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Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung von Verbrennungsturbinen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung von Verbrennung- . turbinen, bei denen Gase, Öl, Teer, Petroleum, Benzin, Kohle, explosive Stoffe u. dgl. verwendet werden können, möge es sich um eine Druckturbine oder um eine Explosionsturbine handeln. Es kommt bei dem Verfahren darauf an, durch die Abkühlung der Räder und der Radschaufeln einen möglichst guten Nutzeffekt herbeizuführen.
Man hat schon vorgeschlagen, bei voll beaufschlagten Turbinen durch die hohlen Schaufeln zur Kühlung Luft strömen zu lassen, die hiebei verdichtet wurde und diese verdichtete Luft für das Arbeitsverfahren der Turbine weiter auszunutzen. In der Praxis hat dieser Vorschlag aber nicht Eingang gefunden, weil die erreichte Abkühlung keine genügende war, um die Anwendung jenes Verfahrens bei den in Frage stehenden hohen Gastemperaturen zuzulassen.
Bei vorliegender Erfindung wird ebenfalls eine Ausnutzung bzw. Verwertung der bei der Durchführung der gasförmigen Kühlmittel entstehenden Druckerhöhung für die Turbine bzw. ihren Arbeitsgang vorgenommen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass als Turbine eine partiell beaufschlagte Turbine verwendet-wird, welche in dem nicht beaufschlagten Teil als Verdichter ausgebildet ist. Als Kühlmittel können hiebei kalte Luft, die für die Verbrennung und zum Betrieb der Turbine nötigen Gase und schliesslich auch die Auspuffgase verwendet werden, welche ihre Arbeit in der Turbine geleistet haben und hierauf abgekühlt werden.
Besonders vorteilhaft wird das Verfahren dadurch, dass man die gasförmigen Kühlmittel nicht durch hohle Schaufeln, sondern durch die Räder und an den vollen Schaufeln entlang führt. Hiedurch
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Turbine.
Bei einer Einrichtung gemäss der Erfindung werden die Schaufeln eines und desselben Rades nacheinander zur Umwandlung des Druckes und der Geschwindigkeit der wirksamen heissen Gase oder ihrer Geschwindigkeit allein, in eine Drehbewegung der Räder und alsdann zur Umwandlung der Drehbewegung des Rades in Geschwindigkeit und in Druck der zu verdichtenden Luft oder der kalten Gase benutzt. Die den Schaufeln und dem Rad durch die wirksamen heissen Gase mitgeteilte Wärme wird auf die Luft oder die kalten Gase übertragen, so dass das Rad und die Schaufeln eine Temperatur beibehalten, welche zwischen derjenigen der wirksamen heissen Gase und derjenigen der Luft oder der kalten Gase liegt. Auf diese Weise erreicht man gute Abkühlung.
Die Befestigung der rinnenförmigen Schaufeln an den Turbinenrädern erfolgt dabei zweckmässig in der Weise, dass sie mittels mindestens einem Paar an den Ein-und Austrittskanten vorstehender Ansätze in Kreisnuten des aus einer Hauptscheibe und einer Flansche gebildeten Rades eingesetzt werden und der Abstand zwischen je zwei Schaufeln durch seitliche Abstandsstücke bestimmt wird, welche in die gleichen Kreisnuten wie die Ansätze der Schaufeln eingelassen sind, damit der Kanal zwischen zwei benachbarten Schaufeln radial für die Durchführung der Kühlmittel zur Gänze offen bleibt.
Die Einrichtung umfasst ferner verschiedene Maschinenteile oder Elemente, welche in der Folge
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Zweckes ermöglicht.
Die Fig. 1 der Zeichnung veranschaulicht beispielsweise schematisch eine Verbrennungsturbine zur Ausübung des Verfahrens im Längsschnitt ; Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Ebene A B CD der Turbine nach Fig. 1. Die Fig. 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsformen eines Rades dieser Turbine.
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In den Fig. 5-11 sind Einzelheiten der Ausführung der Schaufeln dieses Rades und ihre Befestigungweise veranschaulicht, während die Fig. 12-14 drei Ansichten eines Rades mit Schaufeln verschiedener Ausführungsform zeigen.
Die in den Fig. 1 und 2 beispielsweise dargestellte Turbine ist eine Verbrennungsturbine für flüssigen Brennstoff (z. B. Petrol) von axialer Bauart und mit fünf Druckstufen, wobei jede Druckstufe nur eine einzige Geschwindigkeitsstufe hat und wobei drei dieser Stufen oberhalb des Atmosphärendruckes und die beiden anderen unterhalb desselben arbeiten. Die Turbine ist in zwei Sektoren geteilt, nämlich in den oberen Sektor, der beinahe drei Viertel des Umfanges umfasst und in welchem die Räder als solche eines umlaufenden Verdichters arbeiten, und in den unteren Sektor, in welchem die Räder als eigentliche Turbinenräder arbeiten.
