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Klein-Gasturbinentriebwerk Die vorliegende Erfindung bezieht sich
auf ein Klein-Gasturbinentriebwerk.
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Gasturbinen mit Leistungen bis 100 kW sind gegenwärtig nicht sehr
viel, wenn überhaupt im Einsatz. Die Ursache hierfür ist, dass solche Kleingasturbinen
nicht wirtschaftlich arbeiten, wofür in der Hauptsache der Verdichter verantwortlich
ist. In der Regel werden bei Gasturbinen als Verdichter Strömungsmaschinen verwendet,
die mit sehr hohen Drehzahlen laufen müssen, um einigermassen mit dem auftretenden
Schlupf fertigzuwerden. Unter Schlupf sind hier auftretende Leckverluste und innere
Rückströmungen zu verstehen. Die Drehzahlen solcher Axial- und Radialverdichter
liegen bei Kleingasturbinen etwa bei 50 000 bis 100 000 Umdrehungen pro Minute,
trotzdem ist ihr Wirkungsgrad ungünstig. Um einigermassen günstige Verhältnisse
zu erlangen, erfordern diese Strömungsverdichter
sehr grosse Gasdurchsätze,
da nur hierdurch das Fördervolumen zu den Leck- bzw. Rückströmvolumina in ein annehmbares
Verhältnis gebracht werden kann. Weitere Ursache für die geringe Verbreitung von
Kleingasturbinen ist ihr im Verhältnis zu grösseren Einheiten bezogen auf die abgegebene
Leistung grosses Volumen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Klein-Gasturbinentriebwerk
zu schaffen, das gegenüber den herkömmlichen Einheiten mit erhöhtem Wirkungsgrad
arbeitet und ein günstigeres Leistungsgewicht aufweist.
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Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass als Verdichter
ein Verdrängungsverdichter verwendet ist, und dass die Brennkammer mit einer Einrichtung
zur Kontinuierlichen Zuführung von Wasserdampf versehen ist.
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Es ist früher bereits versucht worden, Verdrängermaschinen als Verdichter
in Gasturbinentriebwerken zu verwenden. So sind Versuche mit Schraubenverdichtern
bekanntgeworden. Falls ein solcher Verdichter jedoch nicht ölgeflutet ist, sind
auch bei einem solchen Verdichter grosse Gasdurchsätze erforderlich. Für Kleingasturbinen
kommt der Schraubenverdichter wegen zu kleiner Gasdurchsätze nicht in Frage, überdies
ist er in der Herstellung sehr teuer und erfordert allerhand Raum. Seine Drehzahlen
liegen relativ hoch. Weitere Versuche mit Verdrängermaschinen als Verdichter in
Gasturbinentriebwerken bezogen sich auf Freikolbenverdichter. Diese arbeiten mit
einem recht beachtlichen Wirkungsgrad, sie sind im Aufbau jedoch relativ kompliziert.
Der Gasweg in ihnen ist sehr verwinkelt und ungünstig, da er viele Drosselstellen
aufweist. Ausserdem weist er in Form der Doppelkolben weitere Verlustquellen auf,
da diese pro Minute einige hundert Mal hin- und herbewegt werden, also ständig beschleunigt
und verzögert werden, wobei die Bewegungen bei jedem Spiel bis zum
Stillstand
kommen. Weiterhin ist die zwischen den Kolben und den zugehörigen Zylinderwandlungen
bestehende Reibung zu beachten, die nur durch eine relativ intensive Schmierung
mit entsprechend hohem Schmierölverbrauch, die zu einer Belastung der Abgase mit
Schadstoffen führt, verringert werden kann.
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Durch die Erfindung wurde gefunden, dass bei Kleingasturbinen bis
zu 100 kW-Leistung vorzugsweise Zahnradverdichter, insbesondere mit bimodulverzahnten
Zahnrädern eingesetzt werden können. Hat ein Zahnradrotor von 200 mm Teilkreisdurchmesser
ein Modul von 20, so weist er auf dem Zahnkranz zehn Zähne auf. Eine solche Verzahnung
soll als Vollverzahnung bezeichnet werden. Ist der Zahnkranz eines solchen Zahnrades
aber derart unterteilt, dass z.B.
