WO1990001625A1

WO1990001625A1 - Rotierender brennraum mit wasserinjektion- und kühlung für eine turbine

Info

Publication number: WO1990001625A1
Application number: PCT/CH1989/000138
Authority: WO
Inventors: Max Tobler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-08-01
Filing date: 1989-07-20
Publication date: 1990-02-22
Anticipated expiration: 1991-02-01
Also published as: EP0383862A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung eines Brenngase-/Dampfgemisches in einer rotierenden, als Gehäuseschale ausgebildeten Brennkammer mit einem Wasserring am äusseren Umfang. Die Flammenfront und die Brenngase treffen vom zentralen Brennerring rundum auf den Wasserring, welcher der Kühlung dient. Der dabei entstehende Dampf vermischt sich mit den Brenngasen und bewirkt eine Temperaturherabsetzung, bevor das Gemisch in die mit der Gehäuseschale fixierten Turbine gelangt, welche die Rotation verursacht. Anstelle des Luftüberschusses wird vorwiegend Wasser zur Kühlung verwendet, was einen hohen Wirkungsgrad ermöglicht. Eine Maschine zur Durchführung des Verfahrens weist eine Gehäuseschale (15) als Brennraum (2) mit daran fixiertem Verdichter (1) und Turbine (3) auf. Die Luft tritt durch die Hohlwelle zum Verdichter (1) und saugt Dampf aus dem Vorraum (11, 12). Desgleichen wird Brennstoff beigemischt (8, 9). Die Flamme trifft auf den der Kühlung und der Dampfbildung dienenden Wasserring der Brennkammer. Die Maschine eignet sich als Kraftmaschine, wobei das Brenngase-/Dampfgemisch als Energieträger weiter verwendet werden kann.

Description

Rotierender Brennraum mit Wasserinjection- und Kühlung für eine Turbine.

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gemisches von Brenngasen und Dampf zum Betrieb einer Turbine sowie eine Maschine zur kontinuierlichen Erzeugung des Brenngase-/Dampfgemisches, welches mittels einer am Brennraum fixierten Turbine die ganze Maschine in Rotation versetzt und somit als Kraftmaschine dient.

Bei den bekannten Gasturbinen liegt das Hauptübel darin, dass für den Verdichter ein zu grosser Arbeitsaufwand erforderlich ist, da für den Gasturbinenprozess eine hohe Luftüberschusszahl notwendig ist, um die Temperatur der Brenngase herabzusetzen, damit insbesondere das Material der Turbinenschaufeln nicht überhitzt wird. Dieses Problem der zu hohen Brenngastemperatur kann nur beschränkt durch Einsatz hitzebeständigen Materials gelöst werden, wodurch wegen der erreichbaren niedrigeren Luftüberschusszahl der Wirkungsgrad der Gasturbine verbessert werden kann. Dieses Problem der zu hohen Brenngastemperatur soll nun nicht über hitzebeständigeres und damit teures Material angegangen werden, sondern mit einem 'Verfahren, welches durch kontinuierliches Zuführen von Wasser während der Verbrennung ein gleichzeitiges Verdampfen von Wasser er¬ laubt, so dass das eingebrachte Wasser im flüssigen Zustand vorwiegend der Materialkühlung und nachher als Dampf der Kühlung der Brenngase dient. Bei diesem Verfahrensablauf erfordert das Zuführen von Wasser einen geringen Arbeits¬ aufwand, wohingegen der entstandene Dampf zu einer Leistungssteigerung auf der Turbinenseite führt. Es wird also im Vergleich zu den üblichen Gasturbinen eine wesent¬ liche Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht, indem nun anstelle von Luft das Wasser als Kühlmittel dient, welches nach Erfüllung des Kühlzweckes in Form von Dampf als Energieträger zusammen mit den Brenngasen der Turbine zugeleitet wird.

Dies wird erfindungsgemäss gelöst, indem der Brennraum (2) zusammen mit dem Verdichter-/Turbinenteil (1,3) rotiert. In dem als Gehäuseschale ausgebildetem Brennraum (2) be- findet sich ein mitdrehender Wasserring, auf den die Flammen- und Brenngasefront zentrifugiert wird. Insbe¬ sondere durch die Kühlung des Materials mittels diesem Wasserring tritt kontinuierlich Dampf in die Brenngase, wodurch diese gekühlt, der Dampf aber überhitzt wird. Dieses Brenngase-/Dampfgemisch gelangt nun zur Turbine und setzt die ganze Maschine zusammen mit dem Brennraum in Rotation. Mit diesem Verfahren der Herstellung eines Gemisches zum Betrieb einer Turbine wird also erreicht, dass ein sehr hohes Wärmegefälle des Wassers zur Kühlung ausgenützt wird, wobei schliesslich der überhitzte Dampf zusätzlich als Energieträger dient. Die Verdampfung des Wassers aus dem Wasserring erfolgt problemlos, da sich das eine geringere Dichte aufweisende heissere Wasser nach innen, zur freien Oberfläche des Wasserringes bewegt, von wo der Dampf in den offenen Brennraum zur Vermischung mit den Brenngasen gelangt. Das eine niedrigere Tempera¬ tur aufweisende Wasser wird an die Innenwand der Gehäuse- schale (15) zentrifugiert und dadurch unter Druck gesetzt, was eine Erhöhung der Wassersiedetemperatur bewirkt. Bei diesem Verfahren eines offenen Kühlprozesses wird dank der sehr hohen Kühlleistung des Wassers der Wasser¬ verbrauch im Rahmen bleiben.

