades sowie zu der Emission von anderen Verunreinigungen- beispielsweise
Kohlenwasserstoffenführt, die unvollständig verbrannt werden, die optimale maximale
Temperatur in der Brennkammer sollte deshalb etwas über der kritischen Temperatur
für die ifOx-Emission liegen. Wie oben erwähnt wurde, läßt sich die optimale Temperatur
leicht durch Einstellung der Zuführgeschwindigkeit und des Drucks des gasförmigen
fluiden Mediums erreichen; dazu müssen nur der Wärmetauscher und die zugehörigen
Absperrorgane usw. in geeigneter Weise ausgelegt und geeicht werden.
-
Die Zusammensetzung des verdampften fluiden Mediums stellt keine kritische
Größe dar, wobei selbstverständlich vorausgesetzt wird, daß sie mit dem speziellen
verwendeten Verbrennungsprozess verträglich ist; weiterhin darf die Zusammensetzung
nicht zu chemischen oder mechanischen Beschädigungen
an der Brennkammer
und dem Turbinenmecnanismus fünren.
-
Für die meisten Anwendungsfälle ist Dampf senr gut geeignet und läßt
sich auch onne Nachteile bei den verschiedenen Verbrennungsprozessen einsetzen,
die üblicherweise benutzt werden; in diesem Fall würde dem zweiten Krislauf des
Wärmetauschers unter bruck stehendes Wasser zugefünrt werden. Bei Bedarf kann ein
wesentlicher Anteil des Wassers durch Kondensation der Abgase der Turbine erreic@t
werden; dadurc@ ergi@t sich also ein Umlaufsystem, dem von einen äußeren Vorratsbehälter
nur eine geringe Wassermenge als Ersatz des abgeschiedenen Wassers zugeführt werden
muß.
-
In Fig. 2 der Zeichnangen sind die konstruktiven Grundelemente eines
Freikolbenmotors dargestellt, der als Gasgenerator bei dem Gasturbinen-Triebwerk
nach der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Diese Maschine weist einen
Brennzylinder 21 mit offenen Enden auf, in dem gegenüberliegende langgestreckte
Kolben 25 angeordnet sind. Iii der iiitte des Zylinders 21 ist eine Einspritzvorrichtung
23 für den Kraftstoff vorgesehen. Eine Einlaßöffnung 24 fürdie komprimierte Luft
befindet sic in der ane eines indes des Zylinders 21, während siciI eine Auslaßöffnung
25 für das Verbrennungsgas in der Nähe des anderen Endes des Zylinders befindet.
-
Die Einrichtung, die der Einlaßöffnung 24 komprimierte Luft zuführt,
weist Verdichterzylinder 26, die koaxial damit an den jeweiligen Enden der Brennzylinder
21 vorgeseilen sind,
und Verdichterkolben 27 auf, die in dem Zylinder
26 verschiebbar und einstückig mit den Kolben 22 ausgebildet sind.
-
Das Ende eines jeden Zylinders 26 ist für den Luftauslaß mit Einweg-Absperrorganen
29 versenen, die durch ein Rohr 3G mit der Einlaßöffnung 24 für die Brennkammer
in Verbindung steilen; eiteriü' j st ein Rohr 31 vorgesehen, durch das Dampf von
dem Wärmetauscher des Turbinensbgases zugeführt wird. Um jeden nylinder 26 ist ein
Ring mit einzelnen, im Abstand zuelnanuer angeordneten Einlaßöffnungen 32 vorgesehen.
-
Im folgenden soll die Funktionsweise der Maschine beschrieben werden.
-
In der in rig. 2 gezeigten Stellung haben sich die Kolben 22 aufeinanderzubewegt,
sodaß ein relativ kleiner Raum eingeschlossen ist, in den die Binspritzvorrichtung
23 für den Kraftstoff den Kraftstoff versprüht. Der abgeschlossene Raum enthält
ein Gemisch aus komprimierter Luft und dem Kraftstoff, der von der Einspritzvorrichtung
23 versprüht wird; die komprimierte Luft wird durch die Öffnung 24 in den Zylinder
21 gedrückt, wenn die Kolben 22 den größten Abstand voneinander haben (wie im folgenden
erläutert werden soll); durch die Bewegung der Kolben nach innen wird die Luft noch
weiter komprimiert. Die hohe Kompressionswärme des zusammongedrückten Luft/Kraft
stoff- Gemisches bewirkt eine Explosionsverbrennung, die die Kolben mit großer Geschwindigkeit
auseinanderdrückt.