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auf zwei Zähne vom Modul 20 nachfolgend sechs Zähne vom Modul 10 angeordnet
sind, auf die wiederum zwei Zähne vom Modul 20 kommen, um mit weiteren sechs Zähnen
vom Modul 10 den Zahnkranz zu schliessen, so spricht man von einer Bimodulverzahnung.
Die Zahl der Variationsmöglichkeiten ist hier gross. Bei Bimodulverzahnungen liegen
die Übergangspunkte von einem Modul zum anderen immer auf dem Teilkreis. Ein mit
solchen Zahnrädern aufgebauter Verdichter arbeitet mit einem recht guten Wirkungsgrad,
der ganz erheblich über demjenigen von Strömungsmaschinen gleicher Leistung liegt.
Weiterhin muss betont werden, dass ein solcher Zahnradverdichter praktisch reibungs-
und berührungsfrei läuft und damit weitgehend abnützungs- und schmierungsfrei ist.
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Zwar tritt bei einem solchen Verdichter auch ein Schlupf auf, dieser
ist jedoch ganz erheblich kleiner als bei Strömungsmaschinen mit ihren beachtlich
grossen Luftspalten. Auch darf die Gasreibung nicht ausser Acht gelassen werden,
die bei Strömungsmaschnen sehr erheblich ist und etwa in der Grössenordnung der
Kolbenringreibung von Hubkolbenmaschinen liegt. Diese Gasreibung ist bei Zahnradverdichtern
ganz wesentlich kleiner, da diese mit niedrigeren Drehzahlen laufen.
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Stattet man den Verdichter mit einer Zuführungseinrichtung für Wasser
aus und sprüht Wasser in den Verdichter ein, so steht in der Brennkammer bereits
ein mit wasser versetztes Gas zur Verfügung, dessen Volumen durch die Verdampfung
des Wassers vergrössert und somit der Turbine mehr Energie zur Verfügung stellt.
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Zur Weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades kann das aus der Turbine
austretende Abgas zur Erzeugung von Dampf verwendet werden, wodurch für die Umwandlung
von Wasser in Dampf (Verdampfungswärme) keine Originalenergie aufgewandt werden
muss.
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Vorzugsweise wird als Brennkammer eine solche mit Dauerzündung des
eingespritzten oder anders zugeführten Brennstoffs durch eine Glühspirale verwendet,
wobei die Temperatur derselben etwa 7500 nicht übersteigt. An einer Stelle, wo der
eingesprühte, eingespritzte oder anders zugeführte Brennstoff gut angebrannt bzw.
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fast ausgebrannt ist, wobei die Flammentemperatur etwa 12000 C nicht
übersteigen sollte, wird in die Brennkammer vorzugsweise zusätzlich Wasserdampf
eingesprüht, um die Temperatur soweit wie möglich herabzusetzen. Sie sollte 5000
C nicht übersteigen.
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Führt man die Brennkammer länger als bislang üblich aus, so ergibt
sich eine relativ lange Verweildauer der in ihr brennenden Gase, womit die Bildung
von Schadstoffen in den Abgasen weitgehend vermieden wird. Als Brennstoffe eignen
sich sowohl flüssige, gasförmige als auch feste, staubförmige Brennstoffe.
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Einer besseren Verbrennung dienen ausserdem die grossen Luftüberschüsse,
die vom Verdichter her zur Verfügung stehen. Es ergibt sich durch die restlose Ausnutzung
des Brennstoffs ein gegenüber Otto-, Diesel- und Wankelmotoren erheblich kleinerer
spezifischer Treibstoffverbrauch, bei geringeren Anteilen von Schadstoffen, wie
Kohlenmonoxid, Stickoxide, Benzpyren, Russ und unverbrannte Kohlenwasserstoffe,
in den Abgasen. Auch kann der Brennstoff im Gegensatz zu dem für übliche Ottomotoren
benötigten, völlig bleifrei sein. Bei entsprechend niedrig eingestellten Verbrennungstemperaturen
unterbleibt eine
thermische Dissoziation der verbrannten Gase, so
dass die Entstehung von Kohlenmonoxid auch ganz unterbunden werden kann.
