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Gasturbinenanlage mit Einrichtung zur Abwärmeverwertung Die Erfindung
bezieht sich auf Gasturbinenanlagen mit Einrichtungen zur Abwärmeeausnutzung, wobei
der Wärmeinhalt der Abgase der Gasturbine in einem Dampfkessel ausgenutzt wird.
Hierfür ist ein Abwärmekreis.lauf aus einem von einer Turbine angetriebenen Verdichter
und einer besonderen Nutzlei.stungsturbine, deren Abgase durch eine Brennkammer
und von dort durch einen Wärmeaustauscher gehen, vorgesehen. Die den Verdichter
antreibende Turbine wird nachstehend als »Verdichterturbine«, die ganze Anordnung
von Verdichter und Verdichterturbine als »Verdic'hteraggregat« bezeichnet.
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Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Gasturbinenanlagen
mit Abwärmekreislauf bei Lokomotiven, jedoch ist die vorliegende Erfindung keineswegs
auf die Verwendung in Lokomotiven beschränkt.
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Der Ausdruck »Gasturbine« wird in der Regel auf Anlagen bezogen, bei
denen das Arbeitsfluidum Luft oder ein Gemisch von Luft und Verbrennungsprodukten
oder ähnliche gasförmige Arbeitsmedien sind. In dem vorliegenden Fall wird auch
noch Wasserdampf eingeführt, welcher aber nur eine andere Form eines unter die vorHie,gende
Erfindung fallenden kompressiblen Mediums darstellt.
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Bekannt ist, daß bei von Gasturbinen angetriebenen Lokomotiven der
Wärmeinhalt der Abgase durch einen Dampfkessel, welcher den Dampf zur
Zugsbeheizung
liefert, ausgenutzt werden kann. Wenn derartiger Dampf stets verfügbar wäre, könnte
man diesen also auch zum Antrieb einer Dampfturbine und für durch Dampf angetriebene
Hilfsmaschinen verwenden und ebenso für den Antrieb der Verdichterturbine.
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Die Art des Lokomotivbetri,°äes bringt es jedoch mit sich, daß die
Abgasmengen zwischen Leerlauf und Vollast erheblich schwanken mit dem Ergebnis,
daß man sich nicht darauf verlassen kann, bei Verwendung eines normalen Kreislaufs
eine genügende Dampfleistung zu erhalten.
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Selbst die Zugs.beheizun.g, welcher die durchschnittlich gelieferte
Dampfmenge zugrundegelegt werden kann, arbeitet mit dem Dampfkessel allein nicht
zufriedenstell,end, und bisher war es sogar notwendig, einen zweiten Dampfkessel
mit gesonderter und unabhängiger Feuerung, meistens Ölfeuerung, aufzustellen, oder
aber den Dampfkessel mit einem zusätzlichen Brenner zu versehen. Dieser Brenner
muß mit einer automatischen Steuerung ausgerüstet werden, wodurch die Anlage verwickelter
und eine Quelle möglicher Störungen geschaffen wird.
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Es besteht der weitere bisher bekannten Anlagen anhaftende Übelstand,
daß nach den Gesetzen der Thermodynamik bei Gasturbinen bei einer gegebenen Leistung
die Abgastemperatur fällt, wenn die Temperatur der umgebenden Luft am Verdichtereinsaugstutzen
fällt. Im Winter beispielsweise, wenn die Temperaturen der Außenluft niedriger sind
als im Sommer, würde die Abgastemperatur bei gleicher Leistung entsprechend niedriger
sein mit dem Ergebnis, daß für den Dampfkessel -,veniger Abwärme verfügbar ist,
also gerade dann, wenn sie am nötigsten gebraucht wird.