Die Kolben 27 bewegen sich nun mit gleicher Geschwindigkeit in Richtung auf die
Enden der Zylinder 26, sodaß die in den Enden des Zylinders eingeschlossene Luft
durch das Rohr 30 gedrückt wird. Wenn sich die Kolben 22 auseinanderbewegen, kommt
die Öffnung 24 mit dem Innern des Zylinders 21 in Verbindung, das durch die Kolben
22 eingeschlossen wird; Luft von dem Rohr 30 wird unter beträchtlichem Druck, der
durch die Verdichterkolben 27 erzeugt wird, in diesen Raum geslzungen. Weiterhin
läßt sich aus Fig. 2 erkennen, daß zu diesem Punkt die Auslaßöffnung 25 auch für
den Raum zlrischen den Kolben 22 und den darin enthaltenen Verbrennungsgasen freigegeben
wird. Damit spült die durch die Öffnung 24 eintretende Luft den Zylinder 21, indem
die Verbrennungsgase durch die Auslaßöffnung 25 nach außen gedrückt werden. Diese
Gase werden dann auf die oben beschriebene Weise der Gasturbine zugeführt.
-
Die expandierenden Verbrennungsgase zwingen die Kolben 27 auseinander,
wobei die Luft komprimiert wird, die lurch die Einweg-Absperrorgane 29 in das Rohr
30 gedrückt wird. Um die Kolben 22 für den nächsten Kompressionshub der Gase in
der Brennkammer 21 zurückzuführen, müssen die Kolben 27 mittels eines Rückprallmechanismus
zurückgebracht werden. Gemäß Fig. 2 ergibt sich ein solcher Mechanismus aus dem
Aufbau der Kolben; danach sind die Kolben 27 und ein Teil eines jeden Kolbens 22
längs ihrer Achsen hohl ausgebildet, wobei stationäre Stößel oder Stempel 34 vorgesehen
sind, die von
den Stirnwänden der Kompressorzylinder vorstehen
und in die hohlen Kolben ragen. Dadurch ergibt sich also ein Luftraum 33 in Jedem
Kolben 22; wenn die Kolben 22 unter dem Einfluß des Verbrennungshubs nach außen
gedrückt werden, wird das Volumen dieses Luftrauiijs plötzlich sehr stark verringert;
die plötzliche Kompression der Luft in diesem Raum übt eine Rückfederungskraft auf
die Zylinder 22 aus, sodaß sie zusammen wieder zurückgedrückt werden. Obwohl bei
einer bevorzugten Ausführungsform die dargestellte Anordnung verwendet wird, können
selbstverständlich auch geeignete Rückprall-oder Riickfederungszylinder außerhalb
der Luftverdichterzy linder und entfernt von den Kolben 22 angeordnet werden, wenn
dies erwünscht wird.
-
Beim letzten Teil seines Auswärtshubs gibt ein Kolben 22 die Abgasöffnung
25 frei; unmittelbar darauf folgt der andere, der die Einlaßöffnung 24 freigibt.
Näherungsweise die Hälfte der aus den. Verdichterzylindern abgegebenen Luft wird
dazu verwendet, die Zylinder zu spülen und von innen zu kühlen; der Rest wird zwischen
den Kolben eingeschlossen, wenn sie nach innen aufeinanderzu zurückfedern und die
Öffnungen 24 und 25 bedecken.
-
Die Luft- und Dampfmasse, die bei voller Leistung eingeschlossen wird,
nähert sich in einem typischen Falle einer Aufladung bzw. Vorverdichtung von 300%,
während bei dem herkömmlichen Dieselmotor die Aufladung nur 30% beträgt.