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Aufgrund dieser Tatsachen und des mit den bekannten Antriebssystemen
vergleichbaren Wirkungsgrades ist ein mit einem Verdichter der zuletzt genannten
Art ausgerüstetes Klein-Gasturbinentriebwerk auch durchaus zum Antrieb von Kraftfahrzeugen
geeignet.
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Eine erhebliche Wirkungsgradsteigerung ergibt sich beim Einsatz der
erfindungsgemässen Klein-Gasturbine zum Antrieb eines Kompressors, beispielsweise
für den Betrieb von Baustellenwerkzeugen.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,dass der
Verdichter des Klein-Gasturbinentriebwerks zugleich als Kompressor für externe Zwecke,
z.B. für den Betrieb von Baustellenwerkzeugen, verwendet ist. Der Verdichter kann
dann in seinem Gasdurchsatz grösser gemacht werden, als es der Bedarf in der Brennkammer
und Turbine erfordert. Die überschüssige verdichtete Gasmenge wird abgezweigt und
dem Pressluftnetz zur Verfügung gestellt. Wie eingangs erwähnt, arbeiten Verdichter
mit besseren Wirkungsgraden je grösser der Gasdurchsatz ist. Die Steigerung des
Gasdurchsatzes über ein zum Turbinenantrieb erforderliches Mass hinaus bringt demnach
eine Wirkungsgradverbesserung bezogen auf das Klein-Gasturbinen-Gesamttriebwerk
mit sich. Die Turbine hat bei einer solchen Kompressoranlage an ihrem freien Wellenende
ausser zum Antrieb des Verdichters und etwaiger Hilfsaggregate überhaupt keine Leistung
abzugeben.
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Während bei üblichen Gasturbinenanlagen nur ein Teil der an der Turbinenwelle
zur Verfügung stehenden Energie für den Antrieb des Turbinenverdichters zur Verfügung
gestellt wird, arbeitet eine in erfindungsgemässer Weise ausgebildete Anlage derart,
dass fast die gesamte Abtriebsenergie der Turbine zum Betreiben des Turbinenverdichters
verbraucht wird.
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Eine derartige Kompressoranlage zum Erzeugen von Druckluft ist ebenso
ortsunabhängig einsetzbar wie ein übliches dieselgetriebenes Aggregat, wobei jedoch
ein grösserer Wirkungsgrad und eine grössere Geräuscharmut gegeben ist. Die Nachteile
der dieselgetriebenen Kompressoranlagen sind damit weitgehend ausgeschaltet. Aufgrund
der geringeren Anzahl bewegter Teile ist eine solche Anlage auch wartungsärmer als
die herkömmlichen Anlagen. Hin- und hergehende Teile sowohl im Antriebsaggregat
als auch im Verdichter sind durch rotierende Teile ersetzt.
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Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt sind, sollen die Erfindung und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
derselben näher erläutert werden.
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Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die zur
Verfügung zu stellende Pressluft unmittelbar vom Turbinenverdichter abgenommen wird.
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Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die zur
Verfügung zu stellende Pressluft nach dem Abzweigen aus dem Gasturbinen-Strömungsweg
nachverdichtet wird.
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Fig. 1 zeigt einen Kompressor nach der Erfindung, der in seinem wesentlichen
Teil aus einem Gasturbinentriebwerk besteht. Dieses umfasst einen rotierenden Verdrängerverdichter
1, dessen Eingang 1a Luft unter Atmosphärendruck zugeführt wird. Sein Ausgang ib
ist mit einem Gaspuffer 2 verbunden, in dem das durch die Verdichtung auf etwa 4
ata auf ca. 1500 C erwärmte Gas zwischengespeichert wird. Dieses Gas besteht aus
einem Luft/ Wasserdampfgemisch. Das Wasser wurde dem Verdichter 1 über Wasserzuführungseinrichtungen
1c zugeführt. Der Gaspuffer 2 weist zwei Ausgänge 2a und 2b auf, von denen der Ausgang
2a zu einer Brennkammer 3 führt, während der Ausgang 2b mit einem
pressluftnetz
verbunden werden kann, beispielsweise zum Betrieb von Werkzeugen. In der Brennkammer
3 ist eine Brennstoffeinspritzdüse 9, eine Glühspirale 10 und eine Dampfzuführung
11 angeordnet. Durch den mittels der Brennstoffeinspritzdüse 9 zugeführten Brennstoff
wird das unter Druck stehende Luft-Dampf-Gemisch auf etwa 12000 C erhitzt. Sodann
wird über die Dampfzuführung 11 Wasserdampf zugeführt, wodurch sich ein auf 4 ata
einstellender Gasstrom mit einer Temperatur von 5000 C ergibt, der einer vorzugsweise
mehrstufigen Turbine 4 zugeführt wird.