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Durch die Erfindung werden alle diese Nachteile behoben und die Möglichkeit
des gleichzeitigen Aufheizens der Turbine und des Dampfkessels vor dem Anlassen
- und: des Verbrennens zusätzlichen Brennstoffes in der Brennkammer geschaffen,
wodurch die Abwärmemenge immer dann, wenn ein Dampfüberschuß benötigt wird, erhöht
werden kann. Die Erfindung bietet den weiteren Vorteil, daß normale Dampflokomotivausrüstungste-ile
verwendet werden können, z. B. Injektoren, dampfgetriebene Kompressoren und Stromerzeuger.
Außerdem sind, was ein weiteres Kennzeichen der Erfindung ist, zusätzliche Brenner
dadurch entbehrlich, daß die Anlaßleitung durch direkte oder indirekte Dampfzufuhr
aus dem Dampfkessel verfügbar gemacht werden kann.
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Es ist an sich bekannt, die die Turbine verlassende Luft in einen
Verdichter zurückzuleiten, wobei man jedoch bisher diese Luft vor dem Übergang in
den Verdichter gekühlt hat. Ebenso ist es bekannt, zwischen Turbine und Verdichter
eine Verbrennungskammer vorzusehen und in diese Brennkammer Heißluft einzuleiten,
die aus einer Verdichtungs- oder Expansionsstufe abgezapft ist.
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Die Erfindung benutzt diese je für sich bekannten Merkmale und geht
von einer Gasturbinenanlege aus, die eine Einrichtung zur Abwärmeausnutzung, eine
Verdichterturbine und eine von der Verdichterturbine mechanisch unabhängige, jedoch
in Serie mit dieser geschaltete Nutzleistungsturbine aufweist. Das Abgas dieser
Nutzleistungsturbine wird einer Brennkammer und von da einem Wärmeaustauscher zugeführt,
der zur Vorwärmung der verdichteten Luft vor der Verdichterturbine dient, wobei
die Abgase des Wärmeaustauschers einen Dampferzeuger beaufschlagen und wobei ferner
die Abwärmeabgabe durch Regelung der Temperatur des Arbeitsmittels vor den Verdichtern
dem Bedarf angepaßt wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß diese Regelung
der Verdichtereintrittstemperatur zwecks konstanter, von der Nutzleistung unabhängiger
Dampflieferung durch Zuführung von dem Nutzturbinenauslaß oder einem beliebigen
Punkt des Kreislaufes zwischen dem Verdichter und dem Nutzturbinenauslaß abgezapfter
heißer Luft in dem Verdichtereinlaß erfolgt. Außerdem wird erfindungsgemäß Luft
aus einer Stufe des Verdichtungs- oder des Expansionsteiles der Anlage oder beiden
entnommen und unmittelbar der Brennkammer zugeführt, wobei die entnommenen Mengen
mittels Regeleinrichtungen eingestellt und geregelt werden können.
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Es ist ferner zum Zwecke der Aufheizung der Anlage bei Inbetriehna;hme
derselben zusätzlich ein unabhängig von den Turbinen angetriebenes Gebläse vorgesehen,
dessen Luftstrom dem Verdichter zugeführt wird, wobei ein Teil dieser Luft von einer
Stufe des Verdichters abgezapft und unmittelbar der Brennkammer zugeführt wird,
während der Rest durch die übrigen Stufen des Verdichters und von da durch die Luftseite
des Wärmeaustauschers und durch die Turbinen strömt, bevor er in die Brennkammer
eintritt.
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Zum Anlassen ist eine von den Gasturbinen unabhängige Kraftmaschine,
z. B. eine Dieselmaschine, angeordnet, die entweder unmittelbar, z. B. mechanisch,
oder mittelbar, z. B. elektrisch, auf die Verdichterturbinenwelle wirkt.
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Die schematische Zeichnung zeigt eine bevorzugte Anordnung einer Anlage
zum Einbau in eine oder zur Verwendung bei einer Lokomotive gemäß der Erfindung.
