Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere eine

Verbrennungsgasturbine, die einen Highspeed-Generator zur Stromerzeugung antreibt.

Gasturbinen zur Stromerzeugung oder Krafterzeugung sind bekannt. So zeigt die EP0462458B1 eine Gasturbine einer

Krafterzeugungsmaschine, die einen Verdichter, eine stromab des Verdichters angeordnete Brennkammer umfasst, wobei die Turbine stromab der Brennkammer vorgesehen ist. Die Turbine und der Verdichter sind durch eine gemeinsame Welle verbunden. Es kommt ein Luft-Wasser-Wärmetauscher zum Einsatz, bei dem die Abgaswärme der Turbine zur Dampferzeugung verwendet wird.

Eine Rückführung der Abgase über Luft-Luft- Querstromwärmetauscher ist ebenfalls bekannt, wobei verdichtete Luft über den Wärmetauscher dem Brennraum einer Brennkammer zugeführt wird. Eine vollständige Wärmeübertragung im

Wärmetauscher ist jedoch nicht gegeben.

Bei einer Gasturbine mit einem Verdichter für Luft gemäss

EP1270874B1 sind mehrere, strömungstechnisch parallel

geschaltete Brennkammern vorgesehen, in denen Luft aufgeheizt wird und über einen Überleitkanal einem Gaskanal der Turbine zuströmt.

In der AT506592A4 ist eine Verbrennungsturbine mit

diskontinuierlicher Verbrennung beschrieben, die eine, mit einer Zündvorrichtung versehene Brennkammer aufweist, wobei stromab der Brennkammer eine Turbine angeordnet ist, die durch ein in der Brennkammer erhaltenes Arbeitsgas beaufschlagbar ist. Die

Brennkammer ist um die Drehachse der Turbine angeordnet.

Zwischen der Brennkammer und der Turbine ist eine

Durchströmkammer angeordnet, die von der Brennkammer durch eine Strömungsplatte oder durch eine weitere Turbine abgegrenzt ist. Durch Ventile in der Durchströmkammer ist die Luft getaktet zuführbar.

Die US2004154306A offenbart eine Verbundgasturbine mit einem Verdichter und einer Turbine, die in einer Achse angeordnet sind. Die Verbundgasturbine soll im Betrieb einen höheren Druck und eine höhere Betriebstemperatur ermöglichen, wozu in den

Brennkammern phasenverschoben Zyklen erzeugt werden sollen. Ein Teil der Brenngase einer Brennkammer soll der nächsten zugeführt werden, so dass eine Mischladung in der nächsten

Brennkammer gebildet wird. Dieser Transfer eines Teils der

Brenngase soll reihum vorgenommen werden, woraus dann eine höhere Turbinenleistung resultieren soll.

Weitere Gasturbinen, bei den Verdichter und Turbine auf bzw. in einer Achse angeordnet sind, offenbaren zum Beispiel die

US2003010014A, US2002139106A und die WO03095814A.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Turbine, die wiederum einen Highspeed-Generator zur Stromerzeugung antreibt, zu schaffen, die einen höheren Wirkungsgrad aufweist und die im Vergleich zum Stand der Technik einfacher und variabler aufgebaut ist.

Die Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Gemäss der Erfindung ist der Turbine mindestens ein externer Verdichter zugeordnet, der mit einem eigenen Elektroantrieb versehen ist und der nicht durch eine Antriebswelle oder

dergleichen mit der Turbine verbunden ist. Es sind mindestens zwei Brennkammern für eine diskontinuierliche, gepulste Verbrennung resp. Beaufschlagung der Turbine angeordnet.

Die Turbine kann eine Axial-Verbrennungsgasturbine oder auch eine Radial-Verbrennungsgasturbine sein.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.

