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Gasturbine Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine. Die bisher
gebauten Gasturbinen weisen verschiedene Mängel und Nachteile auf, die einer allgemeineren
Verwendung dieser Wärmekraftmasc'hine sehr hinderlich sind. Da ist zunächst einmal
der Verdichter. Wird ein Radialverdichter verwendet, so sind besondere Leitschaufeln
nötig, um den radialen Luftstrom in die einzelnen Brennkammern umzuleiten. Diese
Leitschaufeln wirken im Luftstrom störend. Wird ein Axialverdichter verwendet, so
sind mehrere Verdichterstufen nötig, zwischen denen dann die Leitschaufelkränze
angeordnet sind. Diese Leitschaufeln erzeugen einen beachtlichen Luftwiderstand,
sind. schwierig herzustellen und daher sehr teuer. Betrieben werden die Gasturbinen
fast durchweg mit Heizöl, einem Kraftstoff, der zwar oft als minderwertig bezeichnet,
aber trotzdem sehr knapp ist. Der Kraftstoff wird eingespritzt. Dazu sind teure
Einspritzpumpen und Einspritzdüsen erforderlich, die aber beide recht empfindlich
sind. Der Kraftstoff muß bei großem Luftüberschuß verbrannt werden, um die Temperatur
der Gase auf ein für die Turbinenschaufeln noch erträgliches Maß zu vermindern.
Die Turbinenschaufeln dehnen sich trotz dieses Luftüberschusses durch die Hitze
noch :etwas aus und erschweren dadurch den ;Bau mehrstufiger Turbinen. Die überschüssige
Luft muß natürlich genau so verdichtet werden wie die eigentliche Verbrennungsluft.
Dazu wird unnötig viel Leistung verbraucht, was den Gesamtwirkungsgrad verschlechtert.
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Für viele Gasturbinen wurde ein Wärmeau stauscher vorgesehen, meistens
aber nicht gebaut. Die Gründe hierfür sind folgende: Da bei den meisten Gasturbinen
an Raum und Gewicht gespart
werden soll, muß man möglichst kleine
Wärmeaustauscher bauen. Je kleiner aber ein Wärmeaustausc'her ist, desto größer
sind die darin auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten
entstehen jedoch beachtliche Druck- und Wirbelverluste, welche den Gesamtwirkungsgrad
verschlechtern. Außerdem verschmutzen die bisherigen Wärmeaustauscher sehr leicht,
so daß sie dann praktisch nichts mehr nutzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese \achteile zu beseitigen.
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Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß in den an einem Radialverdichterlaufrad
tangential befestigten, sich mitdrehenden Brennkammern die Verbrennungsluft mit
Koksstaub aufgeheizt und dann in einer ringförmigen Mischkammer mit Wasserdampf
vermischt wird. Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß .dieses Gas-Dampf-Gemisch
zur Arbeitsleistung in eine mehrstufige Turbine geleitet und danach dem Einspritzkondensator
zugeführt wird. Das im Einspritzkondensator anfallende Kondensat und das Kühlwasser
«-erden in einem `V ärmeaustauscher durch die vom Verdichter angesaugte Frischluft
gekühlt.
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Dadurch, daß man die Brennkammern am Ende düsenförmig ausbildet und
an das Radialverdichterlaufrad tangential befestigt, wird der Strömungsverlust verringert
und eine besondere Turbine zum Antrieb des Verdichters überflüssig. Zweckmäß.iger-Nveise
wird man an Stelle des einsseitigen, offenen Ra-dialverdichterlaufrades das beiderseitig
abgedeckte Radialverdichterlaufrad verwenden, da man dann zwischen den einzelnen,
Verbrennungsluft führenden Kanälen Kühlkanäle anordnen kann, in welche Kühlwasser
eingespritzt wird. Dieses Kühlwasser kühlt den Verdichter und die zu verdichtende
Verbrennungsluft. Da sich kalte Gase leichter zusammendrücken lassen als warme Gase,
wird durch diese Wasserkühlung der Wirkungsgrad des Verdichters verbessert. 'Man
kann natürlich die Kühlkanäle auch noch zwischen den einzelnen Brennkammern weiterführen.
