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Gasturbinenanlage Die Erfindung bezieht sich auf eine mit kontinuierlicher
Verbrennung arbeitende Gasturbinenanlage, wobei die der Brennkammer zugeführte Luft
einem Verdichter entnommen wird. Die bekannten Verdichter-Turbinen-Aggregate weisen
erhebliche Nachteile auf, die den thermodynamischen und aerodynamischen Wirkungsgrad
der Anordnungen sehr beeinträchtigen. So liegt aus einer Vielzahl von konstruktiven
Gründen, insbesondere um einen Druckabfall durch längere Zuführungen zu vermeiden,
die Arbeitsturbine unmittelbar in der Nähe des Verdichters, und beide Teile sind
allgemein nur durch eine relativ dünne, ringförmige Wandung voneinander getrennt.
Hierdurch ergibt sich infolge der die Turbine durchströmenden heißen Verbrennungsgase
ein starkes Wärmegefälle in Richtung auf den Verdichter, dessen Wirkungsgrad hierdurch
erheblich beeinträchtigt wird. Gerade bei hohen Verdichtungsverhältnissen. fällt
der Einfluß der Wärmeleitung
von der Turbine auf den Verdichter
sehr stark ins Gewicht und bedingt gerade für die Fälle, in denen eine starke Belastung
der Anlage erfolgt, ein unzulässiges Absinken des Wirkungsgrades. Außerdem bewirkt
die Wärmeströmung von der Turbine auf den Verdichter eine Störung der strömungsdynamischen
Verhältnisse im Verdichter, da die durch die Zustandsfunktion der komprimierten
Luft mitbestimmte konstruktive Ausbildung des Verdichters durch die belastungsabhängige
Wärmeströmung nur in einem sehr kleinen Bereich den strömungsdynamischen Erfordernissem,
gerecht wird.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnung besteht in der Verwendung
starrer, unbeweglicher Zuführungen für die komprimierte Luft in die Brennkammern.
Die Verteilung des eingespritzten Brennstoffes in der komprimierten Luft ist bei
dieser Art der Zuführung derselben sehr unvollkommen, und es ergibt sich hierdurch
eine entsprechend unvollkommene und manchmal sogar instabile Verbrennung, was wiederum
eine Beeinträchtigung des Wirkungsgrades der Gesamtanlage zur Folge hat.
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Bei anderen bekannten Vorrichtungen sind die obengenannten Nachteile
noch dadurch vergrößert, daß die Brennkammer sofort am Verdichterausgang angrenzt,
wodurch sich eine zweite Wärmeströmungskomponente ergibt, die eine derartige Aufheizung
der im Verdichter befindlichen. Luft bedingt, daß von einem technisch brauchbaren
Wirkungsgrad nicht mehr die Rede sein kann. Das gleiche gilt für alleVerdichter-Turbinen-Aggregate,
bei denen die Brennkammer räumlich zwischen Verdichter und Turbine liegt.
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Die Erfindung, welche die obengenannten Nachteile vermeidet, besteht
darin, daß der Verdichter auf dem einen, die Turbine auf dem anderen Ende einer
Hohlwelle angeordnet ist, daß an dem dem Verdichter abgewandten Ende der Hohlwellendurchführung
eine feststehende Brennkammer vorgesehen ist, deren Einlaß über die Hohlwelle mit
dem Verdichterauslaß in Verbindung steht, während der Aus.laß der Brennkammer eine
axiale Einmündung des Treibgases in den Einlaß der Gasturbine bewirkt. Durch dieses
von den bekannten Aggregaten grundsätzlich abweichende Konstruktionsprinzip wird
zunächst eine derartige Herabsetzung der Wärmeleitung von der Brennkammer bzw. von
der Turbine auf den Verdichter hin erzielt, daß eine merkliche Beeinträchtigung
des Wirkungsgrades des Verdichters nicht mehr stattfinden. kann. Die Zwischenschaltung
@ einer Hohlwelle zwischen Verdichter und Turbine ermöglicht neben der eleganten
und druckabfallfreien Lösung des Transportproblems für die-komprimierte Luft (Gase)
infolge der Drehung der Welle eine Dürchwirbelung der komprimierten Luft, wes sich
auf den Verbrennungsvorgang in der Brennkammer sowohl vom Standpunkt der vollkommenen
Verbrennung als auch vom Standpunkt der Stabilität der Verbrennungsflammen sehr
vorteilhaft auswirkt. Es sind zwar an sich Hohlwellen bekannt, die eine Transportfunktion
für Gase und Flüssigkeiten bewirken. Bei der Verwendung in dem Verdichter-Turbinen-Aggregat
ergeben sich jedoch bei der erfindungsgemäßen Konstruktion besondere thermodynamische
und strömungsdynamische Vorteile. Die Hohlwelle in Verbindung mit der eigenartigen
Anordnung und Konstruktion der Brennkammer ermöglicht ein strömungsdynamisch sehr
günstiges axiales Einströmen der Verbrennungsgase in die Turbine. Eine bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn der Verdichter ein mehrstufiger
Zentripetalverdichter ist und die Turbine eine mehrstufige Zentrifugalturbine ist,
wobei der zentrale Auslaß des Zentripetalverdichters mit dem Hohlraum der Welle
fluchtet. Diese erfindungsgemäße Anordnung entspricht in besonders vollkommener
Weise den naturgegebenen Verhältnissen. Die radial im Verdichter zur Hohlwelle strömende
sich verdichtende Luft gelangt in die Hohlwelle und von dort in axialer Richtung
durch dieselbe in die Brennkammer, wo sie wieder in axialer Richtung in die Turbine
hineingelenkt wird, in der das Strömungsmedium radial nach außen strömend seine
Energie an die Turbine abgibt.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann die stillstehende Brennkammer
die Gestalt eines Vollringes aufweisen, deren axialer Einlaß mit dem Hohlraum der
Welle fluchtet und deren Auslaß in den ringförmigen koaxialen Einlaß der Gasturbine
mündet.