Diese
Steigerung ist bei einem Freikolbennotor möglich, da keine Kurbelwelle, Lager für
die Verbindungsstange, usw. vorhanden sind, die alle zu enorgieverbrauchenden Reibun
gs@und Trägheitskräften führen würden. Weiterhin können durch geeignete Regulierung
der Einspritzrate für den Kraftstoff die maximalen erreichten Temperaturen und Drücke
geringer sein als die fiir einen herkömmlichen Dieselmotor, wobei jedoch der Winkungsgrad
immer noch besser ist.
-
ijn werden die Kolben 22 wieder gemeinsam bewegt, sodaß sie die Öffnungen
24 auf ihrer Bahn blockieren und das komprimierte Luft-Dampfgemisch weiter zusammendrücken,
das in der Brennkammer eingeschlossen ist, die durch die Kolben und den Zylinder
21 gebildet wird. Während dieses Hubs wird der Kraftstoff wieder in die Brennkammer
eingespritzt, sodaß sich das gewünschte brennbare Luft/Kraftstoff-Gemisch ergibt.
-
Während dieses Hubs geben die Kolben 27, die sich aufeinanderzu bewegen,
die Einweg-Absperrorgane 32 für den Lufteinlaß frei, sodaß Luft in das Innere der
Zylinder 26 als Vorbereitung zu ihrer Verdichtung eintreten kann, wie oben beschrieben
lsurde.
-
Während der Verbrennung des LuftX'Kraftstoff-Gelilisches hat der darin
vorhandene Dampf die Wirkung, die erreichte maximale Verbrennungstemperatur auf
einen Wert etwas unterhalb der kritischen Temperatur für die NOx Emission zu senken,
während dieser Dampf- der unter Druck steht - gleichzeitig dazu dient,
die
zur Verfügung stehende Energie und Ausgangsleistung des Motors zu erhöhen.
-
Aus thermodynamischen Berechnungen, bei denen ein Turbinentriebwerk
mit einer Freikolbenmaschine des allgemeinen, oben beschriebenen Typs simuliert
wiirde, wurde eine Reihe von Vergleichsergebnissen mit zu und ohne das Einspritzsystem
für das gasförmige, fluide Medium nach der Erfindung erhalten. Bei jeder Simulation
des Betriebszustandes wurden die folgenden Bedingungen und Annahmen beibehalten.
-
Der "Diesel" Zyklus war ein Doppelverbrennungszyklus (Dual Combustion
cycle) mit maximaler Verdichtung = 112 kp/cm2 abs. (1600 psia).
-
Variationen der Gaszusammensetzungen und der spezifischen Wärmon wurden
berücksichtigt.
-
Der Kraftstoff war Oktan (das äquivalente Verhältnis für eingeschlossene
Luft/Kraftstoff wäre für Gas/Öl näherungsweise 3% niedriger) Druckverlustfaktor
= 1,2 Frequenz = 2330 Zyklen pro Min.
-
Verhältnis von eingeschlossener Luft/Kraftstoff = 35 Wirkungsgrad
des Verdichters = 90% Wirkungsgrad der Turbine = 85%
- 15 -Trockener,
gesättigter Dampf von 6,3 kp/cm2 (90 psia) wurde mit Luft in dem Rohranschluß fiir
die Luft (Zuführungsrohr 30 in Fig. 2) vollständig gemischt.
-
Es ergaben sich die folgenden Resultate: Gesamtdampf/Kraftstoff-Verhältnis
0 4 Abgabedruckverhältnis 5 5,4 Gesamtwärmeverluste 4% 4% Kühlverluste vor der Spitzentemperatur
O 0 Einfangtemperatur °C (°F) 288°C(550°F) 288°C (550°F) Verdichtungstemperatur
°C (°F) 876°C(1610°F)860°C (1580°F) maximale Verbrennungstemperatur °C (°F) 1827°C(3320°F)
1681°C (3058°F) (Zulieferungsverhältnis) 2,16 2,0 Strömung der Luftmasse in kg/Min.(1b/min.)