Eine zum Ausführen des in Anspruch 1 umschriebenen Ver¬ fahrens verwendbare Maschine zeigt die Figur 1 nach An-

5 spruch 2. Der Radialverdichter (1), die Turbine (3) und die Gehäuseschale (15) mit dem zum Verdichter und der Turbine offenen Brennraum (2) bilden als Rotationskörper eine Einheit, welche auf konventionelle Art gelagert werden kann (4). Der fixierte und zentrierte Leitschaufel-

10 apparat der Turbine (5) trennt zugleich den Brennraum (2) vom nach aussen offenen Wasserzuführ- und Wasserent¬ nahmeraum (7). Diese Trennung erfolgt durch eine dünne Scheibe am äusseren Umfang, welche in den rotierenden Wasserring hineintaucht. Mittels einem zum Beispiel bei

15 Zentrifugen eingesetzten Schälrohres oder ähnlich dem bei einer Schälpumpe verwendeten Fangrohres (6) wird das Wasser zur Bildung des Wasserringes einer bestimmten Tiefe zugeführt und bei den sich im Brennraum zwangsläufig bil¬ denden Aenderungen der Wasserringtiefe wegen den Druck-

20 und Drehzahlschwankungen auch wieder teilweise weggeführt, falls sich deswegen die Tiefe des Wasserringes im Brenn¬ raum (2) verringert. Diese hier vorgesehene mechanische Regelung des Wasserringes kann aber auch durch Wasserstands- meider erfolgen. Der Brennstoff wird mittels einer zentra-

25 len, fixierten Leitung (8) in einen Hohlraum auf der Rück¬ seite des Radialverdichters (1) zugeführt und durch Oeff- nungen (9) in die verdichtete Luft hineinzentrifugiert. Das Luft-/Brennstoffgemisch wird nach Passieren von Schlit¬ zen (14) im äusseren Umfang des Verdichters oder einen

30 offenen Spalt in den Brennraum zentrifugiert, wo die Zün¬ dung auf konventionelle Art erfolgt. Die Flammenfront und die Brenngase treffen vorerst auf den kühlen Wasser¬ ring auf, was unter anderem eine reduzierte Bildung von Stickoxiden bewirkt. Um die Lagerseite (4) nicht einer hohen Erwärmung auszusetzen und zusätzlich vermehrt Dampf zur Kühlung zu erhalten, wird durch die in den Wasser¬ ring tauchende und mitrotierende Schottscheibe (10) ein nach aussen abgeschlossener Vorraum (11) des Brennraumes geschaffen- Die an den Oeffnungen (12) vorbeiströmende, verdichtete Luft saugt den Dampf aus dem Vorraum ab und bewirkt zudem, dass dort ein geringerer Druck als im Brennraum entsteht, was zu einer Erhöhung der Verdampfung sowie einem tieferen Wasserring im Vorraum (11) als im Brennraum (2) und damit einer erhöhten Kühlleistung des Wassers führt. Das Brenngase-/Dampfgemisch gelangt zentri¬ petal über die Leitschaufeln in die Radialturbine (3) und setzt die Turbine zusammen mit dem Brennraum in Rota¬ tion. Zur Regelung der Drehzahl und damit auch des Druckes der verdichteten Luft kann die Leitschaufelvorrichtung (5) axial verschiebbar gestaltet werden, so dass ein Bypass entsteht. Dieser Bypass ist insbesondere von Be¬ deutung, wenn das Brenngase-/Dampfgemisch nach dem Ver¬ lassen der Turbine in eine andere Turbine geleitet, als Schub oder als Prozessmedium verwendet wird. Mit diesem Bypass ist es möglich, auch im Teillastbetrieb optimal zu fahren. Eine Steigerung des Druckes der verdichteten Luft wird erreicht, wenn dem Radialverdichter ein ein- oder mehrstufiger Axialverdichter vorgeschaltet wird, welcher in der Hohlwelle ebenfalls mit dem Gehäuse rotiert.

Diese Turbine im rotierenden Brennraum ist nun sowohl hinsichtlich der Herstellungskosten, der Betriebssicher¬ heit und der Wirtschaftlichkeit günstig ausgelegt. Auch sind für den Brennraum und den Turbinenteil keine besonders hohen Anforderungen bezüglich der Hitzebeständigkeit des Materials erforderlich. Das gleiche gilt bezüglich der Qualität des verwendeten Brennstoffes, wobei die Verbrennung im gekühlten Brennraum zu einer Minimierung von Schadstoffen führt. Die Ansprüche 3 - 7 sind abhängig vom unabhängigen Patent¬ anspruch 2, wobei die Unteransprüche 3 bis 6 verschiedene bekannte Anordnungen der Turbine betreffen, also die abgegebene Leistung der Gas-/Dampfturbine im rotierenden Brennraum mit Wasserkühlung.