In Fig. 1 ist a. die Turbinenwelle, bt, b2, b3, b4 und b5 sind die fünf auf die Welle a aufgekeilten Turbinenräder. Jedes'Rad besteht aus einer Hauptscheibe b mit der auf die Welle aufgekeilten Nabe und der Hilfsscheibe oder Flansche e, welche durch die Rippen d, die einen Teil der Schaufeln bilden, mit der Hauptscheibe b verbunden ist. Hiedurch wird in jedem Rad ein kreisförmiger Kanal e, e'zwischen den Teilen bund c gebildet. Die Schaufeln f sind auf den Umfang eines jeden Rades zwischen Hauptscheibe b und Flansche c aufgebracht. Ausserhalb des Rades haben diese Schaufeln die bei Dampfturbinen allgemein gebräuchliche Form, sind aber an ihrem radialen inncrn Ende, wie an ihrem radialen äussern Ende offen.
Die Schaufeln treten in radialer Richtung mehr oder weniger tief in jedes Rad ein. Jedes Rad weist demnach Schaufeln von zwei oder mehr verschiedenen Längen auf, wie dies durch die punktierten Linien f' angedeutet ist. Im oberen Teil des Schnittes nach Fig. 1, in dem die Turbine als Verdichter arbeitet, sind, g2,.... 95 die Diffusorkanäle, d. h. die Ringräume mit feststehenden Schaufeln in ihrem radialen äusseren Teil angeordnet. Die Schaufeln f der Räder treten mit einem äusserst feinen Spiel in den radialen Innenteil dieser Kanäle ein.
Die Diffusorkanäle stehen in Verbindung mit weiteren Kanälen hl, h2,... h5, welche jeden der Kanäle g mit dem Zugang zum nächsten Rad oder gegebenenfails die Kanäle h2 und h5 mit der Gas-oder Luftzuleitung verbinden. il ist die Zuleitung der verbrannten Gase in den Verdichter und i2 ist das Auspuffrohr in die Atmosphäre. i3 ist die Zuleitung für die der Verbrennung dienende Luft und i4 dient zur Ableitung dieser Luft nach ihrem Durchgang durch den Verdichtersektor.
In dem Unterteil des Schnittes nach Fig. 1, in welchem die Turbine als eigentliche Turbine arbeitet, bezeichnen k die Kanäle, welche das aus den Schaufeln eines Rades austretende Gas den Leitschaufeln jeder Stufe zuführen. m sind die Leitschaufeln jeder Stufe, n ist die Zuleitung für die der Turbine zugeführten heissen Gase, welche aus den in der Abbildung nicht ersichtlichen Verbrennungs-oder Explosionskammern austreten.
Mit o ist die Ableitung dieser Gase aus der Turbine, nachdem sie durch die Schaufeln der fünf Räder hindurchgeführt wurden, bezeichnet. p sind die Zwischenwände, durch welche die verschiedenen Druckstufen der Turbine voneinander getrennt sind. pI sind diejenigen Teile dieser Zwischenwände, die sich ganz nahe beim Eintritt zu den Kanälen e der Hauptscheiben b befinden und dazu
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welche unmittelbar auf den Turbinensektor folgen. Mit s ist die äussere Gehäusewand der Maschine bezeichnet.
Wie bereits erwähnt, zeigt Fig. 2 einen Querschnitt der Turbine nach der Linie A-B-C-D der Fig. 1, d. h. durch eine Ebene, welche etwas verschoben ist, je nachdem sie durch den Verdichterteil
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des vorangehenden Rades austretenden Gase den Leitschaufeln zugeführt wird. r sind die Wände, durch welche der Turbinensektor vom Verdichtersektor getrennt ist. r1 ist eine Erweiterung der Wand r, die beim Übergang des Rades aus den Verdichtersektor in den Turbinensektor angeordnet ist und, ebenso wie die Wand p\ dazu dient, den Eintritt der Kanäle zum Rad abzuschliessen, die in Fig. 1 mit e bezeichnet sind. Wie ersichtlich, ist die Abschlussfläche 101, pI gegenüber dem Turbinensektor verschoben und befindet
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Rundung der Rippen c anlehnt.
In Fig. 3 ist die Flansche i gesondert, d. h. vor ihrer Aufbringung auf die Hauptscheibe b dargestellt. Der kleinste Durchmesser hl des heraustretenden Teiles k ist ein wenig kleiner als der Durchmesser h beim Eintritt der Rippen. Die Flansche i muss daher beim Zusammenbau warm aufgezogen werden, indem sie so stark erhitzt wird, dass der Durchmesser hl etwas grösser wird als der Durchmesser h der Rippen. Nach erfolgter Abkühlung klemmt dann die Flansche i die Rippen c fest, als ob die Flansche i aus einem einzigen Stück mit der Hauptscheibe b hergestellt wäre.
Durch die Rippen c in der gewünschten Entfernung voneinander gehalten, bilden die Scheibe b und Flansche i zwischen sich einen kreisförmigen Kanal mit nach der Peripherie hin zusammenlaufenden Wänden, wie dies aus der Schnittzeichnung in Fig. 3 hervorgeht. f, g und \ gl sind schwalbenschwanz-und kreisförmige Nuten in der Innenseite der Scheibe b und Flansche i zum Einsetzen der Schaufeln.