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Es erscheint zweckmäßiger, der Beschreibung der Wirkungsweise der
Anlage ein Verzeichnis der Teile voranzustellen, die in der Zeichnung mit Bezugnummern
versehen sind: i ist ein Verdichtereinsaugstutzen; a ist eine Drosselklappe im Verdichtereinsaugstutzen;
3 ist die erste Stufe bzw. die ersten Stufen des Verdichters; .4 ist die zweite
Stufe bzw. die zweiten Stufen des Verdichters; 5 ist eine Welle, welche den Verdichter
mit einer Verdichterturbine verbindet; 6 ist eine Verdichterturbine; 7 ist eine
Kammer zwischen einer Verdichterturbine und einer Nutzleistungsturbine; 8" ist eine
Nutzleistungsturbine; 8b ist eine Abgasleitung von der \Tutzleistungsturbine zu
einer Brennkammer; 9 ist die Brennkammer; io ist eine Brennstoffeinspritzdüse;
i
l ist ein Wärmeaustauscher; 12 ist eine Kammer zwischen dem Wärmeaustauscher und
einem Dampfkessel; 13 ist ein Dampfkessel; 14 ist ein Abgaskanal hinter dem Wärmeaustauscher;
15 ist ein Abgaskanal hinter dem Dampfkessel; 16 ist eine Drosselklappe in dem Kanal
14; 17 ist eine Drosselklappe im Kanal 15; 18 ist ein Druckregler zur Betätigung
der Drosselklappen 16 und 17; 1g ist ein Speisewasserrohr; 20 ist ein Dampfleitungsrohr;
21 sind Entnahmestellen und Ventile für die Dampfzuleitung zu den Hilfsmaschinen
und für Heizzwecke; 22 ist .eine Dampfturbine zum Antrieb eines Stromerzeugers;
23 ist ein Stromerzeuger, der auch als Motor zum Antrieb eines Gebläses verwendet
werden kann; 24 ist ein Gebläse; 25 sind ausrückbare Kupplungen; 26 ist ein elektrischer
Schaltkasten; 27 ist eine Akkumulatorenbatterie; 28 bis 31 stellen in gestrichelten
Linien die Anordnung eines Anlassers, eines Schaltkastens und eines Dieselaggregats
dar; 32 ist eine Leitung, welche von den ersten Stufen des Verdichters zu dem Brennkammereinlaß,
d. h. zu -der Abgasleitung der Arbeitsturbine führt; 33 ist ein Regelventil in Teil
32; 34 ist eine Leitung, welche heiße Luft aus der Kammer zwischen der Verdichterturbine
und der Nutzleistungstwrbine in die Leitung 32 führt; 35 ist ein Regelventil in
Teil 34; 36 ist eine Leitung, welche heiße Luft von der Abgasleitung 8b in den Verdichtereinsaugstutzen
und zu Filtern 4o führt; 37 ist ein Regelventil in Leitung 36; 38 ist ein Ventil,
welches den Prozentsatz der in den V erdichtereinsaugstutzen i hinter der Drosselklappe
2 eintretenden heißen Luft regelt; 39 ist ein Ventil, welches den Prozentsatz
der durch die Filter 4o in den durch 41 umrissenen geschlossenen Raum eintretenden
heißen Luft regelt; 40 sind Filter, durch welche Luft in einen geschlossenen Raum
41 und von dort in den Verdichtereinsaugstutzen i eintritt; 41 ist die unter Pos.
40 erwähnte Umhüllung des geschlossenen Raumes; 42 ist eine Leitung, welche heiße
Luft unter Druck an die Leitung 36 abgibt; 43 ist ein Regelventil in Leitung 42;
44 ist eine Leitung, welche Luft erhöhter Temperatur unter Druck in die Leitung
36 leitet; 45 ist ein Regelventil in Leitung 44; 46 ist eine Leitung vom Gebläse
24 zum Verdichtereinsaugstutzen 1; 47 ist ein Ventil in Leitung 46; 48 ist ein Dampfleitungsrohr,
welches zum Verdnchterdruckstutzen führt; 49 ist ein Ventil im Dampfleitungsrohr
48.