Die mehreren Brennkammern sind so angeordnet, dass ihre

Ausströmdüsen direkt auf das Turbinenrad gerichtet sind, was einen Düseneffekt der Verbrennung ergibt. Jede Brennkammer ist mit einer Kraftstoffeinspritzung, einer Zündvorrichtung und einer Ausströmdüse versehen. In die Brennkammer wird ein Kraftstoff gasförmig oder flüssig eingespritzt und mittels der Zündvorrichtung zur Explosion gebracht. Dadurch wird eine annähernd isochore Verbrennung erreicht (isochor verlangt, dass das Volumen konstant ist). Die Düse am Ausgang der Brennkammer wandelt den

erzeugten Druck in eine Strömungsgeschwindigkeit um, mit der die Turbine beaufschlagt wird. Die Brennkammern werden

nacheinander zur Zündung gebracht.

Bevorzugt sind mindestens zwei oder mehr, zum Beispiel bis zu sechs oder auch noch mehr Brennkammern anordenbar. Weiterhin bevorzugt sind die Brennkammern gleichmässig

voneinander beabstandet auf dem Umfang der Turbine angeordnet. Zur Leistungsregelung der Turbine ist die Frequenz der Zündfolge mittels einer elektronischen Steuerung einstell- und regelbar.

Vorzugsweise ist der Elektroantrieb ein regelbarer Highspeed- Elektroantrieb. Es kann ein zweiter externer Verdichter vorgesehen sein, der ebenfalls mit einem eigenen regelbaren Highspeed-Elektroantrieb versehen ist. Alternativ kann der zweite externe Verdichter auch mit dem regelbaren Highspeed-Elektroantrieb des ersten

Verdichters verbunden sein. Weiterhin sind die Verdichterströme der Verdichter vorzugsweise über eine geteilte Leiteinrichtung unabhängig voneinander der Turbine zuführbar.

Durch den resp. die externen Verdichter kann die Turbine mit der Verdichterluft gestartet werden, und die Drehzahl der Turbine effizient beeinflusst und begrenzt werden. Der Verdichter kann auch als ein Doppelverdichter ausgebildet sein.

Vorteilhaft ist die Turbine mit einem Gegenstrom-Wärmetauscher verbindbar, durch den der Abgasstrom der Turbine geleitet werden kann. Der Gegenstrom-Wärmetauscher ist mit dem zweiten externen Verdichter dergestalt verbindbar, dass die Wärmeenergie des Abgasstroms auf die Verdichterluft des zweiten Verdichters übertragen werden kann.

Zur Steigerung des Turbinenwirkungsgrades wird mit dem zweiten Verdichter, der entweder an den ersten Verdichter gekoppelt oder mit einem eigenen elektrischen, regelbaren Highspeed-Antrieb versehen ist, über einen Gegenstrom-Wärmetauscher die

thermische Energie des Abgasstromes direkt in die Turbine rückgeführt. Die Rückführung des Abgasstromes in die Turbine wird bevorzugt durch eine strömungstechnisch geteilte Leiteinrichtung vor dem Turbinenrad ermöglicht. Das Turbinenrad wird vorteilhaft durch zwei getrennte Verdichter-Luftströme beaufschlagt. Dem Luftstrom aus dem ersten Verdichter wird die Verbrennungsenergie zugeführt und dem Luftstrom aus dem zweiten Verdichter wird die Energie aus dem Abgasstrom zugeführt. Die Wärmeenergie aus dem Abgasstrom wird über den Wärmetauscher auf die

Verdichterluft des zweiten Verdichters übertragen und der Turbine zugeführt.

Highspeed im Sinne der Erfindung betrifft Drehzahlen ab ca. 10Ό00 U/min. Erfindungsgemäss kann die Generatordrehzahl ca. 50Ό00 U/min oder mehr betragen. Je höher die

Umdrehungsgeschwindigkeit, desto kleiner kann der Generator ausgelegt sein.