In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform eines Rades veranschaulicht, wobei dieselben Buchstaben die gleichen Teile wie in Fig. 3 zeigen. Gemäss dieser Ausführungsform ist der vorstehende Teil der Flansche k mit einem Innengewinde m versehen und lässt sich auf die ein Aussengewinde n aufweisenden Rippen c aufschrauben. Diese beiden Arten des Zusammenbaues von Scheibe und Flansche könnten in der Weise miteinander verbunden werden, dass die Flansche warm auf die Rippen aufgeschraubt wird.
Fig. 5 ist die Vorderansicht einer in das Rad zwischen der Hauptscheibe und der Flansche eingesetzten Schaufel a, die aus einem Blech aus geeignetem Metall hergestellt und wie die bei Dampfturbinen üblichen Schaufeln rinnenförmig gebogen oder geschmiedet ist. Dagegen bleibt hier die Schaufel ein-
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zu dienen hat. Die aus einem Stück mit der Schaufel hergestellten Ansätze o, die in die Nuten t, 11 der Scheibe b und Flansche i eintreten, geben der Schaufel einen sicheren Halt. Diese Ansätze können, wie Fig. 5 zeigt, schwalbenschwanzförmig sein ; es ist dies aber nicht durchaus notwendig. Während in Fig. 5 zwei Ansätze und dementsprechend zwei Nuten, eine auf jeder Seite, gezeigt sind, kann die Zahl der Ansätze und die Zahl der entsprechenden Nuten beliebig gross gewählt werden.
Die Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht derselben Schaufel, u. zw. im Schnitt nach der Ebene C-D von Fig. 5.
Die Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf die Schaufeln, u. zw. im Schnitt nach der Linie A-B von Fig. 5. Mit r sind die Distanzstücke bezeichnet, die zwischen je zwei benachbarten Schaufeln eingesetzt und in den Nuten/, j gehalten sind. Hauptsächlich zum Halten dieser Distanz-oder Zwischenstücke werden die Nuten y,/ schwalbenschwanzförmig ausgebildet. Selbstverständlich weisen die Zwischenstücke r den Nuten entsprechende Schwalbenschwänze auf. Die Zwischenstücke r werden in die Nuten mittels eines Einschnittes q (in Fig. 5 punktiert gezeichnet) eingeschoben, welcher nachher in geeigneter Weise abgeschlossen wird. Die Schaufeln können statt wie gemäss Fig. 5 radial, auch in gegen den Radius des Rades geneigter Richtung angeordnet sein.
Das letzte Zwischenstück einer Reihe wird vor seiner Einführung gekrümmt, um seinen Eintritt in die Nute zu ermöglichen ; nach seiner Einsetzung wird es gerade gemacht. Diese Zwischenstücke bestimmen den Abstand zwischen den Schaufeln und unterstützen die sichere Befestigung der letzteren in dem Rad.
Die Fig. 8 zeigt zwei verschiedene Arten solcher Zwischenstücke, und zwar in Vorderansicht, von der Seite und in Draufsicht. Das links gezeigte Zwischenstück dient zur Trennung radial gerichteter Schaufeln gemäss Fig. 12, während das rechtsseitig dargestellte Zwischenstück für die geneigt gerichteten Schaufeln entsprechend den Fig. 13 und 14 bestimmt ist.
In Fig. 9 ist eine ähnliche Schaufel wie in Fig. 5 dargestellt. Hier wird die schräge Richtung der Wand der Flansche i bis an ihrem Aussenumfang beibehalten, so dass der Ringkanal zwischen Flansche i und Hauptscheibe b bis zu seiner Peripherie zulaufend und der in den Ringkanal reichende Schaufelteil trapezoidalist. Bei der Ausführung nach Fig. 5 dagegen hört die schräge Richtung der Flansche am Fusse der Schaufel a auf, so dass die Wände des Ringkanales zwischen Flansche und Hauptscheibe parallel verlaufen und der in den Kanal eintretende Schaufelteil rechteckförmig ist.
Die Fig. 10 zeigt eine der langen Schaufeln a1 mit ihren Doppelohren a und 0\ welche in entsprechend Nuten der Räder eintreten. Jedes Rad weist eine bestimmte Anzahl kurzer und eine bestimmte Anzahl langer Schaufeln auf, die auch mehr als zwei Paare von Ohren aufweisen können. Man kann in einem Rad auch Schaufeln von drei oder mehr verschiedenen Längen einbauen.
In Fig. 11 ist eine Schaufel in grösserem Massstabe dargestellt, u. zw. vom Ende ausserhalb des Rades gesehen. Hier ist ersichtlich, dass der über das Rad vorstehende Schaufelteil in m und n zugespitzt ist, ähnlich wie die gewöhnlichen Schaufeln einer Dampfturbine. Aus Gründen, die später erklärt werden, sind der Eintritts-und eventuell der Austrittswinkel cl und ss2 der Schaufel verhältnismässig gross ; sie messen über 400.