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Gemäß der Erfindung kann ferner eine Gasturbinen.anlage vorgesehen
werden, bei der zwei Hohlwellen vorhanden sind, an deren inneren Enden ein Zentripetalverdichter
mit gegenläufigen Teilen sitzt, die durch an den äußeren Wellenenden angeordnete
Radialturbinen angetrieben werden, wobei am äußersten Ende jeder Welle eine Brennkammer
sitzt.
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Einem weiteren Merkmal der Erfindung zufolge kann bei, der Gasturbinenanlage
mit zwei Hohlwellen ein Wärmeaustauscher vorhanden. sein, der aerodynamisch mit
den beiden äußeren Wellenenden verbunden ist und die vom Verdichter abströmende
Luft aufnimmt und nachVorwärmung einer Brennkammer zuführt, von wo aus zwei Leitungen
die vom Generator abströmende Luft den Eintrittsseiten der Turbinen zuführen.
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Bei einer Abart der Erfindung ist nur eine der beidem Wellen als Hohlwelle
ausgebildet und an ihrem äußeren Ende mit einer Turbine und einer eintrittsseitig
mit dem äußeren Hohlwellenende und austrittsseitig mi;f einer Einströmseite der
Turbine verbundenen Brennkammer versehen und weist ein Zahnradgetriebe auf, das
mit Hilfe der einen Turbine die beiden Wellen zur gegenläufigen Drehung der beiden
Verdichtersei.ten antreibt.
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Die neuen charakteristischen Merkmale der Erfindung, die sich sowohl
auf die Anordnung als auch auf die Arbeitsweise beziehen, gehen mit weiteren Merkmalen
und Vorteilen im einzelnen noch besser aus der nachfolgendem. Beschreibung in Verbindu
g mit den Zeichnungen hervor, in denen einige Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt sind, wobei zu beachten ist, drnß die Darstellungen
lediglich
zur Erläuterung dienen und nicht die Erfindung begrenzen.
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Bei gegenläufiger Bauart der Strömungsmaschinen der Anlage ergibt
sich der Vorteil, daß eine Turbine größer als die andere Turbine ist, wobei die
größere Turbine die ganze Nutzleistung mit konstanter Drehzahl erzeugt und einen
Rotor des gegenläufigen Zentripetalluftverdichters antreibt, während die kleinere
Turbine nur den anderen Rotor des gegenläufigen Zentripetalverdichters mit variabler
Drehzahl in Abhängigkeit von der Anforderung an äußerer Nutzleistung antreibt, wie
noch näher beschrieben wird.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die Zeichnungsdarstellungen
Bezug genommen: Die Fig. i zeigt einen Längsschnitt einer gegenläufigen Gasturbine
mit Gleichdruckverbrennung, die charakterisiert ist durch einen gegenläufig rotierenden
Zentripetalverdichter, zwei als Rohrleitungen ausgebildete Wellen, die zu zwei Wärmeerzeugern
und zwei Zentrifugalturbinen führen, die gegensinnig rotieren, wobei die als Rohrleitungen
ausgebildeten Wellen mechanisch durch Zahnräder angetrieben werden können.
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Die Fig. 2 zeigt im Teilschnitt eine Einzelheit eines gegenläufigen
Zentripetalluftverdichters.
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Die Fig. 3 zeigt im Teilschnitt einen Teil einer einfach rotierenden
Zentrifugalturbine.
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Die Fig. .4 zeigt im Längsschnitt eine Kraftanlage mit zwei Radialgasturbinen,
von denen die eine im wesentlichen die Nutzleistung abgibt, während die andere hauptsächlich
die Hilfsmaschinen und die größere Scheibe des Verdichterläufers antreibt.
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Die Fig. 5 zeigt im Teilschnitt eine etwas abgeänderte Ausführungsform
des in Fig. i dar= gestellten Getriebes.
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Die Fig. 6 ist ein Längsschnitt durch eine Kraftanlage mit Nutzleistungs-
und Verdichter- sowie Hilfsmaschinenturbine in der Art, wie in Fig.4 dargestellt,
wobei der Nutzleistungsempfänger ein unmittelbar auf der Maschinenwelle angeordneter
elektrischer Generator ist.
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Die Fig. 7 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine Gasturbinen-Kraftan.lage
mit zwei einfach rotierenden Gasturbinen, die einen gegenläufigen Verdichter antreiben,
dessen Austrittsseite mit einem gesondert angeordneten. Gegenstromwärmeaustauscher
verbunden ist.
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Die Fig. 8 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Gasturbinen-Kraftanlage,
die durch einen axial durchströmten Verdichter und eine mit einem fest eingebauten,
quer durchströmten Wärmeaustauscher kombinierte Zentrifugalturbine gekennzeichnet
ist, die einen Wechselstromgenerator direkt antreibt.