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In dieser Turbine entspannt sich das Gas und verlässt es unter Atmosphärendruck
am Auspuff 13 mit einer Temperatur von ca.
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2500. Der Temperaturgehalt dieser Abgase kann gegebenenfalls verwendet
werden, um die vom Verdichter 1 abgegebene Luft vorzuwärmen und/oder Wasser zu verdampfen,
wie der Wärmetauscher 15 zeigt.
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Von der Turbinenwelle wird über ein Getriebe 5 der Verdichter 1 angetrieben.
Von der Abtriebswelle des Getriebes 5 werden vorzugsweise auch noch Nebenaggregate,
wie z.B. eine Wasserpumpe 6, ein Stromgenerator zur Versorgung der Glühspirale 10
sowie eine Brennstoffpumpe 8, angetrieben. Auf der Turbinenwelle ist eine Kupplung
12 angeordnet, über die wahlweise weitere Aggregate angetrieben werden können, sofern
bei verringertem Pressluftbedarf an der Turbinenwelle überschüssige Energie zur
Verfügung steht.
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Der Verdichter 1 ist so ausgeführt, dass die von ihm gelieferte verdichtete
Luft/Dampfmenge grösser ist als von der Turbinenversorgung benötigt. Diese überschüssige
Luft/Dampfmenge wird am Ausgang 2b aus dem Gaspuffer 2 abgezweigt.
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Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemässen
Kompressor, das sich von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch
unterscheidet, dass von der den Verdichter
1 antreibenden Welle
noch ein zweiter Verdichter 14 angetrieben wird. Diesem zweiten Verdichter 14 wird
die aus dem Gaspuffer über den Ausgang 2b abgezweigte, für Presslufterzeugung vorgesehene
Gasmenge zugeführt. Sie gelangt vorverdichtet in den zweiten Verdichter hinein und
wird wen ihm auf einen noch höheren Druck verdichtet. Herrscht im Gasspeicher 2
z.B. ein Druck von 4 ata vor, so kann die abgezweigte Gasmenge vom zweiten Verdichter
14 beispielsweise auf 7 ata verdichtet werden. Auch bei dieser Ausführungsform der
Erfindung hat der erste Verdichter 1 eine über das übliche, für die Turbine 4 benötigte
Mass hinausgehende Gas förderung, da ein Teil der von ihm verdichteten Gasmenge
aus dem Strömungsweg zur Turbine 4 vorher abgezweigt wird.
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Speziell bei der Verwendung als Fahrzeugantrieb ist es zweckmässig,
zwischen die Turbine und den Achsantrieb einen Ilgner-Umformer einzusetzen, da dieser
in der Lage ist, plötzliche Lastschwankungen vom speisenden Generator fernzuhalten.
Die Anlage ist dadurch bei plötzlichen Belastungen in der Lage, ihre Drehzahl weitgehend
aufrechtzuerhalten, bis durch eine entsprechende Regelung den geänderten Belastungsverhältnissen
Rechnung getragen ist. Dabei wird der Antrieb (d.h. die Turbine) für den Umformer
einer Leonardschaltung für den drehzahlregelbaren Gleichstrom-Fahrmotor mit einem
Schwungrad gekuppelt, das bei einem Laststoss seine kinetische Energie als Antriebsleistung
zur Verfügung stellen kann.
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Ansprüche: