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Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf und indirekt er Erwärmung
des Arbeitsgases Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit geschlossenem
Kreislauf mit Turbine und Verdichter und mit indirekter Erwärmung des Arbeitsgases.
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Solche Gasturbinenanlagen sind insbesondere als Fahrzeugantriebe oder
Schiffsantriebe und für militärische oder industrielle Zwecke geeignet, wenn eine
geringe Geräuschentwicklung und ein geringer Ausstoß an Abgasen gefordert sind.
Solche Gasturbinenanlagen eignen sich besonders für Anwendungsfälle, bei denen Wärme
auf einfache Weise zur Verfügung gestellt werden oder aus Abgasen industrieller
Prozesse gewonnen werden kann; besonders geeignete Anwendungsfälle sind in einer
Verbindung mit gasgekühlten Kernreaktoren oder kleineren Isotopenreaktoren bzw.
Wärmespeichern
zu sehen.
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Mit der Erfindung soll eine besonders leise arbeitende Gasturbinenanlage
mit gutem Wirkungsgrad geschaffen werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Turbine
und der Verdichter im Inneren eines druckfesten Gehäuses mit einem vorzugsweise
zylindrischen Mittelteil und das Mittelteil dicht abschließendeniseitlichen, vorzugsweise
gewölbten Deckelteilen angeordnet sind, daß im Gehäuseinneren schleifenförmig verlaufende
Kanäle für das Arbeitsgas derart angeordnet sind, daß das Arbeitsgas den Verdichter
und die Turbine in entgegengesetzten Richtungen durchströmt, und daß ein schleifen-
oder ringförmig gelegter Kanalabscbnitt an einem der Deckelteile außerhalb des Gehäuses
verläuft und das Arbeitsgas dort erhitzt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung vergeben sich insbesondere
aus den in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen.
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Durch die erfindungsgemäße Bauwete sind die rotierenden Teile vollständig
im Gehäuse eingeschlossen, wodurch sich ein einfacher Au£bau und eine einfache Montage
ergeben und überdies die Geräuschentwicklung auf ein Minimum abgesenkt ist.
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Weiterhin ist es möglich, das Gehäuse so auszubilden, daß die heißesten
Bereiche der Anlage an einem Ende des Gehäuses
liegen, nämlich an
dem Deckelteil, an dem die Eanalabschnitte aus dem Gehäuse austreten und in den
Wirkungsbereich eines Brhitzers gelangen, den Abtrieb der Gasturbinenanlage hingegen
an die gegenüberliegende Seite zu legen. Im übrigen ist das Gehäuse so ausgebildet,
daß ein geschlossener Stromungskreis mit einem Minimum an Verlusten erreicht wird.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Ausgangsleistung
der Gasturbinenanlage in elektrische Energie oder in Druckhöhe eines Druckmittels
umgewandelt, die wobei die/AbgabeenerESi eart erzeugenden Teile im Inneren des Gehäuses
eingeschlossen sind. Dadurch werden die schwierigen flichtprobleme im Zusammenhang
mit einer hin- und hergehenden oder rotierenden-Welle vermieden, die sich aus einem
Bereich hohen Druckes heraus erstreckt Bei solchen Anlagen, bei denen die Last,
das Drehmoment und die Drehzahl erheblich schwanken, ist es von besonderer Bedeutung,
daß ein Drehmomentwechsel und die dazugehörigen Verluste im Kreislauf des Arbeitsgases
stattfinden, wo die Verluste gering sind und im Gegensatz zu externen Getriebesystemen
bis zu etwa 80 bis 90 96 in einem Wärmetauscher wiedergewonnen werden können.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile aer'Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungabeispielen anhand der Zeichnung,-insbesondere
in Verbindung mit den zusätzlichen AnspFEchen.
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Es zeigt Fig. 1 schematisch vereinfacht in schaltbildlicher Barstellung
eine
erfindungsgemaße Gasturbinenanlage, Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine einfache
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage, Fig. 3 und 4 schematisch vereinfacht
Weiterbildungen der Anlage gemäß Fig. 2.