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In den Zeichnungen sind identische Teile, mit gleichen Bezugszeichen
versehen, und zwar mit nur einem einzigen Bezugszeichen, falls diebetreffenden Teile
an, beiden, d. h. sowohl auf der linken als auch auf der rechten Seite der in zwei
Richtungen rotierenden Maschinen verwendet werden können, während die nur auf der
linken oder nur auf der rechten Maschinenseite angewandten Teile mit verschiedenen
Bezugszeichen versehen sind; diese Bezeichnungsweise schließt Unklarheiten aus und
zeigt, daß ein großer Teil der Einzelteile der Kraftanlage gegeneinander austauschbar
ist. Komplette Baugruppen der Maschinen, die die Hauptelemente des .Gasturbineiaggregats
darstellen, sind mit großen Buchstaben des Alphabets versehen ohne Rücksicht auf
den Typ des dargestellten Konstruktionselementes, d. h. ohne Rücksicht darauf, ob
es sich beispielsweise um eine radial oder axial durchströmte Turbomaschine handelt.
Im Interesse einer Vereinfachung der Nummernbezeichnung s,indTeile der gleichen
Gattung, auch wenn sie verschiedene Formen aufweisen, in unterschiedlichen Zeichnungen
mit denselben Bezugszeichen versehen, beispielsweise stellt das Teil 70 in.
Fig. i ein Zahnrad mit Stirnverzahnung dar, während das Teil 7o in Fig. i i ein
Zahnrad mit Kegelverzahnung ist.
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Die in Fig. i dargestellte Gasturbinen-Kraftanlage arbeitet nach dem
Gleichdruckverfahren und einem Laufzeug mit zwei Drehrichtungen, das aus einem mehrstufigen,
gegensinnig rotierenden Zentripetalverdichter A und zwei diesen antreibenden, identischen,
mehrstufigen, einfach rotierenden Ze-ntrifugalturbinen B besteht, wobei jede Turbine
einen der Rotoren des Verdichters A in einer zu der des anderen Rotors entgegengesetzten
Drehrichtung antreibt.
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Die sich in entgegengesetzten Drehrichtungen drehenden Rotorscheiben
7 und 8 des Zentripetalverdichters sind durch rohrförmige Wellen 4 mit ihren antreibenden
Zentrifugalturbinen verbunden. Jede Welle 4 ist drehbar in einem Rollenlager 5 und
in einem kombinierten Radial-Axial-Drucklager 6 gelagert, wobei alle Kugellager
durch die Statorkonstruktion des Lufteintrittsgehäuses 17 und Gasaustrittsgehäuses
18 gehalten sind. Die nach innen zu zeigenden Enden der Wellen 5 sind starr mit
den Verdichterläuferscheiben 7 und 8 durch lösbare mechanische Mittel gekuppelt.
Jede Verdichterläuferscheibe 7 und 8 enthält einen trichterförmigen, axial und zentral
angeordneten Kanal 2i, dessen Kontur vorzugsweise hyperbolisch geformt ist und in.
Strömungsrichtung glatt in einen zylindrischen Kanal 22 jeder Welle 4 übergeht.
Die Fig. 2 zeigt einen. Teil des Verdichters im größeren Maßstab. Die Verdichterläuferscheibe
7 ist an, ihrer dem Verdichterinnern zugewandten Seite mit konzentrisch an ihr angeordneten,
elastisch flexiblen zylindrischen Ringen 23 versehen, die sich axial von der Scheibe
7 hin zu angeschweißten, die Schaufeln tragenden Ringen 24 erstrecken. Eine Seite
der Verdichterschaufeln 25 ist an die Ringe #-4 angeschweißt.
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Während das eine Ende der Schaufel 25 so von den inneren Ringen 24
gehalten wird, wird das andere Ende der Schaufel von den äußeren Ringen 26 gehalten,
wodurch den Verdichterschaufeln eine große Stabilität und Starrheit verliehen wird..
In gleicher Weise ist die Verdichterläuferscheibe B. an ihrer Stirnseite mit konzentrischen,
am Rand in die Scheibe übergehenden, elastisch flexiblen zylindrischen Ringen 27
versehen, die sich axial von der
Scheibe 8 zu angeschweißten kreisförmigen,
die Schaufeln tragenden Ringen 28 erstrecken. Die Ve.rdichterschaufeln 29 sind durch
die Ringe 30 und 28 gehalten.