Die Fig. 12,13 und 14 veranschaulichen Bauarten, bei welchen die Schaufeln über ihren Fuss hin in verschiedener Weise verlängert oder in verschiedenen Formen ausgebildet sind, zum Zwecke der Bildung solcher Kanäle, welche das Rad als Verdichterrad geeignet machen.
Die Fig. 12 zeigt ein Rad mit aufgebrachten Schaufeln von vorn gesehen. Bei dieser Ausführung sind die Schaufeln radial gestellt und es folgen auf eine lange Schaufel a1 je zwei kurze Schaufeln a. Die zum Festhalten der Schaufeln dienenden kreisförmigen Nuten f, g sind punktiert gezeigt.
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Eine andere Ausführungsform des Rades ist in Fig. 13 ersichtlich. Die Schaufeln sind nicht mehr radial gestellt, sondern sind im Sinne der Drehrichtung nach vorn geneigt. Diese Neigung lässt sich leicht dadurch erreichen, dass man in die Nuten f, g zwischen die Schaufeln Zwischenstücke von geneigter Form
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Schaufel a1 je drei kurzen Schaufeln a.
In Fig. Mist endlich eine dritte Ausführungsform des Rades zur Darstellung gebracht, das ebenfalls geneigt gerichtete Schaufeln aufweist ; hier sind nach je einer langen Schaufel a1 vier kurze Schaufeln a und eine mittellange Schaufel a2, vorgesehen, welch letztere in der Mitte zwischen den vier kurzen Schaufeln eingesetzt ist.
Bei dieser Ausführungsform ist die Scheibe und die Flansche mit einer dritten Ringnute p versehen, die zwischen den beiden Nuten g und f angeordnet ist, u. zw. vor allem zur Aufnahme des Fusses der mittellangen Schaufel a2 bestimmt ist, die aber gleichzeitig auch zur Stütze des mittleren Teiles der langen Schaufeln a1 dienen kann.
Selbstverständlich kann man die Zahl der voneinander verschiedenen Schaufellängen noch vermehren und die Schaufeln beliebig anders anordnen, um eine möglichst günstige Form eines Verdichterrades zu erhalten.
Die Arbeitsweise der in den Fig. 1 und 2 beispielsweise und schematisch dargestellten Turbine ist, wie leicht verständlich, folgende :
Die zur Verbrennung notwendige Luft wird aus der Atmosphäre durch die Zuleitung i3 angesaugt und durch die drei linksseitigen Räder b3, b2, bl auf den notwendigen Druck gebracht. Im oberen Sektor der Maschine arbeiten diese'Räder genau wie die Räder eines gewöhnlichen umlaufenden Verdichters.
Die Luft wird zuerst im Innern jedes einzelnen Rades durch den Unterschied der relativen Geschwindigkeiten des Eintrittes und des Austrittes und durch die Fliehkraft verdichtet. Hernach wird die absolute Austrittsgeschwindigkeit der Luft des Rades durch die feststehenden Schaufeln g des Diffusors und eventuell auch durch die Schaufeln oder Wände des Kanales h, der die Luft dem Eingang des folgenden Rades zuführt, in Druck umgewandelt. Die aus der Ableitung i4 austretende verdichtete Luft wird der
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Brennstoff, z. B. Rohpetrol, wird dieser Kammer oder Kammern unter Druck zugeführt und mit der Luft gemischt.
Nach der darin erfolgten Verbrennung oder Entzündung des Verbrennungsgemisches werden die wirksamen Gase durch die Leitung n der ersten Leitschaufelreihe m zugeführt, welche die Gase auf die Schaufeln des ersten Rades bl im unteren Sektor der Maschine, d. h. im Turbinensektor der Maschine, leiten. Dieses Rad b\ welches das erste Rad der Turbine ist, bildet gleichzeitig das letzte Rad des Verdichter.
Bei ihrem Austritt aus den Schaufeln f von Rad bl werden die Gase durch den Kanal k in die Leitschaufeln m der zweiten Stufe der Turbine geleitet und so fort bis zur letzten Stufe und zum letzten Rad b5. In j der Reihe von Leitschaufeln dehnen sich die Gase aus und verlieren von ihrem Druck, gewinnen aber dadurch an Geschwindigkeit, die im entsprechenden Rade ausgenützt wird. Beim Austritt der Gase aus dem letzten Rad b5 ist ihr Druck unter denjenigen der Atmosphäre gesunken und die Gase müssen, um in diese entweichen zu können, vorerst verdichtet werden. Aus der Leitung o gelangen die Gase vor allem in einen Kühler mit geeigneter Wasserzirkulation, der auch ein Regenerator sein kann, wodurch sie auf eine niedrigere Temperatur heruntergebracht werden, z. B. auf 50 bis 20 C.