Die erfindungsgemässe Turbine kann nach einer

Wirkungsgradkennlinie mittels einer Steuereinheit gesteuert werden. Durch die unabhängige Regelbarkeit der Verdichter, der Puls-Intensität der Verbrennung, die Rückmeldung von Daten des Wärmetauschers und die Leistungsabnahme von Verbrauchern ist eine Steuerung der Turbine nach einer Wirkungsgradkennlinie möglich. Dies ermöglicht einen optimalen Betrieb der Turbine. Sie ist, im Vergleich zum Stand der Technik, viel länger und effizient in unterschiedlichen Lastbereichen betreibbar, was einen geringeren Kraftstoffverbrauch und geringere Emissionen zur Folge hat.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter

Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der

Erfindung beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Die Bezugszeichenliste ist wie auch der technische Inhalt der Patentansprüche und Figuren Bestandteil der Offenbarung. Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bedeuten gleiche Bauteile, Bezugszeichen mit unterschiedlichen Indices geben funktionsgleiche oder ähnliche Bauteile an.

Es zeigen dabei :

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen

Turbine,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemässen

Turbine,

Fig. 3 eine Brennkammer der erfindungsgemässen Turbine, und

Fig. 4 eine Leiteinrichtung für die Verdichterluft.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemässe Turbine am Beispiel einer Axial-Verbrennungsgasturbine 1 zum Antrieb eines Highspeed- Generators 2, mit zwei externen Verdichtern 3, 9. Die Verdichter 3, 9 sind nicht durch eine Welle oder dergleichen mit der Axial- Verbrennungsgasturbine 1 verbunden, sondern mit einem eigenen, regelbaren Highspeed-Elektroantrieb 4 versehen.

Ein weiteres Merkmal ist die nicht-kontinuierliche Verbrennung mittels mehrerer Brennkammern 5, die so angeordnet sind, dass ihre Ausströmdüsen 6 direkt auf das Turbinenrad 12 gerichtet sind, d. h. die Turbinenschaufeln des Turbinenrads 12 werden parallel zur Drehachse 16 beaufschlagt. Angeordnet sind mindestens zwei Brennkammern 5, bevorzugt im ausgeführten Beispiel jedoch sechs Brennkammern 5, die gleichmässig voneinander beabstandet auf dem Umfang der Axial-Verbrennungsgasturbine 1 angeordnet sind (Fig. 4).

Jede Brennkammer 5 ist mit einer Kraftstoffeinspritzung 7, einer Zündvorrichtung 8 und einer Ausströmdüse 6 versehen. In die Brennkammer 5 wird Kraftstoff gasförmig oder flüssig eingespritzt und mittels der Zündvorrichtung 8 zur Explosion gebracht. Dadurch wird eine annähernd isochore Verbrennung erreicht. Die

Ausströmdüse 6 am Ausgang der Brennkammer 5„wandelt" den erzeugten Druck in eine Strömungsgeschwindigkeit um, mit der das Turbinenrad 12 beaufschlagt wird.

Die Brennkammern 5 werden mittels einer nicht explizit

dargestellten Steuerung nacheinander zur Zündung gebracht. Zur Leistungsregelung der Axial-Verbrennungsgasturbine 1 ist die Frequenz der Zündfolge mittels der elektronischen Steuerung einstell- und regelbar.

Zur Steigerung des Turbinenwirkungsgrades wird mit dem zweiten Verdichter 9, der an den ersten Verdichter 3 gekoppelt ist, über einen Gegenstrom-Wärmetauscher 11 die thermische Energie des Abgasstromes direkt in die Axial-Verbrennungsgasturbine 1 zurückgeführt. Die Rückführung in die Axial- Verbrennungsgasturbine 1 wird durch eine strömungstechnisch geteilte Leiteinrichtung 17 vor dem Turbinenrad 12 ermöglicht.

Das Turbinenrad 12 wird durch zwei getrennte Verdichter- Luftströme beaufschlagt. Dem Luftstrom aus dem ersten Verdichter 3 wird die Verbrennungsenergie zugeführt und dem Luftstrom aus dem zweiten Verdichter 9 wird die Energie aus dem Abgasstrom zugeführt. Die Wärmeenergie aus dem Abgasstrom wird über den Gegenstrom-Wärmetauscher 11 auf die Verdichterluft des zweiten Verdichters 9 übertragen und der Axial-Verbrennungsgasturbine 1 zugeführt.