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Die Verdichterbeschaufelung 24, 25, 26 der einen Scheibe 7 durchsetzt
,in radialer Richtung die Verdichterbeschaufelung 28, 29, 3o der anderen Scheibe
8 in solcher Weise, daß die radialen Zwischenräume 31 und 32 zwischen den. abwechselnd
angeordneten gegenläufigen Radialschaufeln 25, 29 vorher durch ihre Durchmesserdimensionen
festgelegt und so durch die Kugellager 6 axial und in Längsrichtung durch die Drucklager
festgelegt _ sind, daß die inneren Ränder der die Ringe 26 und 28 haltenden Stufe
zusammen und die inneren Ränder der die Ringe 24 und 30 enthaltenden Stufe
zusammen eine stetig gekrümmte und im wesentlichen radiale Kanalwand zur radialen
Führung der Luft formen, die durch die Laufkränze 25 und 29 verdichtet wird. Die
im Verhrennungsturbinenkreislauf benutzte Luft tritt entweder unter atmosphärischem
Druck oder schon vorverdichtet durch den Kanal 36 in das Verdichtereintrittsgehäuse
17 ein, welches das Verdi hterlaufzeug umgibt. Die Luft bewegt sich im Eintrittsgehäuse
17 mit relativ kleiner Geschwindigkeit zu einem Leitapparat 19, der das erste Laufschaufelgitter
25 kreisförmig umgibt. Dieser Eintrittsleitapparat.lg wird durch zwei Ringe 2o gehalten.,
die durch eine Anzahl von radialen Stützen 37 von den Wänden des Eintrittsgehäuses
17 gehalten werden, wobei die Ringe 2o gleichzeitig einen Einlaufdiffusor für den
Eintrittsleitapparat des Verdichters A bilden. Die eintretende Luft wird durch die
gegensinnig umlaufenden Laufschaufelgitter 25,29 (Fig. 2) radial nach innen
gefördert, dabei verdichtet und tritt aus dem innersten Laufkranz 29 aus, um dann
weiter fort in entgegengesetzten Richtungen durch die hyperbolisch geformten Eintrittskanäle
21 in die zwei Kanäle 22 geführt zu werden, die in den Wellen 4 angeordnet sind.
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Die verdichtete Luft strömt durch die Kanäle 22 mit einer ausreichend
hohen mittleren Geschwindigkeit, damit der Durchmesser der Wellen 4, insbesondere
hinsichtlich des tragenden Querschnitts, in den für solche Wellen üblichen praktischen
Grenzen bleibt. Wegen des hohen Verdichtungsverhältnisses uid.derVerwendungvonzwei
Wellenkanä.len und wegen, der hohen Strömungsgeschwindigkeit in diesen Kanälen brauchen
nur Wellen mit großen Durchmessern benutzt zu werden. Es ist bekannt, daß beim Strömeh
von verdichteten Gasen bei Überschallgeschwindigkeiten der Druckabfall im Rohr mit
kreisförmigem Querschnitt mit steigender Machzahl ansteigt. Um deshalb den Druckabfall
beim Durchströmen der. Wellenkanäle 21 und 22 auf einem Minimum zu hallten; ist
die Machzahl klein zu halten. Da die Temperatur der Luft bei der Verdichtung ansteigt,
steigt die Schallgeschwindigkeit' in der die Kanäle 22 durchströmenden Luft entsprechend
ebenfalls an. Diese Tatsache erlaubt hohe Geschwindigkeiten in den Wellenkanälen
22 zu erreichen, ohne daß die Machzahl auf den hohen Wert ansteigt, der Verluste
verursachen würde. Hierdurch werden gleichzeitig die Durchmesser der Wellen ,4 klein
gehalten.
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Jeder Wellenkanal 22 endet mit kreisförmigem Querschnitt 39 in der
Nähe der Turbinenscheibe 9 am nach außen zeigenden Ende der Welle 4, und die Luft
tritt am kreisförmigen Ende 41 in einen feststehenden Diffuser 4o ein, der in jeder
Brennkammer C zentral angeordnet ist, wobei durch die Diffuseren 4o die Geschwindigkeit
der verdichteten Luft vor dem Eintritt in den Brennraum .44. der Brennkammer C etwas
herabgesetzt wird.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig.1 wird der Strom der verdichteten.
Luft, der durch Pfeile in der Zeichnung angedeutet ist, vom Verdichter A ab in zwei
annähernd gleiche Mengen durch die Abmessungen der Kanäle 22 der Hohlwellen 4 aufgeteilt,
wodurch jeder Kanal gleiche Luftmengen pro Zeiteinheit jeder Brennkammer C zuführt.
Die vom Hohlwellenkanal 22 aus in die Diffuseren 4o eintretende Luft wird. in jedem
Diffuser 4o durch einem konzentrischen Diffusorkanal 45 in zwei Ströme aufgeteilt,
wobei der in jedem Diffuser 4o angeordnete konzentrische Diffusorkanal 45,einen
kreisförmigen Eintritt 43 aufweist. Durch das Verhältnis der Querschnitte der beiden
Diffusorkanäle 40 und 43 wird die in jeden Brennraum 44 eintretende Luftrhenge festgelegt.
Der Rest der Luft wird .durch Leitbleche 42 in die Brennkammer C umgelenkt.
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Durch eine Anzahl von Brennstoffeinspritzdüsen 46 wird Brennstoff
in die Brennkammer 44 eingespritzt und in der verdichteten Luft verbrannt, wobei
die Verbrennungsprodukte durch die turbulente Bewegung der heißen Gase in der Brennkammer
vollständig gemischt werden. Die in der Kammer .4 befindliche Mischung aus Brennstoff
und Luft wird vermittels Zündkerzen i gezündet, die geeignet zu den Brennstoffeinspritzdüsen46
angeordnet sind. Durch die Bewegung der Gase im Brennraum 44 bildet sich in der
ringförmigen Brennkammer C ein Kreiswirbel. Das Wirbelzentrum füllt den zentralem
Teil des ringförmigen Raumes 44 aus, während die Gase indem Zwischenraum zwischen
der Außenzone des Wirbels und den Leitblechen 42 der Brennkammer C strömen, sich
vom Wirbel ablösen und durch die kreisringförmige Öffnung 33 austreten. Die durch
die Kreisöffnung -.3 in den Diffusorkanal 45 eintretende verdichtete Luft verläßt
den Kanal 45 und wird zu den. heißen, die Verbrennungskammer 44 verlassenden Gasen
zugefügt. Die Kühlluft der Kanäle 45 nimmt die von den Leitblechen. 42 abgestrahlte
und durch Wärmeleitung abgeführte Wärme auf und dient damit zweierlei Zwecken, nämlich,
einerseits die Wände 42 und 47 der Brennkammer C und andererseits eine Wand 1o des
Turbinen-Statorgehäuses auf niedrigen Temperaturen. zu halten.