Hernach treten sie durch die Leitung il in die beiden ersten Räder b5 und. b4 des Verdichters, welche gleichzeitig die beiden letzten Turbinenräder sind. Die Gase werden durch diese beiden Räder auf den atmosphärischen Druck verdichtet, worauf sie durch die Leitung i2 in die Atmosphäre entweichen.
In dem Augenblick, in welchem die Schaufeln eines Rades aus dem Verdichtersektor in den Turbinensektor übertreten, muss der radiale Durchgang der Luft oder der verbrannten Gase zwischen den Schaufeln aufhören, um zu verhüten, dass diese Luft oder diese Gase in den Turbinensektorübertreten und dem axialen Durchgang der wirksamen heissen Gase, die durch die Turbine hindurchgeführt werden, hinderlich werden können. Für diesen Zweck sind die Abschlussteile pl, "11 der Zwischenwände oder Wände p und y vorgesehen, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist.
Den Teilen , "11, in deren unmittelbarer Nähe sich der Eintritt der Kanäle e der Räder befindet, ist die Rolle eines Abschlusses für diese Kanäle zugewiesen, derart, dass durch sie die Luft oder die verbrannten Gase am Eintritt in die Radkanäle e in dem Augenblick, wo die Schaufeln der Räder durch den Turbinensektor hindurchgehen, verhindert werden. Es ist sogar zweckmässig, dass dieser Abschluss der Kanäle e schon in einer gewissen Entfernung vorher, bevor die fraglichen Schaufeln aus dem Verdichtersektor in den Turbinensektor übertreten, beginnt, damit die Luft oder die Gase, welche sich im Augenblicke des Abschlusses in den Kanälen e befinden, noch Zeit zum Entweichen durch das Rad hindurch bis zu den Schaufeln haben und in den
Verdichtersektor gelangen können.
In gleicher Weise ist es zweckmässig, wenn der Abschluss des Eintrittes der Kanäle e aufgehoben wird, bevor die Schaufeln den Turbinensektor verlassen haben, so dass die Luft und die Gase Zeit finden, von neuem in das Rad zu gelangen, durch dasselbe radial hindurchzustreichen und in dem Augenblick radial zwischen den Schaufeln durehzutreten, wo diese wieder in den Verdichter- sektor übergehen.
Aus diesem Grunde ist der Abschlussteil pu, ru in der Fig. 2, bezogen auf die Dreh-
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richtung des Rades gegenüber dem Turbinensektor, nach rückwärts verschoben. Hinter der Abschlussfläche verbindet ein Kanal u den inneren radialen Teil der Kanäle h, welche dem Turbinensektor unmittelbar vorangehen, mit dem inneren radialen Teil des Kanalesh, welcher diesem Turbinensektor unmittelbar folgt, derart, dass der dauernde Durchgang der Luft oder der Gase durch den Verdichter keine Unterbrechung erleidet, ausser der durchaus notwendigen Unterbrechung im Radinnern, wie diese vorstehend erklärt worden ist.
Die Ausführungsweise der Räder und der Schaufeln ebenso wie die Art der Befestigung der
Schaufeln in den Rädern sind aus den Fig. 3-11 ohne weiteres verständlich. Um eine Verbesserung des Nutzeffektes des Verdichters zu erzielen, kann man die Schaufeln, bezogen auf die Drehrichtung der Räder, nach rückwärts neigen, wie dies in den Fig. 13 und 14 gezeigt ist. In diesem Fall kann man auch den Leitschaufeln eine dieser Neigung der Laufradschaufeln entsprechende Neigung geben. Man kann in jedem Rad Schaufeln von verschiedener Länge miteinander abwechseln lassen, wie dies in den Fig. 12-14 dargestellt ist, oder man krümmt die Schaufeln im Innern der Räder. Man hat es sonach in der Hand, für die Schaufeln im Innern der Räder diejenige Form und diejenige Anordnung zu wählen, welche sich als am vorteilhaftesten für den Verdichter erweist.
Die Vorteile des Verfahrens und seiner Ausübung sind schon bei einer Betrachtung der Fig. 1 und 2 in die Augen springend. Durch die Gase oder die kalte Luft, welche in den Verdichter eintreten, werden die Schaufeln, welche im Turbinensektor mit den heissen Gasen in Berührung kommen, nach und nach abgekühlt, derart, dass die Schaufeln und die Räder in jeder Stufe der Maschine eine Temperatur annehmen, welche zwischen derjenigen der brennenden Gase und derjenigen der Luft oder der kalten Gase liegt.
Da der Wert des Übergangskoeffizienten der Wärme zwischen den Gasen oder der Luft und den Schaufeln für die verschiedenen Geschwindigkeiten, Drucke und Temperaturen der Gase oder der Luft und für die verschiedenen Temperaturen der Schaufeln bekannt ist, lassen sich die Geschwindigkeit und die notwendigen Querschnitte einerseits für die brennenden Gase und anderseits für die Gase oder die kalte Luft unschwer errechnen, so dass die Temperatur der Schaufeln eine vorausbestimmte Höchstgrenze nicht überschreitet. Dabei lässt sich feststellen, dass die Abkühlung dadurch erleichtert wird, dass die Gase oder die kalte Luft in radialer Richtung zwischen die Schaufeln von verhältnismässig grosser radialer Höhe gelangt, während die heissen Gase die Schaufeln in axialer Richtung und nur auf einen Bruchteil ihrer radialen Höhe durchstreichen.
