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Verfahren zum Betrieb von Verpuffungsturbinen Vorliegende Erfindung
bezieht sich auf sogenannte Verbundgasturbinen, das sind Gasturbinen, die aus mindestens
zwei hintereinandergeschalteten Laufradstufen bestehen. von denen die erste als
reine Verpuffungsturbine, also mit periodischer Beaufschlagung, arbeitet, während
die zweite vom Treibgas dauernd und wegen des Ausgleiches, den die Entladungen am
ersten Rad erfahren, mit weniger schwankendem Druck beaufschlagt wird. Während man
nun bei der reinen, einstufigen Verpuffungsgasturbine die Treibgase bis auf den
im Radkasten herrschenden Atmosphärendruck herabexpandieren ließ und demgemäß zum
Ausschieben des Abgasrestes aus der Kammer nur sehr niedrige Drücke benötigte, zur
Erreichung einer gewissen Vorverdichtung die neue Ladung also durch ein besonderes
Gebläse geliefert werden mußte, hat man bei den Verbundgasturbinen bisher zwar die
Entspannung in der Kammer meist ebenfalls bis auf den Druck am ersten Rad getrieben
und die Spülung mit ungefähr dem gleichen Druck vorgenommen, diesen Druck aber stets
auch beider Nachbehandlung nicht wesentlich überschritten. Um hohe Verpuffungsdrücke
zu erhalten, sind bekanntlich hohe Vorverdichtungen, d. h. Ladedrücke, erforderlich.
Da aber Spülung und neue Ladung mit den gleichen oder fast gleichen Drücken erfolgten,
mußte die gesamte Spülluft- und Lademenge auf diesen hohen Verdichtungsdruck gebracht
werden. Die hierfür erforderliche Verdichtungsarbeit wurde damit sehr groß und vernichtete
die Vorteile, die durch die Erhöhung des Verpuffungsdruckes angestrebt waren, vollständig.
Es ist nämlich zu berücksichtigen, daß bei der bisher bekannten Betriebsweise der
Verbundturbinen, bei welcher Spülluftlade- und Gegendruck nur wenig voneinander
verschieden sind, das nutzbare Gefälle der Verpuffungsturbinenstufe zu klein wird,
das der zweiten Gasturbinenstufe aber meist nicht voll ausgenutzt werden kann, da
die Gastemperaturen, die am ersten Rad vorherrschen dürfen, aus Materialfestigkeitsgründen
verhältnismäßig niedrig gehalten werden müssen. Bei hohen Ladedrücken wurden diese
Temperaturen dann im Vergleich zum Entspannungsverhältnis sogar zu niedrig, um von
der zweiten Gasturbinenstufe das Mehr an Leistung zu erhalten, das der Verdichter
zur Ermöglichung dieses Entspannungsverhältnisses benötigte.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, soll sich gemäß der Erfindung bei
sogenannten Verbundgasturbinen an die Spülung und die damit verbundene erste Ladung
eine zweite Ladung bei weit höherem Druck als bisher üblich anschließen und die
Entspannung in den Verpuffungskainmern bis auf einen verhältnismäßig niedrigen Druck
(etwa 2,5 bis 3,5 ata) teeruntergeführt werden, der auch vor der zweiten Laufradstufe
herrscht. Die an die Spülung und erste Ladung (Vorladung) sich anschließende zweite
Ladung (Nachladung) führt zu einem Enddruck, der mindestens doppelt so hoch ist
wie der Druck der Vorladung. Da auf diese Weise nur ein Teil der Luft auf hohen
Druck zti verdichten ist und zur Verdrängung des Abgasrestes und für die Spülung
nur Luft von geringem Druck benötigt wird, so vermindert sich der Arbeitsaufwand
für die Verdichtung wesentlich.
Trotzdem werden aber die Abmessungen
für die Brennkammern und das erste Rad klein und die Verpuffungsdrücke hoch, da
der hierfür allein maßgebende Enddruck der Nachladung ebenfalls groß ist: Für das
verfügbare Gefälle am ersten Rad steht jetzt ein Druck zur Verfügung, der sich zusammensetzt
aus dem Druckunterschied zwischen dem Spül-und Nachladedruck und der Druckerhöhung,
die durch die Verpuffung entsteht. Das Nachladen macht es somit möglich, den Hauptanteil
der Arbeitsleistung auf das erste Rad zu verlegen, und es wird die Temperatur -gleich
hohen Verpuffungsdruck für beide Fälle vorausgesetzt - am Rade viel niedriger als
bisher, wo für die Entspannung und Temperaturerniedrigung der Gase bis zum ersten
Rade nur das durch die Verpuffung erzeugte Gefälle zur Verfügung stand.