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Die verschiedenen feile sind so miteinander verbunden, wie es die
schematische Darstellung zeigt.
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Für den Betrieb wird die Anlage vor dem Anlassen der Gasturbine wie
folgt vorbereitet: i. Anlassen des elektrisch angetriebenen Gebläses 24 bei geschlossener
Drosselklappe 2 und geöffnetem Ventil 47. Ein Luftstrom geht dann durch den Verdichter,
um die Außenseite der Rohre im Wärmeaustauscher herum, durch die Turbinen und die
Brennkammer; dann durch die Rohre des Wärmeaustauschers und von dort zu dem Dampfkessel;
das ist der Weg des Luftstroms bei voller Belastung der Maschinen.
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2. Die Ventile 33 und 35 können geöffnet werden. um das Volumen des
Luftstroms, welcher durch die Brennkammer hindurchgeht, zwecks schnelleren Aufheizens
zu vergrößern.
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3. Der Brennstoff wird bei io eingespritzt, und die Brenner werden
entzündet. Das Verhältnis von Brennstoff zu Luft wird so eingestellt, daß die Verbrennungsgase
die gewünschte Temperatur haben. Nach einiger Zeit ist zuerst der Wärmeaustauscher
auf volle Temperatur aufgeheizt und einige Zeit später auch der Dampfkessel. Da
nun auch ein Luftstrom längs des Weges des Hauptstroms durch den Wärmeaustauscher
und die Turbinen geht, wird die ganze Anlage ungefähr auf die Temperaturen aufgeheizt,
wie sie unter Betriebsverhältni.ssen erhalten "verden.
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Damit das Anlassen des Verdichteraggregats leicht vor sich gehen kann,
muß die Temperatur des Wärmeaustauschers genügend hochgetrieben werden. Bei Abwärmebetrieb
im Kreislauf werden die Brenner vor dem Anlassen angezündet. Wenn (las Gebläse in
der Lage ist, einen gewissen Luftstrom zu liefern, dann sollte das Verdic.hteraggregat
in Betrieb kommen, sobald die Rohre des Wärmeaustauschers eine gewisse Temperatur
erreicht haben. An der Verdic.hterwelle ist keine Kraftentnahme, es sei denn für
ein Tachometer oder für einen Regler, die Lager werden warm, und solange das Ventil
35 voll geöffnet ist, wird das Gesamtdruckgefälle vorwiegend in der Verdichterturbine
verarbeitet.
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Der das Gebläse antreibende Elektromotor sollte einen zweiten und
höheren Drehzahlbereich besitzen, welcher zum Anlassen benutzt werden kann.
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Bei angelassenem Verdichter wird die Drosselklappe 2 von Hand oder
selbsttätig geöffnet; das Gebläse 24 kann dann abgeschaltet werden, die Turbinen
laufen nun mit eigener Kraft entweder in Leerlauf oder unter Last.
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Steht ein Hilfsdieselaggregat oder eine Akkumulatorenbatterie großer
Kapazität zur Verfügung. dann kann die ganze Anlage statt pneumatisch angelassen
durch einen Anlaßmotor unter Aufheizen mechanisch angelassen werden, wie es in der
schematischen Zeichnung durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Die Drosselklappe
2 würde dann geöffnet sein. Das Öffnen der Ventile 33 und 35 würde für ein schnelleres
Aufheizen und einen selbständigen Betrieb bei geringerer Drehzahl sorgen. Also selbst
wenn das Anlassen durch einen über ein Getriebe auf Welle 5 wirkenden Anlaßmotor
erfolgt und der Verdichter selbst die Arbeit des nur zum pneumatischen Anlassen
notwendigen Gebläses 24 besorgt, bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, daß
die ersten Stufen des Verdichters für eine erhöhte Luftzufuhr zu der Brennkammer
und das Ventil 35 für ein leichteres Anlassen verwendet werden können.