Der Anspruch 7 bezieht sich auf die Verdichterseite, wobei zur Druckerhöhung in den Brennraum nicht eine vermehrte Arbeitsleistung durch den Verdichter abverlangt wird, sondern durch Einspritzung von Wasser durch die zentrale und fixierte Leitung (13) und anschliessendem zentrifu¬ galem Ausschleudern in den Brennraum nach Passieren der Oeffnungen (9) die Zerstäubung des Wassers zu Hilfe genom¬ men wird. Die dabei entstehende Tröpfchenwand wirkt ähnlich einer Flüssigkeitswand, wodurch einem höheren Druck im Brennraum entgegengewirkt werden kann. Sollte dabei mehr Wasser in die Gehäuseschale gelangen als verdampft wird, erfolgt zwangsläufig eine Rückführung des überschüssigen Wassers mittels dem Zuführ-/Fangrohr (6).

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Gemisches von Brenngasen und Dampf zum Betrieb einer Turbine, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseschale mit dem Brennraum als Einheit zu¬ sammen mit dem Verdichter und der Turbine rotiert, wobei sich in der Gehäuseschale ein mitdrehender Wasserring befindet, auf dessen Oberfläche die Flammenfront und die Brenngase zentrifugal auftreffen, wobei insbesondere durch die Materialkühlung mittels dem Wasserring Dampf gebildet wird, welcher seinerseits die Temperatur der Brenngase herabsetzt und wobei das so entstandene Gemisch von Brenn¬ gasen und Dampf zur Turbine gelangt, wodurch die ganze Gehäuseschale mit dem integrierten Verdichter und der Turbine in Rotation versetzt wird.

2. Maschine zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (1) und die Turbine zusammen mit der sie umgebenden Gehäuseschale (15), welche als Brennraum dient (2), rotiert, wobei der Leitschaufelapparat der Turbine (5) fixiert ist und seine Scheibe am äusseren Durchmesser in den in der Ge- häuseschale befindlichen, mitrotierenden Wasserring taucht, wodurch der Brennraum (2) vom nach aussen offenen Wasser¬ zuführraum (7) abgetrennt wird, so dass sich im Brennraum (2) ein Ueberdruck bilden kann, wobei in dem zum Verdichter und der Turbine offenen Brennraum das Brenngas-/Dampfgemisch zentripetal durch den fixierten Leitschaufelapparat in die Radialturbine gelangt, wodurch die ganze Maschine in Drehung versetzt wird und wobei im Brennraum, auf der Verdichterseite, wo sich die Lagerung des Drehkörpers befindet, eine Schottscheibe (10) angebracht ist, welche ebenfalls mitrotiert und dabei in den Wasserring tauchend einen Vorraum schafft (11), dadurch die Wärmewirkung auf auf die Lager reduziert und eine erhöhte Kühlleistung ermöglicht, indem die an den Oeffnungen (12) vorbeiströ¬ mende, verdichtete Luft wegen der entstehenden Sogwirkung im Vorraum (11) einen im Vergleich zum Brennraum niedri- geren Druck schafft, was zu einer erhöhten Verdampfung und einem tieferen Wasserring im Vorraum (11) führt und wobei durch axiales Verschieben des Leitschaufelapparates (5) ein Bypass geschaffen werden kann, so dass die Dreh¬ zahl geregelt werden kann und wobei sich die wegen Dreh- zahl- und Druckänderungen bewirkten Schwankungen der Tiefe des Wasserrringes im Brennraum (2) durch das Zuführ-/ Fangrohr (6) ausgeglichen werden kann, da sich jeweils auch die Wassermenge ändert und wobei dann das aus dem fixierten Leitschaufelapparat (5) zentral austretende Brenngas-/Dampfgemisch bei einem Restdruck einer Turbine zugeführt oder als Schub verwendet werden oder als Prozess- medium dienen kann.

3. Wassergekühlte Gas-/Dampfturbine mit rotierendem Brenn¬ raum nach Anspruch 2, aber ohne Leitschaufeln.

4. Wassergekühlte Gas-/Dampfturbine mit rotierendem Brenn¬ raum nach den Ansprüchen 2 und 3, aber mit Diagonalturbine.

5. Wassergekühlte Gas-/Dampfturbine mit rotierendem Brenn¬ raum nach den Ansprüchen 2 und 3, aber mit Zentripetal¬ turbine.

6. Wassergekühlte Gas-/Dampfturbine mit rotierendem Brenn¬ raum mit gegenläufigem Turbinenrad anstelle des fixierten Leitschaufelapparates.

7. Wassergekühlte Gas-/Dampfturbine mit rotierendem Brenn¬ raum nach den Ansprüchen 2 bis 6 mit Wassereinspritzung in die verdichtete Luft (13,9) zur Drucksteigerung und zusätzlichen Kühlung.