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Die neue Arbeitsweise wird am besten durch das Druck-Zeitdiagramm
einer gemäß der Erfindung arbeitenden Gasturbine veranschaulicht. Es bedeuten in
Abb. i die Abszissen A die Zeiten, die Ordinanten I3 die Drücke. Es wird z. B. bei
i das in die Kammer geli--ferte verdichtete Brennstoffgemisch entzündet, worauf
es verpufft und den Druck 2 annimmt. Nach einer kleinen, der vollständigen Verbrennung
dienenden Pause bis 3 öffnet das Düsenventil, und die Gase strömen auf das Rad,
wo sie Arbeit leisten. Der Gegendruck (Druck am ersten Rad) ist bei .I erreicht.
Dieser Druck 4 ist nun gemäß der Erfindung wesentlich niedriger als der Druck, der
in der Kammer bei der Zündung in i vorherrschte. Der Abgasrest kann also mit entsprechend
niedriger gespannter Luft ausgeschoben und die Kammer mit niedriggespannter Luft
vorgeladen werden, etwa bis Punkt 5. Dort schließen die Auslaßventile (d. h. das
Düsenventil) und das Lufteinlaßventil, und es folgt gegebenenfalls durch besondere
Nachladeventile die weitere Füllung oder Nachladung, bis der volle Nachladedruck
bei 6 erreicht ist. Die Arbeitsleistung des ersten Rades ist durch die Fläche 3-4-7
angedeutet (die Abszissen sind Zeiten!), wobei 7-4 den Gegendruck am ersten Rad
darstellt. Die Arbeitsleistung des oder der nachfolgenden Räder ist (wiederum auf
Zeitbasis aufgetragen) 7-5'-s-9, wobei die Linie 8-9 der atmosphärische Gegendruck
ist.
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Des Vergleiches halber ist strichpunktiert in das gleiche Diagramm
auch die Gegendruck- und Ausschublinie für die bisher übliche Betriebsweise der
sogenannten Verbundgasturbinen eingetragen. Die Entladung ist hier entsprechend
dem höheren Gegendruck bereits bei 1o beendigt. Der Ausschub des Abgasrestes geht
auf nahezu gleichbleibender Höhe bis ans Spielende bei 6. Ein Nachladen findet nicht
statt. Die Arbeitsfläche des ersten Rades vermindert sich auf Fläche 3-10-11-während
die Arbeitsfläche der zweiten oder der nachfolgenden Räder auf die Fläche i1'-12-13-9
ansteigt.
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Die Temperatur der Gase vor den Düsen des zweiten Rades ist ungefähr
gleich hoch wie die Temperatur an den Schaufeln des erster- Rades. Sie ist also
aus Materialfestigkeitsgründen beschränkt. 'Nachdem nun das sogenannte verfügbare,
d. 11. arbeitsleistende Gefälle ebenfalls von der Temperatur, und zwar von der absoluten
Temperatur des Treibgases, abhängig ist und der Druck des Treibgases durch den Verdichter
erzeugt werden muß, so ergibt sich, daß es zwecklos und unwirtschaftlich ist, .den
Druck vor der zweiten Düse zu hoch zu halten. In der Tat ergibt sich dann die größte
Wirtschaftlichkeit, wenn dieser Druck nicht höher ist, als er durch ein einfaches,
gegebenenfalls ungekühltes Turbogebläse erzeugt werden kann, und er ein solches
verfügbares Gefälle ergibt, daß dieses in einem einzigen Rad, das mit günstigsten
ujc-Verhältnisseri arbeitet, verarbeitbar ist. Diese Verhältnisse liegen für den
praktischen Fall vor bei einem Druck am ersten Rad von etwa 2,5 bis 3,5 ata, während
mit dem Nachladedruck bedeutend höher. z. B. auf 6 bis 1o ata, gegangen werden kann.
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Für die Verdichtung der kleineren Nachladelttftntenge wird mit Vorteil
ein Kolbenverdichter oder ein liapsel- (Drehkolben-) Verdichter verwendet, der bereits
vorverdichtete und rückgekühlte Luft erhält, so daß sein Ansaugevolumen und die
aufzuwendende ','achladeverdichtungsarbeit klein wird.
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Der @Tachladeverdichter könnte so angeordnet werden, daß er die Luft
direkt in die Brennkammern liefert; er würde in diesem Fall also zu Beginn mit niedrigeren
Ausschubdrücken arbeiten und erst am Ende des Nachladens den vollen -Nachladedruck
überwinden müssen. Es kann der N achladeverdichter aber auch auf einen Behälter
mit gleichbleibendem Druck fördern, wobei dann der Druckunterschied, der nun zwischen
dein gleichbleibender. Behälterdruck und dem erst allmählich ansteigenden _Kammerdruck
besteht, dazu benutzt wird, den Brennstoff in die Brennkammern zu fördern und diesen,
z. B. im Falle von Schweröl, Kohlenstaub o. dgl., zu zerstäuben.