15,65 kg/min.(34.5)14,5kg/min(32,0) Zuli eferungst emp eratur oC (°F) 5390C(10020F)
5370C (9980F) Thermischer Wirkungsgrad des Gases (%) 52,5 55,2 Gaspferdestärke 108
113,6 Gesamt-thermischer Wirkungsgrad (%) 44,6 46,9 Abgastemperatur der Turbine
in oc (°F) (nach der Wärmetauschung) - 160 Oc (3200F) Aus den oben zusammengestellten
Resultaten ergibt sich, daß in den interessierenden Bereichen wesentliche Verbesserungen
möglich
sind. Insbesondere steigt durch die Hinzuführung von Dampf in einem Dampf/Kraftstoff-Verhältnis
von 4 das Zulieferungsdruckverhältnis, während die Verdichtungstemporatur und die
maximale Verbrennungstemperatur sinken, letztere von 1827°C (33200F) auf 1681°C
(3058 F). Dieser Abfall ist wesentlich, da die kritische Temperatur für die NO Emission
unter diesen Bedingungen ungefähr 176c)0C (32000F) beträgt.
-
Damit fällt also Qie maximale Verbrennungstemperatur von einem Wert
wesentlich über der kritischen Temperatur für die NOx Emission auf einen Wert eindeutig
unter dieser Temperatur, wodurch eine Verringerung des Volumens an in den Abgasen
emittierten Stickoxiden sichergestellt ist.
-
Ungeachtet des allgemeinen Absinkens der Betriebstemperatur des Motors
durch die Hinzufügung von Dampf steigt jedoch der thermische Wirkungsgrad des Gases
von 52,5 auf 55,2% und die Gaspferdestärken von 108 auf 113,6. Dadurch ergibt sich
ein Anstieg des gesamten thermischen Wirkungsgrades des Turbinentriebwerks von 44,6
auf 46,9.
-
Schließlich sinkt die Abgastemperatur der Turbine von 299 0C (5700F)
auf 2920C (5570F), wobei sich ein weiterer Abfall auf 1600C (3200F) nach dem Durchgang
durch den Wärmetauscher ergibt.
-
Die bei der oben erläuterten Simulation verwendete Freikolbenmaschine
war von dem sogenannten "heißen" Typ,
bei dem relativ hohe Brennkammertemperaturen
verwendet werden.
-
Diese Motoren benutzen sogenannte Labyrinthdichtungen, die keine Schmierung
erfordern; deshalb muß keine Schmiermittelkühlung, beispielsweise durch Strömen
einer Flüssigkeit oder von Luft um die Zylinder, durchgeführt werden Deshalb kann
die Maschine bei einer höheren Temperatur als eine ähnliche, konventionell geschmierte
und gekühlte Maschine betrieben werden.
-
Dadurch ergibt sich eine Steigerung des thermischen Wirkungsgrades
und der Ausgangsleistung der Maschine und damit des gesamten Triebwerks; andererseits
besteht jedoch die G@fahr, daß die Temperatur über die kritische Temperatur für
die Emission von stickoxiden ansteigt.
-
Es soll darauf hingewiesen werden, daß bei einer wassergekühlten Freikolbenmaschine,
die in allen anderen Punkten der oben beschriebenen "heißen" Maschine ähnelt, die
maximale Verbrennungstemperatur ungefähr 3687 C ( 3070°F) beträgt, während der gesamte
thermische Wirkungsgrad ungefähr 39,6% ist. Durch die Einspritzung von Dampf beträgt
die maximale Verbrennungstemperatur der "heißen" Maschine 1681°C (3058°F); d.h.
also, daß sie geringer ist als die der wassergekühlten Maschine; der thermische
Wirkungsgrad beträgt jedoch 46,9, also ein wesentlicher Anstieg von 7,3% im Vergleicn
mit dem Wirkungsgrad der wassergekühlten Maschine; dabei wird auch nier die "heiße"
Maschine noch bei einer Temperatur betrieben, die unter der kritischen Temperatur
für die Emission von Stickoxiden liegt.
-
Es ergibt sich also, daß durch die vorliegende Erfindung eine wesentliche
Verbesserung der herkömmlichen Gasturbine vorgeschlagen wird, deren Vorteile sowohl
die Industrie als auch die Öffentlichkeit nutzen können, da ein damit ausgestattetes
Gasturbinen-Triebwerk einen besseren Wirkungsgrad bei niedrigeren Abgastemperaturen
nat, sodaß die Verunreinigungen durch Stickoxide wesentlich verringert werden.
-
-Patentansprüche-