Dadurch bleibt die thermische Belastung .des Brennkammernmaterials in erträglichen
Grenzen. Die Emden der Kühlkanäle sind ebenso wie die Enden der Brennkammern düsenförmig
ausgebildet und, bezogen auf das Radialverdichterlaufrad, tangential angeordnet
und münden in eine ringförmige Mischkammer. In weiterer Ausbildung der Erfindung
kann man die eine Hälfte der hohlen Radialverdichter-@velle als Brennstoffleitung
benutzen, während die andere Hälfte als Kühlwasserleitung dient. An. dem als Brennstoffleitung
dienenden Teil der hohlen Radialverdichterwelle sind die ebenfalls hohl ausgebildeten
Verdichterschaufeln angeschlossen, die dann zu den einzelnen Brennkammern führen.
Von dem als Kühlwasserleitung dienen Iden Teil der hohlen Radialverdichterwelle
zweigen Bohrungen zu den einzelnen Kühlkanälen ab. Als Brennstoff ist Koksstaub
vorgesehen. Dieser gelangt vom Bunker über ein Rühr- und Siebwerk durch einen Trichter
in den als Brennstoffleitung dienenden Teil der hohlen Radialverdichterwelle, verteilt
sich hier in die einzelnen hohlen Verdichterschaufeln und wird -durch die Fliehkraft
in die Brennkammern geschleudert und dort verbrannt. Zur weiteren Vervollkommnung
der Erfindung wird zweckmäßigerweise zwischen der Turbine und dem Einspritzkondensator
ein Thermometer eingebaut, welches über elektrische Regelvorrichtungen die Menge
des in die Kühlkanäle des Radialverdichterlaufrades eingepritzten Kühlwassers regelt
und dadurch ein wirtschaftliches Arbeiten der gesamten (Maschine erleichtert. Als
Kühlwasser wird natürlich mit Vorteil das Kondenswasser ver-,vendet, welches vorher
durch ein Filter (Zentrifuge) gereinigt worden ist und im Wärmeaustauscher seine
Wärme an die Verbrennungsluft abgegeben hat.
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Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme
auf die schematischen Zeichnungen näher beschrieben. Es veranschaulicht Ab.b. i
die Gasturbine in .der Ansicht von vorn, im Schnitt, Abb.2 die Gasturbine in der
Draufsicht, teilweise im Schnitt.
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In einem Radialverdichtergehäuse i ist eine hohl ausgebildete Radialverdichterwelle
2 gelagert. In dieser hohlen Radialverdichterwelle 2 ist ein zylindrischer, beiderseits
kegelig abgedrehter Bolzen 3 befestigt, welcher die hohle Radialverdichterwelle
2 in eine Brennstoffleitung q. und in eine Kühlwasserleitung 5 unterteilt. An der
Radialverdichterwelle 2 ist ein Radialverdichterlaufrad 6 befestigt. Das Radialverdichterlaufrad6
ist beiderseitig abgedeckt; also kastenförmig ausgebildet. An diesem Radialverdichterlaufrad
6 sind mehrere Brennkammern 7 tangential befestigt. Das Radialverdichterlaufrad
6 ist in zwei Arten von Kanälen unterteilt. Die eine Art von Kanälen, in der Zeichnung
mit 8 beziffert, führt jeweils paarweise die Verbrennungsluft zu den Brennkammern
7. Diese Kanäle seien deshalb in der weiteren Beschreibung Verbrennungsluftkanäle
8 genannt. Die andere Art von Kanälen, in der Zeichnung mit 9 beziffert, sind Kühlkanäle
und seien deshalb von nun an Kühlkanäle 9 genannt. Die Kühlkanäle 9 sind zwischen
den einzelnen Brennkammern 7 weitergeführt. Die Enden der Kühlkanäleg sind ebenso
wie die Enden der Brennkammern 7 düsenförmig ausgebildet und, bezogen auf das Radialverdichterlaufrad
6, tangential angeordnet. Um das Radialverdichterlaufrad 6 mit den daran befestigten
Brennkammern 7 ist eine ringförmige Mischkammer io angeordnet, welche an dem Radialverdichtergehäuse
i befestigt ist. Am inneren Umfang der ringförmigen Mischkammer io sind die Leitschaufeln
ii angebracht. Diese Leitschaufeln ii sind mit der Radialverdichterwelle 2 parallel
und so gelagert, daß sie den aus .den düsenförmigen Enden der Brennkammern 7 austretenden
Gasstrom wieder in die Drehrichtung .des Rad alverdic'hterlaufrades 6 umleiten.