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' Die verdichtete Kühlluft, die aus den. Diffusorkanälen 45 durch
die Kreis.ringöffnung 33 austritt, 'vermischt sich mit den heißeren, aus der Brennkammer
44 austretenden Gasen, wodurch die Temperatur der Gase vor ihrem Eintritt in den
ersten
Turbinenleitkranz 5o erniedrigt wird. Der Mischvorgang wird durch sich bildende
Wirbel unterstützt, die sich durch die Turbulenz der zwei sich hinter der öffnung
33 vermischenden Gasmassen bildet, und ferner durch die Bildung eines Wirbelringes
in einer ringförmigen Mischkammer 12, die sich an die Wände io des Turbinen-Statorgehäuses
anschließt. Der durch und in der Kammer i2 gebildete Wirbelring rotiert in entgegengesetztem
Sinne zum Wirbelring der Kammer.44 und besitzt eine weit geringere Temperatur als
der in der Kammer 44 sich bildende Wirbelring. Die ringförmige Mischkammer 12 und,
die innere Wand des Wärmereflektors i i bilden einen Kanal, in dem die heißen Gase
auf eine gleichmäßige Geschwindigkeit, gleichmäßigen Druck und gleichmäßigeTemperatur
vor ihrem Eintritt in den Leitkranz 5o gebracht werden. Die Kontur der Wand des
Reflektors i i, die die strömende Gasmasse begrenzt, ist dabei durch die Form der
in der Brennkammer C an die Kammer 12 angrenzende Wand io und durch die Form der
Wände des DiffuSOrS 4o bestimmt und auf diese Weise davon abhängig.
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In Fig. 3 ist der in Fig. i mit i i bezeichnete Wärmereflektor in
vergrößertem Maßstab dargestellt. Der Wärmereflektor ist zum Schutz der Nabe der
Turbinenläuferscheiben 9 und der sie auf den Enden der Wellen 4 sichernden mechanischen
Mittel gegen die in. den. Gasverteilerkammern 34, herrschenden erhöhten Temperaturen
als ein vor Strahlungswärme schützender Schirm i i ausgebildet, der eine geeignete
Anzahl von hochfein polierten, hitzebeständigen dünnen Metallblechen 55 aufweist,
die räumlich gekrümmt sind und. eine Verwertung durch die Hitze verringern. und
als Strahlungsreflektoren und Isolatoren dienen. Weiterhin sind an jedem Schirmgehäuse
i i Labyrinthdichtungen 56 vorgesehen, die in im Schaufelrad 9 angeordnete Ringnuten
57 eingreifen.
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Der Spalt zwischen. den Labyrinthteilen 56 und 57 begrenzt die Kühiluftmenge,
die durch den Zwischenraum zwischen dem rotierenden kreisförmigen Kanalende 39 und
dem feststehenden kreisförmigen Kanalende 41 und das Labyrinth 56, 57 hindurch radial
nach außen abströmt. Die Kühlluft expandiert annähernd auf einen Gasdruck, wie er
im Spalt 63 am Austritt des ersten Leitkranzes 5o der Zentrifugalturbine B herrscht.
Die Temperatur der durch das Labyrinth, 56, 57 in jede durch die rotierende Scheibe
9 und das feststehende Schirmgehäuse i i gebildeten Kammer 58 strömenden Luft nimmt
infolge der Expansion ab-. Dadurch und durch die Anwesenheit eines kontinuierlichen
Stromes frischer Luft durch die Kammer 58 werden die Wärmemengen, die in jeder Turbine
B von der Gasverteilungskammer 34 aus zur Läuferscheibe 9 übergehen, von der Kühlluft
aufgenommen und durch den Spalt 63 abgeführt.
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Die Wirkungsweise dieser Anordnung zur Kühlung der Turbine wird durch,
die Wärme.-ausdehnung der Welle 4 und der Läuferscheibe 9 nicht bemerkenswert beeinträchtigt,
weil die axiale Labyrinthspaltbreite durch das Druck- und Axialkugellager 6 im wesentlichen
etwas konstant gehalten wird, welches nur ein. kurzes Stück vom Labyrinth 56, 57
entfernt an der Welle 4 angeordnet ist. Jeder die Wärmeabstrahlung verhindernde
Schirm i i wirkt gleichzeitig als Schaufelträger für den ersten Leitkranz 5o, wodurch
eine sehr starre Konstruktion mit dem übrigen Teil jeder Brennkammer C und jedes
Turbinenstators io gebildet wird.
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Die beschriebene Gasturbinen-Kraftanlage ist nicht auf radial von
innen nach außen durchströmte Zentrifugalturbinen beschränkt, vielmehr kann jede
bekannte. Art der Umsetzung von Strömungsenergie in mechanische Energie angewandt
werden. Dies ist ein besonderer Vorteil der Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung,
weil sich ein weiter Spielraum bezüglich der konstruktiven Ausführung ergibt, wie
es bei Turbinen mit gegenläufigen Rotoren nicht erreichbar ist.