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Wie die Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt, sind die wesentlichen Bauteile
einer erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage in einem druckfesten Gehäuse ångeordnetS
welches ein zylindrisches lIaupt- oder Mittelteil 10 und zwei ausgewölbte Deckelteile
11 und 12- aufweist. Im Inneren des Gehäuses ist eine Gasturbine mit zwei Läufern
13 und 14 und ein Verdichter 15 angeordnet.
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Der Läufer 13 treibt eine hydraulische Pumpe 16, während der Läufer
14 den'Verdichter 15 antreibt, wobei es sich jedoch versteht, daß beide Turbinenläufer
14 und 15 mit der Pumpe 16 oder mit einer von zwei parallel geschalteten Pumpeneinheiten
verbunden sein können, wie dies durch die gestrichelte Linie 17 in Fig. 1 angedeutet
ist, so daß im Bedarfsfalle Energie von der Turbine übertragen werden kann, um den
Verdichter 15 schnell zu beschleunigen oder um entweder über die Pumpe 16 des hydraulischen
Systems oder einen elektrischen Generator mit zugehörigem Motor Ausgangsleistung
zu erzeugen.
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Das Arbeitsgas, beispielsWeise Luft, Helium oder Wasserstoff, strömt
im geschlossenen Kreis durch die Turbine und den Verdichter und wird durch eine
Anzahl von Wärmetauschern geleitet.
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Das umlaufende Arbeitsgas wird zunächst vom Verdichter 15
verdichtet
und durch einen ersten Wärmetauscher 18 geleitet, in dem Abgasverluste der Turbine
genützt werden, und wird sodann aus dem Gehäuse heraus einem zweiten Wärmetauscher
19 zugeführt, wo das Arbeitsgas weiter erhitzt wird.. Danach wird das Arbeitsgas
zurück in das Gehäuse geleitet, wo es in der Turbine mit den Säufern 13 und 14 expandiert,
danach den ersten Wärmetauscher 18 durchströmt und schließlich durch einen Kühler
20 geführt wird, bevor es wider in den Verdichter 15 eintritt. Dieser Kreislauf
zeigt, daß es wesentlick, ist, daß die Getriebeverluste im Bereich der Turbine als
Abgasverluste infolge mangelnder Energieumwandlung in der Turbine auftreten, welche
in einem Wärmetauscher bis zu 80 bis 90 oh wiedergewonnen werden können, und nicht
als Verluste in einem hydraulischen oder mechanischen Getriebesystem auftreten,
wo sie verloren sind.
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Das kontinuierlich umlaufende Arbeitsgas in dem geschlossenen Kreislauf
wird somit verdichtet, vorgeheizt, erhitzt, kann anschließend expandieren, gibt
Verluste durch mangelnde Energieumsetzung in der Turbine als verbleibende Restwärme
weiter und wird gekühlt, bevor es erneut in den Verdichter eintritt.
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Die Aufheizung im Wärmetauscher 19 wird mittels eines gasförmigen
und/oder flüssigen Mediums erzielt, das aus irgendeinem bekannten Prozess stammen
kann und aus dem dem Wärmetauscher Wärme zugeführt werden kann. Aus Gründen der
Einfachheit bzw. Übersichtlichkeit sei für den vorliegenden Fall angenommen,
daß
die Wärme aus einer Einrichtung mit äußerer Verbrennung stammt, die ein Luftgebläse
21, einen Luftvorheizer 22 und eine Verbrennungskammer 23 aufweist.
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Der Druck des Arbeitsgases wird durch eine mit dem Strömungs kreis
durch eine Leitung 24 verbundene Vorrichtung-gesteuert.
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Durch Änderung der Arbeitsdruckhöhe des Arbeitsgases ist es möglich,
die Ausgangsleistung zu ändern und darüberhinaus ist es natürlich erforderlich,
den Strömungskreis trotz Temperatur- und Druckänderungen gefüllt zu halten; weiterhin
muß die Anlage geleert werden können, wenn sie stillgesetzt ist.