Von der ringförmiggen Mischkammer io führen mehrere schräg angeordnete, in Drehrichtung
des Radialverdichterlaufrades 6 weisende Rohrleitungen 12 zu einer mehrstufigen
Turbine 13. An den Abgasstutzen 14
der Turbine 13 ist ein Einspritzkondensator
15 allgeschlossen, in dem sich eine Brause 16 befindet. Vom Einspritzkondensator
15 führt eine Kondenswasserleitung 17 zu einem Filter 18 und von hier aus zum Kühlwasserbehälter
ig. Anden Einspritzkondensator 15 ist außerdem noch ein Auspuffrohr 2o angeschlossen.
Am Kühlwasserbehälter i9 ist eine Kühlanlage 2i angeschlossen, welche vor der trichterförmigen
Luftansaugleitung 22 angeordnet ist. Die Luftansaugleitung 22 reicht bis zur Luftansaugöffnung
des Radialverdichteilaufrades 6. An dem als Brennstoffleitung 4 dienenden Teil .der
hohlen Radialverdichterwelle 2 sind die ebenfalls hohl ausgebildeten Verdichterschaufeln
23 angeschlossen, die dann zu den einzelnen Brennkammern 7 führen. Von dem als Kühlwasserleitung
5 dienenden Teil der hohlen Radialverdichterwelle 2 zweigen die Bohrungen 24 zu
den einzelnen Kühlkanälen 9 ab. In die Kühlwasserleitung 5 hinein ragt die Einspritzdüse
25. An den Kühlwasserbehälter i9 ist eine Kühlwasserpumpe 26 angeschlossen, von
der die Rohrleitung 27 zu der im Einspritzkondensatori5 befindlichen Brause 16 führt.
Am Kühlwasserbehälter i9 ist noch eine weitere Kühlwasserpumpe 28 angeschlossen,
von der die Rohrleitung 29 zu der in die Kühlwasserleitung 5 hineinragenden Einspritzdüse
25 führt. Im Abgasstutzen 14 der Turbine 13 ist ein Fernthermometer 3o eingebaut.
Das Fernthermometer 30 wirkt auf ein elektrisches Schaltwerk 31. Dieses elektrische
Schaltwerk 31 regelt die Umdrehungszahl eines Elektromotors 32. Dieser Elektromotor
32 treibt die Kühlwasserpumpen 26 und 28 an. Auf der hohlen Radialverdichterwelle
2 ist ein Zahnrad 33 befestigt, das mit einem weiteren Zahnrad 34 im Eingriff steht.
Dieses Zahnrad 34 trägt einen Nocken 35. Über dem Zahnrad 34 ist ein Schwinghebel
36 gelagert, welcher durch eine Feder 37 immer auf den Nocken 35 gepreßt
wird. An der Brennstoffleitung 4 ist ein Fangtrichter 38 befestigt. über dem Fangtrichter
38 ist ein Rüttelsiebträger 39 mit einem darauf befindlichen Rüttelsieb 4o angebracht.
Das eine Ende des Rüttelsiebträgers 39 ist an -den Schwinghebel 36 angelenkt, während
d'as andere Ende desselben mit einer Stütze 41 gelenkig verbunden ist. Über dem
Rüttelsieb 40 ist ein Koksstaubbehälter 42 mit dem Regulierschieber43 angebracht.
ImKoksstaubbehälter 42 ist dicht über dem Regulierschieber 43 eine Rührwelle 44
gelagert. Auf der Rührwelle 44 sind mehrere Rührzinken 45 befestigt. Die Rührwelle
44 ist außerhalb des Koksstaubbehälters 42 als einfach gekröpfte Kurbel 46 ausgebildet.
Diese Kurbel 46 ist durch eine Schubstange 47 mit dem Schwinghebel 36 gelenkig verbunden.
Mit dem Zahnrad 34 ist noch ein Anlasser 48 kraftschlüssig verbunden. In die ringförmige
Mischkammer io ist eine Glühkerze 49 eingeschraubt.
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Die Wirkungsweise der Gasturbine ist folgende: Durch den Anlasser
48 wird mit Hilfe der Zahnräder 34 und 33 das Radialverdichterlaufrad 6 auf die
Anlaßdrehzahl gebracht. Die in den Verbrennungsluftkanälen 8 des Radialverdichterlaufrades
6 sich befindliche atmosphärische Luft wird durch die Fliehkraft radial nach außen
geschleudert und dabei verdichtet und gelangt dann in die Brennkammern 7 und von
hier aus durch die düsenförmigen Enden derselben in die ringförmige Mischkammer
io. Die in den Kühlkanälen 9 sich befindliche Luft wird auch verdichtet und gelangt
durch die düsenförmigen Enden der Kühlkanäle 9 ebenfalls in die ringförmige :Mischkammer
io. Währenddessen wird durch die Luftansaugleitung 22 ununterbrochen von neuem Frischluft
angesaugt. Während das Radialverdichterlaufrad 6 auf die Anlaßdrehzahl gebracht
wird, wird auch gleichzeitig der vom Zahnrad 34 getragene Nocken 35 in drehende
Bewegung versetzt. Der Nocken 35 bringt nun den Schwinghebel 36 in schwingende Bewegung.