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Gemäß Fig. i ist jede Welle 4 mit einem schräg verzahnten Ritzel
70 versehen, die entweder abnehmbar auf der Welle sitzen. oder mit ihr aus
einem Stück bestehen können. Die Ritzel 70 kämmen mit den schräg verzahnten Rädern
71, die unverdrehbar auf Wellen 72 sitzen. Jede dieser Wellen wird von Lagern 73
und 74 getragen, die ihrerseits von den Rahmen. 77 gestützt sind.
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Da die verdichtete Luft, die- durch die Hohlwellen 22 fließt, infolge
der Verdichtung stark erhitzt wird, haben die Ritzel 70 auf diesen Wellen
eine höhere Temperatur als die Raumluft, jedoch eine niedrigere als die durch sie
hindurchströmende Luft. Die Lager 5 und 6, welche die Wellen 4 tragen, werden, durch
das Schmieröl gekühlt und die Ritzel 7o durch die Berührung mit den großen Zahnrädern
71. Infolgedessen bietet die durch die Höhlungen 22 der Wellen 4 fließende heiße
Luft keinerlei Schwierigkeiten für die-.mechanische Anordnung gemäß Fig. i.
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Die Maschine als Ganzes wird in einem metallischen, durch Schweißen
von Blechformen gebildeten Gehäuse untergebracht. Der Unterteil 77
dieses
Gehäuses stützt die Lagerungen, die zugehörigen Getriebe, Ölpumpen, ölsam.melsümpfe
sowie die! Mäntel 17 und 18 von Verdichtern und Turbinen. Das Verdichtiergehäuse
17 trägt die Lager für die Verdichterläufer und kann in seinem unteren Teil eine
zylindrische Form und in seinem oberen eine rechteckige haben. Einige Querstangen
8o nahe dem Einlaß 36 erhöhen die. Steifigkeit. Dieses Gehäuse führt die Luft zum
Verdichtereinlaß i9 und bewirkt außerdem eine Dämpfung der in den Verdichterstufen
erzeugten Geräusche. Das Gehäuse kann doppelte Wandungen 17 und 17' mit einem Zwischenraum
15 haben, der mit einer Scha11 absorbierenden Masse vorzugsweise metallischer oder
mineralischer Natur gefüllt ist.
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In gleicher Weise und aus denselben Gründen erhält die Turbine B ein
doppelwandiges Gehäuse 18, das durch Querstangen 79 versteift ist, die den auf jeden
Turbinenständer ausgeübten Schub auf die Achsschublager 6 übertragen. Die Turbinengehäuse
18 und das Verdichtergehäuse 17 sind
durch schalenartige Zwischenglieder
78 verbunden, die sich mantelförmig um die Ritzel 70 legen, so daß im Verein mit
dem Ständer eine starre Einheit gebildet wird. Die gegenläufige Ausbildung der Gasturbinenanordnung
erlaubt verschiedene Betriebsweisen. Bei der bevorzugten Ausführungsform mit einem
Zentripetalverdichter A mit gegenläufigen Teilen kann man nach einer Weise die beiden
Hohlwellen 4 mit gleicher Drehzahl, aber in entgegengesetztem Sinne zu den TurbinenläufernB
laufen lassen, wobei entweder gleiche oder verschiedene Drehmomente auf die Wellen
ausgeübt werden können. Eine andere Betriebsweise sieht gleiche Drehmomente oder
Wellen 4 vör und unterschiedliche, gegenläufige Drehzahlen. Man kann auch irgendeine
Kombination der erwähnten beiden Betriebsweisen wählen, z. B. indem jede der Wellen
4 mit verschiedener Drehzahl umläuft und ein verschiedenes Drehmoment liefert, während
die beiden Turbinen mit verschiedener Höchstgastemperatur arbeiten und verschieden
dimensioniert sind. Trotz dieser Möglichkeit verschiedener Betriebsweisen ist jedoch
nur eine kleine Anzahl für eine gegebene Gasturbine wünschenswert und zweckmäßig.
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Bei einer besonders für den Antrieb von Flugzeugen, Lokomotiven und
mit Verstellpropellern versehenen Schiffen geeignete Anlage nach Fig. 4 ist eine
Turbine B nur zum Antrieb einer Läuferscheibe I5oI des Verdichters A und der Nebenmaschinen
über das Getriebe 15o8 bemessen, während die andere Turbine B' von größerer Abmessung
die Nutzleistung nach außen über das Getriebe 1505 und die Welle 15o6 abgibt und
daneben die andere Läuferscheibe 15o2 des Verdichters antreibt, an der die Radialschaufeln
1515 befestigt sind. Im allgemeinen haben die Kanäle in den Wellen verschiedene
Abmessungen. Der eine Kanal 1503 hat kleineren Durchmesser als der andere
Kanal 1504, wobei die Kanäle 1503 und 15o4 zu den kleineren bzw. größeren Brennkammern
1509, 1510 und den Turbinen 1511 und 1512 führen. Eine derartige Kraftmaschine
kann mit veränderlicher Drehzahl der Nutzleistungswelle 15o6 betrieben werden, um
verschiedenen Belastungsbedingungen bei hohem Wärmewirkungsgrad zu genügen, wie
sie beim Verkehr, besonders in der Luftfahrt vorkommen.