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Nach dem Anlassen läßt man die Maschine einige Zeit lang bei stillstehender
Lokomotive leer laufen. Die vorliegende Erfindung sieht Mittel vor, damit
auch
unter Leerlaufverhältnissen genügend Abwärme zur vollen Dampferzeugung geliefert
wird. Das Offenhalten des Ventils 33 bedeutet, daß eine zusätzliche Luftmenge durch
die Brennkammer strömt, in- welcher sie aufgeheizt wird und somit dazu beiträgt,
die Menge sowie die Temperatur des in den Dampfkessel eintretenden Gases zu erhöhen.
Da die Rohre des Wärmeaustauschers nunmehr auf voller Temperatur sind, hat das Verdichteraggregat
die Tendenz, sich zu beschleunigen. Um dessen Drehzahl auf Leerlaufdrehzahl zu halten,
können die Ventile 37, 43 und 45 je nach Notwendigkeit geöffnet werden.
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Das Ventil 37 sargt für einen Rückstrom heißer Luft in den Verdichter
und erhöht dabei das gesamte Temperaturniveau des Kreislaufs in Übereinstimmung
mit der erhöhten Einlaßtemperatur. Wird die Rohrtemperatur konstant gehalten, dann
würde eine solche Erhöhung der Einlaßtemperatur. die verfügbare Leistung herabsetzen.
Wenn die Einlaßtemperatur gleich der Abgastemperatur ist, kann überhaupt keine Wärmekrafterzeugung
stattfinden. Bei geschlossenen Ventilen 33, 35, 43 und 45 und geöffnetem Ventil
37 würde die Temperatur der Abgase erhöht werden, und damit würde auch das
für die Dampferzeugung verfügbare Temperaturgefälle größer sein. Das Öffnen von
Ventil 33 erhöht die durch die Brennkammer strömende Luftmenge und gestattet damit
die Verbrennung einer größeren Menge an Brennstoff und eine Zunahme der verfügbaren
Abgasmenge. Das Öffnen von Ventil 35 erleichtert das Anlassen und beeinflußt
auch die unter Leerlaufverhältnissen verfügbare Abgasmenge. Das Öffnen des Ventils
43 führt heiße Luft unter höherem Druck als durch 37 herbei, wodurch die Kanäle
bzw. Rohrleitungen einen geringeren Durchmesser erhalten können. Das Öffnen des
Ventils 45 sorgt für den größten Rückstrom an Luft, setzt aber gleichzeitig den
Wirkungsgrad des Verdichteraggregats herab. Wie es die Zeichnung zeigt, kann die
unter Druck aus den Ventilen 43 und 45 entweichende Luft in der Leitung 36 durch
ihre Strahlwirkung zur Verwendung gelangen.
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Die Luftströmung in Leitung 36 kann auch durch die Betätigung der
Einsaugdrosselklappe 2 beschleunigt werden.
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Die kombinierte Verwendung eines oder aller Ventile 33, 35, 37, 43,
45 und der Drosselklappe :2 ist ein Mittel, um sowohl die Menge als auch die Temperatur
der durch den Dampfkessel bei Leerlauf strömenden Gase zu erhöhen und um die Leerlaufdrehzahl
den Erfordernissen des Lokomotivbetriebes entsprechend einzustellen.
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Im praktischen Betriebe schwankt die erforderliche Leistung in weitem
Maße zwischen Leerlauf und Vollast je nach Geschwindigkeit und erforderlicher Zugkraft.