Diese schwingende Bewegung wird mittels der Schubstange 47 und der Kurbe146 auf
die im Koksstau'bbehälter 42 gelagerte Rührwelle 44 übertragen, welche mit den Rührzinken
45 dafür sorgt, daß keine Verstopfungen im Koksstaubbehälter 42 auftreten. Durch
den Schwinghebel 36 wird außer der Rührwelle 44 auch noch der Rüttelsiebträger 39
mit dem darauf befindlichen Rüttelsieb 4o angetrieben. Öffnet man jetzt den Regulierschieber
43, so fällt aus dem Koksstaubbehälter 42 Koksstaub auf das Rüttelsieb 40 und wird
hier gesiebt. Grobkörniger Koks und Verunreinigungen werden dadurch entfernt. Der
gesiebte Koksstaub gelangt nun durch den Fangtrichter 38 in die Brennstoffleitung
4. Von hier aus gelangt der Koksstaub in die hohl ausgebildeten Verdichterschaufeln
23 und wird durch die Fliehkraft in die einzelnen Brennkammern 7 geschleudert. Die
aus den Verbrennungsluftkanälen 8 in die Brennkammern 7 strömende Verbrennungsluft
enthält starke Luftwirbel, welche beim Verdichten entstanden sind. Diese Luftwirbel
zerstreuen den aus den hohl ausgebildeten Verdichterschaufeln 23 austretenden Koksstaub
und vermischen ihn mit der Verbrennungsluft. Das Koksstaub-Luft-Gemisch gelangt
nun durch die düsenförmigen Enden der Brennkammern 7 in die ringförmige Mischkammer
io und entzündet sich dort an der Glühkerze 49. Die Glühkerze 49 wird mit dem Anlasser
48 gleichzeitig ein- und ausgeschaltet. Da die Umfangsgeschwindigkeit des Radialverdichterlaufrades
6 noch verhältnismäßig gering ist, pflanzt sich die Flammenfront von der Glühkerze
49 aus in die einzelnen Brennkammern 7 hinein fort, und zwar bis zu den Enden der
hohlen Verdichterschaufeln 23, also bis zu der Stelle, an der sich der Koksstaub
mit der Verbrennungsluft mischt. Die nun stetig aus den tangential gerichteten,
düsenförmigen Enden der Brennkammern 7 austretenden heißen Verbrennungsgase erzeugen
einen Rückstoß, der das Radialverdichterlaufrad 6 schnell auf die volle Drehzahl
bringt, so daß der Anlasser 48 und die Glühkerze 49 wieder abgeschaltet werden können.
Die aus den düsenförmigen Enden der Brennkammern 7 austretenden heißen Verbrennungsgase
werden durch die am inneren Umfang .der ringförmigen Mischkammer io angebrachten
Leitschaufeln ii wieder in die Drehrichtung des Radialverdichterlaufrades 6
umgeleitet
und gelangen durch die Rohrleitungen 12 zu der mehrstufigen Turbine 13, wo sie Arbeit
verrichten. Die Verbrennungsgase verlassen die Turbine 13 durch den Abgasstutzen
1.4 und beeinflussen dabei über das Fernthermometer 3o das elektrische Schaltwerk
31. Das elektrische Schaltwerk 31 ist auf eine Turbinenabgastemperatur von etwa
12o bis ISO' eingestellt und schaltet sofort den Elektromotor 32 ein, sobald die
Abgastemperatur höher steigt. Der Elektromotor 32 treibt .die beiden Kühlwasserpumpen
26 und 28 an.