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Diese Anpassungsfähigkeit bringt den Vorteil von Vielseitigkeit und
Freiheit in der Anwendung. Die Anordnung kann aber auch so sein, vorzugsweise bei
stationären Kraftanlagen, die stets mit gleicher Leistung arbeiten, daß jede Notwendigkeit
entfällt, das Drehmoment oder die Drehzahl durch äußere Mittel auszugleichen, wie
Fig. 5 zeigt. Man erkennt hier ein Getriebe zum selbsttätigen Drehzahlangleich beider
Wellen 72 mittels einer Vorrichtung, die das Drehmoment von der minder belasteten
Turbine auf -die stärker belastete überträgt. Die inneren Enden der Wellen 72 sind
mit Schraubenzahnkegelrädern 81 ausgerüstet, die gemeinsam in ein Zwischenkegelrad
82 eingreifen, das auf einer lotrechten Walle 83 sitzt, die in Lagern 84 und 85
ruht. Die Lager sind an dem Einlaßteil17' des Kompressorgehäuses befestigt. Die
Welle 83 treibt alle Nebeneinrichtungen. Es laufen also beide langsam laufenden
Wellen 72 ebenso wie die rasch laufenden Wellen 4 mit ihrer jeweiligen Betriebsdrehzahl,
und das Rad 82 dient als Drehmomentübertrager von einer Seite der Kraftanlage zur
anderen. Es gleicht nicht nur die Drehzahlen beider Seiten einander an, sondern
verteilt auch dieLast gleichförmig auf beide Turbinen, selbst wenn, die äußeren
Drehmomente der Wellen 72 nicht gleich sind.
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Eine andere .Betriebsweise ergibt sich bei einer Anordnung nach Fig.
6, wobei die Turbinen 16oo und 1603 nicht dieselbe Größe zu haben brauchen. Die
linke Turbine 16oo ist gerade groß genug, um nur die eine Scheibe 16o1 des Verdichterläufers
anzutreiben, und zwar ist dies die größere und mehr Leistung erfordernde Scheibe,
sei es bei konstanter oder wechselnder Drehzahl, ohne daß die Turbine Nutzleistung
nach außen abgibt. Das linke Wellenende ist frei, ohne Stromerzeuger oder sonstigen
Kraftverbraucher, außer dem Zahnradtrieb 16o2 für Hilfsbetriebe. Die andere Turbine
1603 ist dagegen so stark, daß sie die andere Läuferscheibe 1604 antreibt, welche
die kleinere der beiden und daher geringeren Kraftverbrauch erfordernde ist und
außerdem einen Stromerzeuger 1605 mit konstanter Drehzahl treibt, der alle ä :ßere
Nutzleistung der Kraftanlage liefert. Die beiden Luftleitungen 16o6 und 1607 in
den Wellen 16o8 und 16o9 haben. ungleiche Querschnitte, indem die Leitung 16o8,
die zu der kleineren Brennkammer 161o und der kleineren Turbine i6oo führt, im allgemeinen
enger ist, während die Leitung 16o9, die zu der größeren Brennkammer und der größeren
Turbine 16o3 führt, im allgemeinen weiter ist. Diese Anordnung und die beschriebene
Betriebsweise werden für die Belieferung von Verbrauchern mit schwankendem Kraftbedarf,
aber konstanter Drehzahl bevorzugt, z. B. mittels eines Wechselstromerzeugers 16o5,
so daß ein nahezu konstanter thermischer Wirkungsgrad über stark schwankende Belastungen
erreicht werden kann.
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Die Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung kann auch mit einem innen
oder außen, angeordneten Wärmetauscher ausgerüstet werden. Fig.7 zeigt beispielsweise
einen außerhalb der Turbinenanlage liegenden Wärmetauscher E. Die Zentrifugalturbinen
B sitzen an den Außenenden der Wellen 4, die je einen Kanal 22 für die Druckluft
haben. Aus diesen fließt die Druckluft in feststehende Leitungen 13o, die eine Fortsetzung
der Kanäle 22 in den Wellen 4 bilden, mit den Austrittsöffnungen 39 bzw. Eintrittsöffnungen
41. Die feststehenden Leitungen enden in Mündungen 133 und bringen die Luft in feststehende
Leitungen 134, die mit Dehnungsausgleichern 135 versehen sind. Die beiden Leitungen
134 vereinigen sich in einem Verbindungsstück 136, das den Boden des Wärmetauschers
E bildet. Von hier aus fließt die Druckluft aufwärts durch enge Wärmeaustauschröhren
137, die in einem Gehäuse 151 untergebracht sind. Oben gelangt die Luft in den Sammler
138 oberhalb
des Gehäuses 151. Die durch die Röhren 137 aufwärts
fließende Druckluft wird durch die heißen Gase erhitzt, die aus den Auslässen 18
der Turbinen über Leitungen 49 zugeführt werden. An den Knickstellen der Leitungen
49 sind Führungsschaufeln 149 angebracht, und die Luft gelangt in die Einlaßkammer
15o des Wärmeaustauschers E, schließlich in dessen Sammelkammer 152 und von da durch
einen Auslaß 153 ins Freie.