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Das umlaufende Arbeitsgas kann beispielsweise Luft, Wasserstoff oder
Helium sein. Das letztgenannte Gas muß natürlich wiedergewonnen werden. Wenn Luft
verwendet wird, welche den geringsten Wirkungsgrad ergibt, kann die Anlage mittels
eines Luftverdichters aufgefüllt werden, was in verschiedensten Anwendungsfällen
der zweckmäßigste Weg ist. Die Steuervorrichtung für den Arbeitsdruck weist einen
Druckbehälter 25 auf, der mittels einer Trennwand in eine Kammer 25a hohen Druckes
und eine Kammer 25b niedrigen Druckes unterteilt ist. Die beiden Kammern 25a und
25b stehen über eine Pumpe 26 in Verbindung, die vorzugsweise selbsttätig gesteuert
oder geregelt ist und Druckmittel von der Niederdruckkammer 25b in die Hochdruckkammer
25a fördert.
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Es liegt auf der Hand, daß bei größeren Anlagen anstelle eines unterteilten
Druckbehälters 25 auch zwei vollkommen getrennte bruckbehälter eingesetzt werden
können.
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Die Anlage weist weiterhin ein Brei-Wege-Ventil 27 auf, mit dem die
Leitung 24 entweder mit der Hochdruckkammer 25a oder mit der Niederdruckkammer 25b
des Druckbehälters 25 in Verbindung gebracht werden kann.
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Beim Anlaufen der Gasturbinenanlage möge die Fochdruckkammer 25a ein
ausreichendes Volumen an hochgespanntem Druckmittel enthalten, um das Arbeitsgas
mit dem gewünschten Druck in den Strömungskreis einfüllen zu können. Die Pumpe 26
fördert Druckmittel aus der Niederdruckkammer 25b, so daß immer ausreichendes Druckmittel
für eine Erhöhung des Druckes im Arbeitskreis der Gasturbinenanlage bis zu einem
vorgegebenen Maximalwert zu Verfügung steht. Wenn der Druck im Strömungakreis abgesenkt
werden soll; so wird Druckmittel an die Niederdruckkammer 25b abgegeben.
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Es ist darauf hinzuweisen, daß das Arbeitsgas in der Nähe des Deckelteiles
11 erhitzt wird, jedoch die Pumpe und die zugehörigen Leitungen zu und von der Pumpe
in der Nachbarschaft des gegenüberliegenden Deckelteils 12 liegen, also im kältesten
Bereich der Anlage thd soweit als möglich entfernt von ihrem heißesten Bereich.
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Anstelle einer Pumpe kann die Turbine auch einen elektrischen
Generator
antreiben. Bei beiden Arten der Leistungsabgabe sind im Unterschied zu mechanischen
Getrieben keine Dichtungen gegen eine rotierende Welle erforderlich. Eine Gasturbinenanlage
mit geschlossenem Kreislauf der erfindungsgemäßen Art erfordert jedoch selbstverständlich
keinen Ausschluß einer mechanischen Leistungsabgabe, jedoch wir d bei einer erfindungsgemäßen
Anlage mit Rücksicht auf den Überdruck im gesamten Gehäuse die Abdichtg solcher
mechanischer bewegter Teile schwieriger als eine Abdichtung-von Rohrleitungen oder
elektrischen Kabeln, die fest montiert werden können.
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Wenn ein Generator mit hoher Betriebsdrehzahl verwendet wird, so sollte
dieser in einer Kammer mit Unterdruck angeordnet werden, um die Saugwirkung zu minimieren.
Jedoch bringt diese Saugwirkung keine ernst zunehmenden Schwierigkeiten mit sich.
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In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage
mit weiteren Einzelheiten dargestellt; die se Gasturbinenanlage weist einen zweistufigen
Turbinenläufer 30 auf, welcher einen Verdichterläufer 31 antreibt, der auf derselben
Welle 32 wie der Turbinenläufer angeordnet ist.
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Die Welle 32 treibt über ein einfaches Getriebe 33 auch die hydraulische
Pumpe 16.
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Das Mittelteil des Gehäuses ist ebenso wie in Fig. 1 mit 10 bezeichnet,
während die beiden Deckelteile mit 11 bzw. 12 bezeichnet sind.
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Der Wärmetauscher 19 besteht aus einer Vielzahl von U-förmigen
Rohren,
deren beide Enden mit dem Deckelteil 11 verbunden sind, so daß eine-ringförmige
Leitungsanordnung entsteht, in deren mittleren Bereich die Verbrennungskammer 23
angeordnet ist.