Die durch die heissen Gase auf die Schaufeln übertragene Wärme verteilt sich zum Teil auf die ganze radiale Höhe und wird diesermassen durch die Gase und die kalte Luft leichter abgeführt. Man kann beispielsweise die Gase in das erste Turbinenrad mit einer Temperatur von 900 bis 10000 C. oder mehr eintreten lassen und dabei doch vermeiden, dass die Schaufeln eine Temperatur von 4000 C überschreiten.'
Aus dem obigen Beispiel geht hervor, dass es möglich wird ; Verbrennungsturbinen mit fünf oder zehn und mehr Druckstufen zu bauen, d. h.
Turbinen mit einem viel höheren Wirkungsgrad, als ihn Turbinen mit nur einer einzigen Druckstufe, wie sie bisher für Verbrennungsturbinen vorgeschlagen worden sind, aufweisen. Ähnlich wie auf dem Gebiete der Dampfturbinen wird man reine Aktionsturbinen, Reaktionsturbinen und Aktionsturbinen mit einem geringen Grad von Reaktion bauen können. Es kann sich als vorteilhaft erweisen, für die erste oder für die ersten Druckstufen der Turbine zwei oder drei Geschwindigkeitsstufen vorzusehen, um die Temperatur der Gase bei ihrem Eintritt ins erste Rad auf den kleinstmöglichen Wert herunterzudrücken. In diesem Fall werden zweckmässigerweise die Schaufeln jeder Geschwindigkeitsstufe auf ein besonderes Rad aufgebracht, damit jedes Rad mit seinem Schaufelkranz gleichzeitig als Verdichterrad benützt werden kann.
Die Verluste in den feststehenden Leitschaufeln zwischen zwei Geschwindigkeitsstufen lassen sich durch Räder, die in einander entgegengesetzter Richtung umlaufen, vermeiden.
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des Turbinensektors können durch Kühlwasser, das zwischen doppelten Wänden hindurchgeführt wird, gekühlt werden. In den Fig. 1 und 2 sind diese Doppelwände allerdings nicht dargestellt worden, um das Bild nicht unnötigerweise kompliziert zu machen.
Ebenso sind in den Fig. 1 und 2 die Mittel für die Abkühlung der Luft und der Gase im Verdichtersektor aus Rücksichten der Einfachheit der Darstellung weggelassen worden. Bekanntlich ist aber bei den heutigen umlaufenden Verdichtern vorgesehen, dass die Luft während der Verdichtung gekühlt wird ; dies geschieht entweder mittels im Verdichter besonders angeordneter Kühlschlangen, durch die Wasser hindurchgeschickt wird, oder durch die Zirkulation von Luft zwischen jedem Rad oder zwischen jeder Gruppe von Rädern. Während man die eine oder andere dieser Anordnungen wählen kann, dürfte sich für die Verbrennungsturbine gemäss der Erfindung doch die letztere als vorteilhafter erweisen.
In einer Verbrennungsturbine, wie vorstehend beschrieben, muss die Abkühlung der Gase und der Luft im Verdichter für die gleichen Temperaturwerte stärker sein als in einem gewöhnlichen Verdichter. Bei dem Verdichter der Maschine gemäss der Erfindung geben eben die Schaufeln und die Räder einen bestimmten Wert an Wärme an die Gase und die Luft ab, ganz abgesehen von der Temperaturerhöhung infolge ihrer Verdichtung.
Es wird zweckmässig vorgesehen, dass für jedes Rad der Druck im Verdichtersektor ungefähr derselbe ist wie im Turbinensektor, weil dadurch der Übertritt der Gase von einem Sektor in den anderen
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an der Stelle, wo das Rad von dem einen in den anderen übergeht, erleichtert und damit ein Verlust vermieden wird. Es ist bekannt, dass, wenn bei umlaufenden Verdichtern eine Tangentialgeschwindigkeit der Räder von 150 bis 200 mlsok. überschritten wird, die gegebene Druckerhöhung in jeder Raddiffusorstufe verhältnismässig gering und niedriger ist als das Druckgefälle, das in der Stufe einer entsprechenden Verbrennungsturbine mit derselben Tangentialgeschwindigkeit des Rades ausgenutzt werden könnte.
Mit Rücksicht hierauf kann man die kalten Gase oder die zu verdichtende Luft nach jedem Rad oder jeder
Gruppe von Rädern des Verdichtersektors der Verbrennungsturbine in einen anderen Verdichter von gewöhnlicher Bauart, der von der gleichen Turbine oder gesondert angetrieben wird, gelangen lassen.