Bei Teillasten kann die Einsaugtemperatur des Verdichters erhöht werden, indem man
heiße Luft durch die Leitung 36 zum Verdichtereinsaugstutzen fördert, wodurch man
infolge der erhöhten Abgastemperatur eine größere Dampferzeugung erhält. Die Strömung
in Leitung 36 kann durch die von 43 und 45 aus oder durch die Drosselklappe 2 gesteuerte
Strahlwirkung beschleunigt werden. Das Öffnen von 33 und 35 erlaubt eine weitere
Zunahme der verfügbaren Abwärme. Die Verwendung des Ventils 37 allein für das Abführen
heißer Luft hat praktisch keine Wirkung auf den thermischen Wirkungsgrad des Kreislaufs,
weshalb es in erster Linie verwendet werden sollte.
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Je weniger heiße Luft in den Verdichtereinsaugstutzen zurückgeführt
wird, desto größer ist die Leistung der Turbinen. Obwohl sich die vorliegende Erfindung
im allgemeinen auf die Beeinflussung der Hauptströmung im Kreislauf und auf den
Wärmefluß durch die Brennkammer erstreckt. sollte bei einer gewissen Leistung die
Abwärme doch für die erforderliche Dampferzeugung ausreichen und für diesen Fall
daher keine Einflußnahme auf die Hauptströmung des Kreislaufs notwendig sein.
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Die Erfindung ist von besonderem Wert für die Überwindung der unter
arktischen Verhältnissen anzutreffenden Schwierigkeiten. Wie bereits erwähnt wurde,
ist die Temperatur der Abgase am niedrigsten, wenn die Einlaßtemperatur des Verdichters
am niedrigsten ist, und die Dampferzeugung wird also gerade dann am geringsten sein,
wenn der Dampf am meisten benötigt wird. Das. Rückführen heißer Luft bringt die
Dampferzeugung auf das normale Maß oder sogar darüber hinaus. Wenn der Verdichter
die Luft einem geschlossenen Raum innerhalb der Hülle 41 entnimmt, dann kann die
Temperatur dieser Luft dadurch erhöht werden, daß man einen Teil der heißen Luft
in diesen Raum leitet. Die in diesen Raum durch die Filter 4o eintretende Luft kann
durch Öffnen des Ventils 37 vorgewärmt werden, wodurch die Filter gegen extreme
Kaltluft geschützt bleiben.
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Die erfindungsgemäße Anordnung, wie sie in der Zeichnung dargestellt
ist und «-elche reichlich Dampf liefert, besitzt ihre Vorzüge auch für den Betrieb
unter tropischen Verhältnissen und in großen Höhen. Der Einfluß der erhöhten Einlaßtemperatur
und der verminderten Dichte der Luft @ergi.bt eine Verminderung der Leistung. Praktisch
kann die volle Leistung dadurch wieder erreicht werden, daß man der den Verdichter
verlassenden Luft, bevor sie in den Wärmeaustauscher eintritt, durch das Rohr 48
und unter Kontrolle des Ventils 49 Dampf beimischt.
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Da gemäß der Erfindung Dampf stets verfügbar ist, können die Hilfsmaschinen
der Lokomotive durch Dampf, welcher durch die Rohre 2 1 zugeführt wird, angetrieben
werden. Dampf kann also den Rohren 21 entnommen und dem Einlaß des Wärmeaustauschers
zugeführt werden, d. h. es kann - falls gewünscht - ein Gemisch von Luft und Dampf
dazu verwendet werden, die Verd-ichterturbine anzutreiben.
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Der Elektromotor 23, welcher das Gebläse 24 über eine Kupplung 25
antreibt, kann so konstruiert werden, daß er auch als Stromerzeuger arbeitet, wobei
er über die andere Kupplung 25 durch eine Dampfturbine 22 angetrieben wird.
Die
Vorbereitung der Anlage vor dem Anlassen und das Anlassen selbst können - falls
gewiinscht - nach irgendeinem bereits bekannten Verfahren erfolgen, z. B. durch
ein Dieselaggregat, falls ein wie oben beschriebenes Gebläse nicht vorgesehen sein
sollte.