Rohrleitungen für strömende Gase sind vereinfacht und unter Angabe der Strömungsrichtung (Pfeilrichtung) dargestellt.

Für die Nutzung der Abgaswärme ist der zweite Verdichter 9 notwendig. Es ist aber auch vorstellbar, dass die Verdichterluft von einem Verdichter geteilt wird. Es gibt auch 2-stufige Verdichter. Die getrennten Verdichter Antriebe sind eine bevorzugte Variante, da dadurch eine effiziente Steuerung der Turbine möglich ist.

Eine Axial-Verbrennungsgasturbine 1 mit externem Verdichter ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt. Durch den oder die externen Verdichter 3, 9 kann die Axial-Verbrennungsgasturbine 1 mit der Verdichterluft gestartet werden und die Drehzahl der Axial- Verbrennungsgasturbine 1 kann effizient beeinflusst und begrenzt werden.

Fig. 2 stellt im Unterschied zur ersten Ausführungsform nach Fig. 1 eine Variante dar, bei der der zweite externe Verdichter 9 mit einem eigenen regelbaren Highspeed-Elektroantrieb 10 versehen ist. Die getrennten Verdichter-Antriebe stellen eine bevorzugte Variante dar, da dadurch eine effizientere Steuerung der Axial- Verbrennungsgasturbine 1 möglich ist.

In Fig. 3 sind Details der Brennkammer 5 und eine sie umgebende Leiteinrichtung 17 dargestellt. Die Brennkammer 5 ist hierbei in eine Vorkammer 15 integriert. Die Verdichterluft 14 strömt permanent durch die Vorkammer 15 und treibt das Turbinenrad 12 an. In die Brennkammer 5 wird Kraftstoff über die Kraftstoffdüse 8 eingespritzt und durch die Zündvorrichtung 7 zur Explosion gebracht. Die Expansion entlädt sich durch die Ausströmdüse 6 direkt in einen Kanal 13 (Düseneffekt) der Leiteinrichtung 17 und treibt zusätzlich das Turbinenrad 12 an.

Bei der erfindungsgemässen Axial-Verbrennungsgasturbine 1 sind die mehreren Brennkammern 5 so angeordnet, dass sie

nacheinander immer in der gleichen Reihenfolge, in einstellbaren Zeitabständen zur Zündung gebracht werden. Die Abläufe in der Brennkammer, wie die Einspritzmenge und der Zündzeitpunkt sind variabel steuerbar. Auch die Zeitabstände zwischen den Zündungen der einzelnen Brennkammern sind variabel steuerbar. Über die variable Einspritzmenge und die Brennkammerzündfolge wird die Leistung der Turbine geregelt.

Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, sind keine Absicherungen gegen einen Rückschlag von Luft oder Verbrennungsgas vorgesehen und auch nicht notwendig. Jede Brennkammer 5 wird ständig mit der Luft aus dem ersten Verdichter 3 umströmt und der

Expansionsdruck der Verbrennungsgase der Brennkammer 5 wird durch die Ausströmdüse 6 in Strömungsgeschwindigkeit gewandelt.

Gestartet wird die erfindungsgemässe Axial- Verbrennungsgasturbine 1 primär durch die Verdichterluft. Die Verdichter 3, 9 sind so ausgelegt, dass die Nenndrehzahl der Axial- Verbrennungsgasturbine 1 durch die Verdichter 3, 9 erreicht wird. Zusätzlich kann, z. B. zur Unterstützung des Anlaufs der Axial- Verbrennungsgasturbine 1, diese durch den als Motor betriebenen Highspeed-Generator 2 gestartet werden. Die Kraftstoffverbrennung ist nur für den Betrieb der Axial-Verbrennungsgasturbine 1 erforderlich. Die Fig. 4 zeigt eine Leiteinrichtung 17, bei der die Verdichterluft und auch die Verbrennungsgase über die Leitschaufeln 18 dem Turbinenrad 12, das hinter der Leiteinrichtung 17 angeordnet ist, zugeführt werden. Die Verdichterluft aus dem zweiten Verdichter 9 wird über die Leitschaufeln 18 dem Turbinenrad 12 zugeführt. Die dargestellten Bereiche der Leiteinrichtung 17 sind