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Auf Abb. z ist eine Gasturbine dargestellt, wie sie zur Durchführung
des Verfahrens erforderlich ist, deren bauliche Einzelheiten jedoch nicht Gegenstand
der Erfindung sind. Es ist i die eigentliche Gasturbine, die eine Verbundturbine
ist, beispielsweise aus zwei hintereinandergeschalteten Rädern 2 und 3 besteht und
einen Generator 4 antreibt. 5 ist
die Brennkammer, in welcher das
Treibmittel durch Verpuffung von Luft und Brennstoff gebildet wird. 6 und 7 sind
die beiden Zylinder eines Verdichters, die beispielsweise durch eine Dampfturbine
8 angetrieben werden. Gemäß der Erfindung ist die Arbeitsweise dieser Anlage nun
folgende.
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Wir nehmen an, daß die Kammer 5 mit verdichtetem Brennstoffluftgemisch
geladen sei, das durch die Zündkerzen 9 entzündet werde. Durch den entstehenden
Verpuffungsdruck wird das Düsenventil io aufgeworfen, so daß die hochgespannten
Treibgase zur Düse i i gelangen und von dort das Rad beaufschlagen. Die Gase geben
einen Teil ihrer Arbeit ab, indem sie auf den am Rade 2 -sich einstellenden Gegendruck
expandieren. Die restliche Energie wird im Rad 3 ausgenutzt, nachdem die gleichen
Gase in Düse 12 auf den atmosphärischen Gegendruck entspannt werden.
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Die besondere Eigenart der Betriebsweise der vorliegenden Gasturbine
liegt nun darin, daß die Ladung der Kammer 5 oder der Kammern, denn es können auch
mehrere sein, in mehreren, mindestens zwei Stufen erfolgt, der Verdichter also Luft
von verschiedenem Druck liefert. Die Luft niedrigen Druckes, auf der Abb. 2 vom
Zylinder 6 geliefert, wird dazu verwendet, den Abgasrest aus der Brennkammer 5 zu
entfernen, sobald die Treibgase bis auf etwa den Gegendruck am ersten Rade entspannt
sind und das Düsenventil io geschlossen ist. Diese Luft tritt durch Ventil 13 ein,
der Abgasrest aber verläßt die Kammer durch das Auslaßventil 14., von wo die Gase
z. B. zum zweiten Rad 3 geführt werden, um auch noch ihre restliche Energie arbeitsleistend
abzugeben. Ist die Kammer von den Abgasresten befreit und mit frischer Brennluft
gefüllt, so schließen, die beiden Ventile 13 und 1q., und es beginnt das Nachladen
mit Luft und Brennstoff höheren Drukkes. Die Luft wird nun aus dem zweiten Zylinder
; des Verdichters entnommen und durch besondere Nachladeventile 15 in die Brennkammer
gepreßt. Im Strome der Nachladeluft befinden sich auch die Brennstoffdüsen 16, durch
die der Brennstoff in feinster Verteilung eingebracht wird. Bei dem gezeichneten
Beispiel sind die Brennstoffdüsen für das Öl bestimmt. Bei Anwendung von Gasen oder
Kohlenstaub werden diesen Brennstoffen angepaßte Einrichtungen vorgesehen. Der Druck,
mit dem die Nachladeluft in die Kammer geblasen, wird, soll wesentlich, mindestens
zweimal so hoch sein wie der Druck, den, die bereits in der Kammer befindliche Luft
aufweist, oder, da der Verpuffungsdruck für Leistung und Wirkungsgrad der Anlage
maßgebend ist, mit anderen Worten: es soll die zur Verdrängung des Abgasrestes und
zur ersten Ladung dienende Luft weniger als die Hälfte des den Verpuffungsdruck
bestimmenden Nachladedruckes haben. Der Grund hierfür liegt, wie eingangs erwähnt,
darin, daß durch diese Maßnahme eine tiefere Expansion der heißen Treibgase in der
Kammer und somit eine größere Leistung und vor allem tiefere Gastemperaturen am
ersten Rad erreicht werden, so daß die Gase, die das zweite Rad beaufschlagen, gar
nicht und nur wenig gekühlt werden müssen. Für diese Kühlung ist im vorliegenden
Beispiel der Behälter 17 vorgesehen, in welchem sich Rohrschlangen 18 befinden,
die z. B. als Überhitzen für den aus dem Kühlwasser erzeugten Dampf dienen. Eine
Niedrighaltung des Enddruckes der ersten Expansion ermöglicht auch eine leichtere
Spülung der Kammern und bessere Gemischbildung. Der Hauptvorteil liegt aber in der
geringeren Verdichtungsarbeit, da nun der größere Teil der Luft nur wenig verdichtet
werden muß, was mit gi@tein Wirkungsgrad erfolgen kann, dagegen die Luftmenge, die
zur Erreichung hoher Verpuffungsdrücke auf einen hohen 'Nachladedruck zu bringen
ist, nur noch klein ist.