In diesem gewöhnlichen Verdichter wird der Druck der Gase oder Luft bis auf den gewünschten Wert erhöht, worauf sie dann ins nächste Rad oder in die nächste Gruppe von Rädern gelangen, um dann dem gewöhnlichen Verdichter wiederum zugeführt zu werden usf. Dieser zusätzliche Verdichter gewöhnlicher Bauart wird sich als besonders notwendig erweisen, wenn in einer Verbrennungsturbine mit konstantem Druck, in deren ersten Druckstufe des Turbinensektors zwei oder drei Geschwindigkeitsstufen vorgesehen sind, der höchstmögliche Grad der Luftverdichtung bewirkt werden soll.
Im Falle einer Explosionsturbine kann man indessen an dieser Stelle auf den zusätzlichen Verdichter verzichten, da der Höchstwert d r Verdichtung der für die Explosion bestimmten Luft bedeutend hinter dem durch die Explosion erzeugten
Druck zurückbleibt.
Ein weiteres Mittel, um die Schwierigkeit der Herstellung des gleichen Druckunterschiedes in einer Verdichterstufe wie in einer entsprechenden Stufe des Turbinensektors zu beheben, besteht darin, dass der Teil der Geschwindigkeit der in jedem Turbinenrad ausgenützten heissen Gase im Turbinen-
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Im vorliegenden Falle kann man einen solchen von wenigstens 300 versehen. Es folgt hieraus für die Schaufeln ein Eintrittswinkel von mindestens 400, welcher Wert ebenfalls viel grösser als der sonst übliche ist. Der Teil der alsdann in dem Rad ausgenutzten und durch dasselbe in Arbeit umgesetzten Geschwindigkeit wird kleiner sein als wenn die Winkel so klein wären wie üblich und die absolute Austrittsgeschwindigkeit der Gase wird anderseits zum grossen Teil im Leitschaufelkranz der folgenden Stufe aus-
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wird, kleiner sein wird als in einer Turbine mit dem gewöhnlichen Winkel für die Leitschaufeln und für die Schaufeln der Räder und dass es daher leichter fallen wird, dieses kleine Druckgefälle in Übereinstimmung zu bringen mit der Druckerhöhung der Luft oder der Gase in der entsprechenden Stufe des Verdichters.
Diese grösseren Eintrittswinkel und eventuell auch Austrittswinkel der Schaufeln sichern aber noch zwei weitere Vorteile : Der Reibungsverlust der relativen Geschwindigkeit der wirksamen Gase in der weniger gekrümmten Schaufel wird geringer und infolgedessen der eigentliche Nutzeffekt der Turbine grösser. Da der Schaufelrücken weniger gekrümmt ist, so ist die Schaufel für die Verwendung als Verdichter schaufel besser geeignet. Es muss nämlich beachtet werden, dass im Verdichtersektor die konvexe Seite, d. h. der Rücken der Schaufel, die Fläche ist, welche direkt auf die zu verdichtende Luft oder Gase wirkt.
Schaufeln mit Eintrittswinkeln von mehr als 400 eignen sich nur für solche Druckstufen von Verbrennungsturbinen, die ein einziges Rad aufweisen, d. h. eine einzige Geschwindigkeitsstufe benutzen.
Wenn man die erste oder die ersten Druckstufen mit zwei oder drei Geschwindigkeitsstufen versieht, so sind diese grossen Winkel ungeeignet für die Schaufelkränze jeder ersten Geschwindigkeitsstufe, weil ja der Zweck dieser Geschwindigkeitsstufen gerade der ist, die Ausnützung eines grossen Druckgefälles in einer einzigen Druckstufe zu ermöglichen. Anderseits ist bekannt, dass für die Schaufelkränze der zweiten und dritten Geschwindigkeitsstufe immer und gewöhnlich grosse Eintrittswinkel für die Schaufeln vorgesehen sind.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass wenn es gelingt, die Druckgefälle im Turbinensektor und die Druckzunahmen im Verdichtersektor für jede Druckstufe mit einem einzigen Rad gut auszugleichen, im allgemeinen Fall und für eine Turbine mit gleichbleibendem Druck die erste Druckstufe der Turbine mit zwei Geschwindigkeitsstufen und folglich mit zwei Rädern, deren Druckgefälle grösser ist, als die durch diese beiden Räder im Verdichtersektor bewirkte Druckzunahme, verbleibt. In diesem besonderen Fall erweist es sich als notwendig, dass die aus dem Verdichtersektor austretende Luft noch einem Verdichter gewöhnlicher Bauart zugeführt wird, um schliesslich den Verbrennungs-oder Explosionskammern mit dem für die Verbrennung notwendigen Druck zugeführt zu werden.
Es ist gegeben, dass für die Ausübung des Verfahrens gemäss der Erfindung zahlreiche andere Anwendungsmöglichkeiten als die eben beschriebene möglich sind.