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Das in Fig. 2 nicht mehr näher dargestellte Luftgebläse 21 fördert
Luft über den Suft-Vorerhitzer 22, der beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 als
Dreh-Wärmetauscher ausgebildet ist, in die Verbrennungskammer 23. Die Gase strömen
dabei von der Kammer zwischen den Leitungen des Lufterhitzers 19 aus radial nach
außen und werden in einer Kammer gesammelt, bevor sie den Luft-Vorerhitzer-22 durchströmen.
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Zur Steuerung der Lufttemperatur in der Verbrennungkammer ist eine
Nebenleitung 34 mit einem Steuerventil 35 für die Luftansaugung vorgesehen. Durch
diese Nebenleitung 34 kann eine bestimmte Menge nicht vorgeheizter Luft entweder
direkt zum Zentrum der Verbrennungskammer geleitet werden oder in einer Mischzone
der vorgeheizten Luft zugemischt werden.
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Wenn heiße Gase aus einem industriellen Prozess zur Verfügung stehen,
so kann die Aufheizung des zirkulierenden Arbeitsgases alleine durch diese Gase
erfolgen, oder aber zusätzlich durch Hitze aus der Verbrennungskammer, wobei das
Industriegas über Leitungen 36 und 37 zugeführt und wieder abgefüh-rt wird. Beispielsweise
kann dieses Industrie- oder Prozessgas aus einem Wärme sammler oder Wärmespeicher
stammen.
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Gegenstrom-Der Wärmetauscher 18 ist von an sich bekannter/Bauart und
weist enge parallele Strömungskanäle abwechselnd für das wärmeabgebende und das
wärmeaufnehmende Medium auf. Mittels gefalteter Trennwände ist jeder der genannten
Strömungswege in parallele Durchlässe unterteilt, wobei die Falten parallel zur
Strömungarichtung des Arbeitsgases liegen.
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An einem Deckelende sind die Strömungskanäle geschlossen und im benachbarten
Teil des Bodenbereiches offen; sie sind so angeordnet, daß ihre offenen Enden abwechselnd
in gegeniiberliegende Richtungen weisen. Die gefalteten Trennwände innerhalb der
eigentlichen Strömungskanäle sind schräg abgeschnitten, wie dies bei 38 durch die
durchgezogene Linie für den in der Zeichnung geschnittenen Strömungskanal und bei
39 durch die gestrichelte Linie für den in der Zeichnung dahinterlie genden Strömungskanal
gezeigt ist.
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Somit s-trömt das Arbeitsgas von der Turbine durch Öffnungen.
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in den Strömungskanälen des Wärmetauschers an dessen in der Zeichnung
linkem Ende ein, wird an der spitzwinklig abgeschnittenen Wand 38 um 900 umgelenkt
und strömt in axialer Richtung aus dem Wärmetauscher 18 aus. Während einer erheblichen
Zeitspanne beim Durchströmen des Wärmetauschers besteht ein Gegenflß zwischen dem
Arbeitsgas in den wärmeabgebenden bzw. den wärmeaufnehmenden Teilen, wodurch ein
bestmöglicher Wärmeübergang erzielt wird.
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Der Kühler 20 kann gemäß dem zu Verfügung stehenden Raum ausgelegt
werden,
wobei es ausreichen kann, einen Teil des Kühlers in den radial inneren Teil der
Schleife des Strömungsweges unmittelbar vor den einlaß des-Verdichters 31 zu legen.
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Vorteilhaft mündet die von der Drucksteuervorrichtung kommende Leitung
24 in der äußeren-Wand oder in irgendwelchen der Leitschaufeln 40 stromauf des Verdichters
31.
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Wie auch die. Zeichnung veranschaulicht, durchströmt das Arbeitsgas.die
Turbine 30.und den Verdichter 31 in entgegengesetzter Richtung, wodurch es erforderlich
wird, die Axialkräfte in dem rotierendem System besonde-rs auszugleichen, beispielsweise
durc'n Druekausgleichöffnungen oder Dichtungen oder Ausgleichskolben.