strömungstechnisch komplett getrennt. Bei der Leiteinrichtung 17 sind im Beispiel sechs Brennkammern 5 vorgesehen, d. h. dass die Verdichterluft nur über die sechs Brennkammern 5 und deren Vorkammern 15 in die Leitschaufeln 18 einströmt und das

Turbinenrad 12 beaufschlagt.

Grundsätzlich gelten für beide Verdichterkreise die gleichen thermodynamischen Bedingungen. Der Druck, der vom Verdichter 3, 9 erzeugt wird, bleibt konstant, nur das Volumen vergrössert sich durch die Erwärmung. Das Fluid entspannt sich über die Axial- Verbrennungsturbine 1, wodurch ein Druckanstieg nicht möglich ist. Die unabhängigen Verdichterkreise (Kompressorkreise) funktionieren gleich, nur die jeweilige Wärmequelle ist eine andere.

Wichtig ist, dass die beiden Verdichterkreise getrennt der Axial- Verbrennungsgasturbine 1 zugeführt werden, um gegenseitige Beeinflussungen zu meiden.

So wird im zweiten Antriebsstrang verhindert, dass die durch den Gegenstrom-Wärmetauscher 11 eingebrachte Wärme nicht auch zu einer Expansion in der Druckleitung führt, die sich bremsend auf den Verdichter 9 des zweiten Antriebsstrangs auswirken könnte.

Für den Highspeed-Generator 2 und die Highspeed-Antriebe 4, 10 kommt ein für diese Anwendung entwickelter Inverter zum Einsatz, der den hochfrequenten Generatorstrom, über einen Zwischenkreis die Highspeed-Antriebe 4, 10 und die Turbinensteuerung versorgt und den Reststrom in eine Verbraucherspannung umwandelt.

Zur Regelung der Axial-Verbrennungsgasturbine 1 kommt eine elektronische Steuerung zum Einsatz, die über Sensoren für Temperatur, Druck und Drehzahl und den Daten aus dem Inverter die optimale Leistung errechnet.

Bei Turbinen, die High-Speed-Antriebe verwenden, ist ein Inverter notwendig. Da durch die hohe Drehzahl des Generators eine hochfrequente Hochspannung entsteht, muss diese in eine niederfrequente Verbraucherspannung gewandelt werden. Das geschieht mit einem Inverter. Da für den Antrieb der Verdichter 3, 9 erfindungsgemässe Highspeed-Antriebe verwendet werden, ist es nicht sinnvoll, handelsübliche Inverter einzusetzen, die die

Verbraucherspannung in eine hochfrequente Spannung wandeln. Daher ist ein Inverter mit einem sogenannten Zwischenkreis für die Highspeed-Antriebe 4, 10 vorgesehen. Durch den

erfindungsgemässen Inverter ist es möglich, die hochfrequente Spannung unmittelbar vom Generator 2 zu nutzen.

Der Wirkungsgrad der erfindungsgemässen Turbine ist gegenüber vorbekannten Lösungen massgeblich gesteigert.

Bezugszeichenliste

1 Axial-Verbrennungsgasturbine

2 Highspeed-Generator

3 Verdichter

4 Highspeed-Elektroantrieb

5 Brennkammer

6 Ausströmdüse

7 Kraftstoffeinspritzung

8 Zündvorrichtung

9 Verdichter

10 Highspeed-Elektroantrieb

11 Gegenstrom-Wärmetauscher

12 Turbinenrad

13 Kanal

14 Verdichterluft

15 Vorkammer

16 Drehachse

17 Leiteinrichtung

18 Leitschaufeln