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Die Kühlwasserpumpe 28 pumpt aus dem Kühlwasserbehälter i9 Kühlwasser
.durch die Rohrleitung 2g und die Einpritzdüse 25 in die Kühlwasserleitung 5. Das
Kühlwasser gelangt von hier aus durch die Bohrungen 24 in die Kühlkanäle 9, kühlt
zuerst das Radialverdichterlaufrad 6 und dann, unter teilweiser Verdampfung, die
Brennkammern 7. Das Kühlwasser-Dampf-Gemisch strömt nun durch die düsenförmigen
Enden der Kühlkanäle 9 rückstoßerzeugend in die ringförmige Mischkammer io und vermischt
sich hier mit den auf den Brennkammern 7 ausströmenden heißen Verbrennungsgasen.
Hierbei wird das restliche Kühlwasser verdampft und dadurch die Temperatur der Verbrennungsgase
herabgesetzt. Dieses Gas @Dampf-Gemisch gelangt nun zur .Arbeitsleistung durch die
Rohrleitungen 12 in idie Turbine i3 und von hier aus durch den Abgasstutzen 14 in
den Einspritzkondensator 15.
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Die Kühlwasserpumpe,216 pumpt Kühlwasser aus dem Kühlwasserbehälter
i9 durch die Rohrleitung 27 zu der im Einspritzkondensator 15 befindlichen Brause
16. Durch das zugeführte Kühlwasser kühlt sich das Gas-Dampf-Gemisch so stank ab,
dag der Dampf kondensiert. Das Kondensat und das Kühlwasser fließt vom Einspritzkondensator
15 durch die Kondenswasserleitung 17 und den dazwischengeschalteten Filter 18 in
den Kühlwasserbehälter i9 ab, währenid' ,die abgekühlten Verbrennungsgase durch
das Auspuffrohr 2o ins Freie gelangen. Das im Kühlwasserbehälter i9 befindliche
Wasser wird mit Hilfe einer vor der trichterförmigen, Luftansaugleitung 22 angebrachten
Kühlanlage 21 gekühlt.
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Als Brennstoff ist für diese Turbinenart aus verschiedenen Gründen
Koksstaub vorgesehen. Die für die Kokserzeugung benötigte Kohle ist verhältnismäß-ig
billig und nicht so knapp wie andere Brennstoffe. Die Kosten für die Kokserzeugung
werden dadurch wieder wettgemacht, daß für die dabei anfallenden Kokereierzeugnisse,
wie Rohteer, Ammoniak, Benzol usw., in,der chemischen Industrie eine starke Nachfrage
besteht. Diese Kokereierzeugnisse sind für eine vollständige' Verbrennung sowieso
nur schlecht geeignet. Bei der `Verwendung von Koksstaub besteht außerdem .die Möglichkeit,
daß evtl. urverbrannter, glühender Koksstaub mit dem Wasserdampf in Berührung kommt,
wobei sich Wassergas bildet und zuletzt doch noch eine vollständige Verbrennung
zustande kommt. Diese Gasturbine läßt sich natürlich auch mit gasförmigen Brennstoffen
betreiben, wie z. B. Hochofengas, Leuchtgas, iGeneratorgas usw. Bei Verwendung flüssiger
Kraftstoffe ist ein besonderer Kraftstoffverdampfer erforderlich.
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Diese Turbinenart dürfte sich besonders für Propellerflugzeuge eignen.
,Man wird hier zweckmäßigerweise das Verdichterlaufrad mit B.renn#kammern und die
ringförmige @#vfi.schkamimer im Flugzeugrumpf unterbringen, wo sie jederzeit kontrolliert
werden können, während die eigentlichen Arbeitsturbinen, die ja nur wenig wartungsbedürftig
sind, in den Tragflächen untergebracht sind:.
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DieseTurbine läßt sich natürlich auch als Strahltriebwerk ausführen.
Zu diesem Zweck wird man die ringförmige Mischkammer als Spiralgehäuse ausführen.Die
gesamteKühl!wasseranlage mitKühlwasserpumpen, Einspritzkondensator usw. fällt natürlich
weg, mit Ausnahme einer besonderen Kühlanlage für das Verdichter- und Spi.ralgehäuse.
Die rotierenden Brennkammern müßten allerdings durch mutverdichtete Kühlluft gekühlt
werden. Dadurch entsteht die Möglichkeit, diese mitverdichtete Kühlluft im Spiralgehäuse
aufzuheizen, was durch verstärkte Brennstoffzufuhr ohne weiteres möglich ist. Dadurch
können die bisher üblichen Nachbrenner erspart werden. Alleridings müßten dann die
im Spiralgehäuse angeordneten Leitschaufeln aus sehr. hitzebeständigem Material
(Keramik) hergestellt werden.