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In den Fig. 3 und 4 sind Weiterbildungen der Erfindung dargestellt,
die sich insbesondere auf die Ausbildung der Läufer der Turbine beziehen; auch diese
komplizierter aufgebauten 6 Turbinen können ohne weiteres anstelle der Turbine 30
in die Anlage gemäß Fig. 2:eingebaut werden. Die Anordnung gemäß Fig. 4 führt, wie
bereits die Zeichnung ohne weiteres erkennen läßt, zu einem guten Ausgleich der
vom Laufrad des Verdichters aufgebrachten Axialkräfte.
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Die Turbine weist sowohl beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 als
auch bei demjenigen nach Fig.. 4 drei Läufer 41, 42 und 43 auf, von denen der erste
unmittelbar mit der Pumpe 16 verbunden ist, während der -zweite mit dem Verdichter
44 antriebs-\verbunden ist. Wie ohne weiteres ersichtlich ist, kann die
Expansion
des Arbeitsgases im Bedarfsfalle in zwei oder mehr Stufen erfolgen und kann, ähnlich
wie im Falle des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1, auch der Turbinenläufer 42 über
eine Getriebeverbindung 17 mit der Pumpe verbunden sein.
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Die Verteilung der Leistung auf die Turbinenstufen 41, 42 und 43 erfolgt
mittels beweglicher Vorleitschaufeln 45, die nahe einem der Läufer angeordnet sind,
oder aber wird durch
Energieübeftragung zwischen den Läufern mittels Druckmediums erzielt, welche ohne
ein Auftreten von Strömungsverlusten oder Schlupf gewonnen wird, wodurch ein hoher
Wirkungsgrad sichergestellt ist.
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Der dritte Turbinenläufer 4-3 treibt eine zweite hydraulische Pumpe
46. Diese Pumpe wird über ein Ventil 47 gesteuert, und zwar derart, daß der in den
beiden vorangehenden Turbinenstufen nicht ausgenützte Druckabfall nutzbar gemacht
wird.
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Das Ventil 47 ermöglicht eine Rückströmung zur Pumpe, so daß zu jedem
Zeitpunkt gerade diejenige Menge an Druckmittel entnowmen wird, die der momentanen
Leistung des dritten Läufers entspricht.
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Die Druckleitung der Pumpe 46 kann mit derjenigen der Pumpe 16 verbunden
werden oder aber auch zum Antrieb irgendeines Hilfsaggregates angeschlossen werden,
beispielsweise zum Antrieb der Pumpe 26 in der Drucksteuervorrichtung gemäß Fig.
1 oder eines Motors 48 (vgl. Fig. 2) zum Antrieb des rotierenden Wärmetauschers
22.
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Das Gehäuse kann wärme- und schallisoliert- ausgeführt sein und es
liegt auf der Hand, daß das gut abgeschlossene rotierende System außerhalb des Gehäuses
nur geringen Lärm entwickelt und so ausgelegt werden kann, daß es ähnlich wieetwa
bei Dampfturbinen frei von Vibrationen und Erschütterungen läuft.
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Was die Steuerung der Verbrennung, des Luft-Vorheizers und der Heizeinheit
betrifft, so kann eine Steuereinrichtung benützt werden, welche im Prinzip der Heizeinheit
19 eine konstante Temperatur unabhängig von Ausgangsleistung und Drehzahl zuordnet.
Eine geeignetes Luft- Brennstoff- Gemisch wird anhand von Meßdaten von Fühlern erzielt,
wobei die T-Teizeinheit und Meßfühler für die Brennstoffmenge den Luftstrom über
das Luftgebläse 21 und die Brennstoffmenge über ein Brennstoffsteuerventil steuern.
Um auch dem Erfordernis einer geringen Menge an Stickoxyden Rechnung zu tragen,
hält die Steuereinrichtung ein im wesentlichen konstantes Drennstoff-Luft- Gemisch
in der Verbrennungszone aufrecht.
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Es gibt weitere Möglichkeiten, die anfallende Menge an Stickoxyden
durch Rückführung der Abgase, durch Anderung der Drehgeschwindigkeit des Regenerators,
durch Änderung der Drehzahl des Hydraulikmotors und mittels einer Nebenleitung für
Luft aus dem Wärmetauscher zu steuern.