Beispielsweise wäre es möglich, den Rädern der Turbine mit einen Teil der aus der Turbine austretenden verbrannten und abgekühlten Gase oder nur einen Teil der für die Verbrennung benötigten Luft zuzuführen. Man könnte auch die Zufuhr der gesamten Luft, aber nur eines Teiles der verbrannten oder gekühlten Gase oder umgekehrt, vorsehen. Auch wäre es möglich, der Turbine nur die Luft für die Verbrennung, aber gar keine verbrannten Gase zuzuführen oder im Gegenteil nur die verbrannten und abgekühlten Gase und gar keine Luft. Dieser letztere Fall lässt sich häufig anwenden bei einer Turbine, in welcher die erste Druckstuie beinahe mit atmosphärischem oder nicht viel höherem Druck arbeitet
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und der ganze übrige Teil der Druckstufen unter Atmosphärendruck ist.
Einer solchen Turbine werden zweckmässig nur die verbrannten Gase nach ihrer erfolgten Abkühlung zugeleitet und der erforderliche Druck der für die Verbrennung benötigten Luft in einem gewöhnlichen Verdichter erzeugt.
Wenn die Verbrennungsturbine mit einem gasförmigen Brennstoft gespeist werden soll, so kann der notwendige Gasdruck in einem gesonderten Verdichter üblicher Bauart erzeugt oder hiezu auch ein besonderer Verdichtersektor der Turbine benutzt werden, der vom Verdichtersektor für die Luft so abgetrennt ist, wie dieser es ist Vom Turbinensektor. Es ist anderseits einleuchtend, dass die Anordnung des oder der Verdichtersektoren und des oder der Turbinensektoren vielfach anders gewählt werden kann.
Die in den Fig. l und 2 gezeigte Anordnung des Verdichtersektors im Oberteil der Verbrennungsturbine ist eine rein beispielsweise. Es können diese Sektoren nicht nur verschieden angeordnet werden, sondern ihre Anzahl kann auch eine andere sein. Es kann z. B. vorteilhaft erscheinen, zwei symmetrische einander diametral entgegengesetzte Turbinensektoren durch zwei Verdichtersektoren zu trennen. Man kann die Zahl und insbesondere die relative Leistungsfähigkeit der Verdichter-und der Turbinensektoren, je nachdem es sich um den mit hohem oder niedrigem Druck arbeitenden Teil der Turbine handelt, verändern, u. zw. ganz besonders in dem oben angenommenen Fall, dass der Verbrennungsturbine die gesamte Luft für die Verbrennung und nur ein Teil der verbrannten und gekühlten Gase zugeführt wird.
Es ist übrigens gegeben, dass die letzten Räder auf der Niederdruckseite der Turbine nur eine geringe Abkühlung erfordern, da die Temperatur der sie durchstreichenden warmen Gase nicht mehr sehr hoch ist. Es genügt daher, wenn durch den oder die Verdichtersektoren diesen letzteren Räder nur ein Teil der verbrannten und abgekühlten Gase zugeführt wird, während der Rest der Gase parallel dazu in einem gewöhnlichen Verdichter verdichtet wird. Diese parallele Verdichtung eines Teiles der verbrannten Gase in einem gewöhnlichen Verdichter wird um so zweckmässiger sein, als bei dem vorhandenen niederen Drucke der Gase ihr spezifisches Volumen ein sehr beträchtliches ist.
Man könnte daher in den letzten Turbinenrädern mit einem verhältnismässig kleinen Verdichtersektor oder, wenn man an die äusserste Grenze geht, überhaupt ohne einen solchen auskommen bei einem verhältnismässig grossen Turbinensektor. Um den verfügbaren Raum für die wirksamen Gase zu vergrössern, könnte man sogar in den letzten Rädern des Turbinensektors von Rad zu Rad oder von Rädergruppe zu Rädergruppe eine Ver- änderung der der Turbine zugeführten Menge der Luft oder der kalten verbrannten Gase vorsehen, indem man jedem Rad oder jeder Rädergruppe einen weiteren Teil der vom gewöhnlichen Verdichter kommenden Luft oder Gase zuleitet.
In den ersten Rädern, die einer starken Abkühlung bedürfen und in denen die Gase und die Luft nur ein geringes spezifisches Volumen einnehmen, könnte man den Ver-
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Schaufelfüsse, beispielsweise durch eine Verdickung des Fusses rechts und links, das Einsetzen besonderer seitlicher Zwischenstücke wegfallen. Dass im übrigen die sämtlichen Radschaufeln ohne Kopfringe bleiben, ist bereits aus der Beschreibung hervorgegangen.
Es sind ohne weiteres auch alle möglichen Verbindungen der verschiedenen Anwendungen des Verfahrens gemäss der Erfindung unter sich denkbar. Es kann aber darauf verzichtet werden, alle möglichen Kombinationen anzugeben, nachdem einige der wichtigsten beispielsweise bezeichnet worden sind.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Kühlung von Verbrennungsturbinen mit durch gasförmige Kühlmittel gekühlten Rädern und Schaufeln unter Verwertung der bei der Durchführung der gasförmigen Kühlmittel entstehenden Druckerhöhung für den Arbeitsgang der Turbine, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine partiell beaufschlagt und im nicht beaufschlagten Teil als Verdichter arbeitet.