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Die erhitzte Luft in dem Sammler 138 wird durch einen Verteiler 139
in die Brennkammer C geführt, in die mittels der Düsen 46 Brennstoff eingespritzt
wird. Das noch inhomogene Gas-Luft-Gemisch gelangt in die Mischkammer 12, wo es
in Wirbelbewegung versetzt wird, so daß die örtliche Temperaturverteilung in Gas
und Luft vergleichmäßigt wird, und wird alsdann durch die am Umfange der Mischkammer
angebrachten Leitungen 141 in die Sammler 143 abgezogen und mittels der Leitungen
144 und 146 in die axialen Einlässe 132 der Turbinen geführt. Diese umhüllen die
Leitungen 13o konzentrisch, von denen sie durch einen Luftspalt oder eine Isolierschicht
142 und eine druckfeste Wand 131 getrennt werden, so daß der Wärmeaustausch zwischen
den beiden Leitungen auf ein Mindestmaß beschränkt wird.
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Aus den Leitungen 132 treten die heißen Gase in die Einlaßkammern
34 der Radialturbinen B zwischen der Leitung 130 und der ersten Radialstufe der
Turbinen, in denen die Gase radial bis zu den Auslässen 18 expandieren.
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Eine Turbinenanlage mit einem solchen Wärmetauscher arbeitet mit einem
geringeren Kreislauf-Druck-Verhältnis als eine Kraftanlage ohne Wärmetauscher. Man
kann jedoch bei einem thermodynamischen Kreisprozeß mit Wärmeaustauscher einen höheren
thermischen Wirkungsgrad erzielen als bei einer Gleichdruck-Gasturbine allein ohne
Wärmea.usta.uscher möglich ist, vorausgesetzt, daß die thermodynamischen Wirkungsgrade
der Wärmeaustauscher möglich ist, vorausgesetzt, daß die thermodynamischen Wirkungsgrade
der Maschinen sowie die höchsten Kreislauftemperaturen in beiden Fällen einigermaßen
gleich sind. Die Anlage mit außen oder innen angeordnetem Wärmeaustauscher ist indessen
zweckmäßig für stationäre Kraftanlagen, etwa Kraftwerke, wo der Platz für Wärmeaustauscher
und Leitungen verfügbar ist und die Brennstoffersparnis eine Rolle spielt.
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Für den Antrieb von. Transportfahrzeugen ist dagegen die zuvor beschriebene
Kraftanlage gemäß Fig. i ohne Wärmespeicher wegen ihres geringeren Gewichtes und
ihrer gedrungenen und einfacheren Bauart in Verbindung mit verhältnismäßig hohem
thermischen Wirkungsgrad vorzuziehen.
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Eine andere zweckmäßige Ausführungsform einer Kraftanlage mit je nur
einem einzigen. Läufer zeigt Fig. 8, wo ein Axialkompressor mit einer Zentrifugalturbine
b vereinigt ist und außerdem ein Wärmeaustauscher an das Turbinengehäuse angesetzt
ist. Die Anlage ist für einen, thermodynamischen Kreislauf mittleren oder niedrigen
Druckes bestimmt und zeigt ebenfalls den Zusammenbau in einem einzigen Außengehäuse
ohne frei liegende Zutaten.
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DerAxialkompressorA und der Stromerzeuger D gemäß Fig. 8 werden. von
der 7entrifugalturb.ine B angetrieben. Die. Druckluft kommt von dem Kompressor A
durch die Wellenleitung 22 zu deren Austrittsquerschnitt 39 und tritt hier in die
stillstehende Leitung 130 mit dem Eintrittsquerschnitt 41 über. Die Leitung
130 ist ein Teil der Brennkammer C, die einen Brennraum 44, eine Mischkammer
12 mit Strahlungsschutz i i und die Ein= spritzdüsen 46 umfaßt. Der Turbinenständer
ist mit 1o bezeichnet. DieLuftleitung 130 sitzt konzentrisch in dem wesentlich zylindrischen
Gehäuse 131, wobei ein Spalt 142 zwischen der Außenwand der Leitung 130 und
der Innenwand des Gehäuses 131 vorgesehen ist, um die Luftströme zu trennen und
die Übertragung von Wärme von den Räumen 12 und 4q. auf die in der Leitung
130 strömende Luft zu vermindern. Die axiale Leitung 130 führt die verdichtete
Luft über den Ringraum 134 und den Sammler 138 in die erste Reihe einer Anzahl von
Wärmeaustauschröhren 137, die im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung der heißen
Gase von der Turbine B zu deren Auslnßgehäuse 18 liegen.
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Die Auslaßgase der Turbine erhitzen die Röhren 137, und diese geben
die Wärme an die hindurchströmende und schon verdichtete Luft ab. Nach Durchfluß
durch die Röhren 137 wird die Luft von dem Verteilergehäuse 14 in eine zweite Reibe
von Wärmeaustauschröhren 137' gelenkt und gelangt dann in die ringförmige Sammelkammer
138, von der eine Leitung 148 zu der Gasmischkammer 12 und eine Leitung 146 zu der
Verbrennungskammer 44 geht.
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Die aus der Verbrennungskammer 44 kommenden heißen Gase werden in
der Mischkammer 12 mit der unmittelbar in sie strömenden heißen Luft vermischt,
worauf sie in die Zen.trifugalt.urbine B eintreten und dort entspannt werden. Schließlich
gelangen die Gase in das Gehäuse 18, in dem der Wärmetauscher E untergebracht ist.
Die Gase geben einen großen Teil ihrer Wärme an die Röhren des Austauschers ab und
treten als verhältnismäßig kühle Masse durch den Auslaß 49 ins Freie. Zwischen Turbine
B und Verdichter A ist als Nutzleistungsernpfänger ein elektrischer
Generator D angeordnet.