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Verfahren zum Betriebe von Gasturbinen und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei den bisher bekannten Gasturbinen, die nach einem Gleichraum- (Verpuffungs-) Verfahren, wie z. B. die Holzwarth-Gasturbine, arbeiten, verlassen der Abgasrest und der zu seiner Verdrängung erforderliche Spülluftüberschuss die Brennkammern durch die gleichen Öffnungen (nämlich durch Düsenventil und Düse), durch welche auch der arbeitleistende Gasstrom auf das Rad geleitet wird. Da dieser Gasstrom aber unter bedeutend höherem Druck steht als die zur Spülung und Ladung dienende Luft, so beträgt die Zeitdauer der Beaufschlagung des Rades mit arbeitsleistendem Treibmittel (kurz : die Entladung) nur einen Bruchteil der Zeitdauer, die für die Entfernung des Abgasrestes und die neue Ladung (kurz : die Ladung) benötigt wird.
Die Abmessungen der Gasturbine sind daher im wesentlichen durch die Zeitdauer bedingt, die für die Ladung aufgewendet werden muss, und nicht durch die Zeitdauer, während welcher am Rade nutzbare Arbeit geleistet wird. An dieser Tatsache ändert sich wenig, wenn die Anzahl der Brennkammern erhöht wird, denn durch die häufiger Wiederholung der Entladungen wird wohl das Rad besser ausgenützt, die geringe zeitliche Ausnützung der Kammern, Ventile, Düsen usw. bleibt dagegen wegen des hiebei unveränderten Verhältnisses von Entladedauer zu Ladedauer die gleiche. Die Vielheit der Kammern bringt aber auch bauliche und betriebstechnische Schwierigkeiten mit sich, ohne dass sie die grossen Verluste des Rades, die durch die stossweise und häufig unterbrochene Beaufschlagung und Ventilation verursacht sind, vermindert.
Man hat nun auch schon vorgeschlagen, die Entfernung des Abgasrestes durch ein anderes Ventil erfolgen zu lassen und den Abgasrest zur Vermeidung besonderer Ventilation nicht auf das Rad zu leiten. Mit dieser Massnahme allein wird aber noch nicht die volle Ausnützung der Turbine ermöglicht.
Diese wird erst erreicht, wenn gemäss der Erfindung die Beaufschlagung des Rades zur Arbeitsleistung (kurz : Entladung) und die Verdrängung des Abgasrestes und Neuladung (kurz : Ladung) durch getrennte Öffnungen erfolgt, die so bemessen sind, dass die Zeitdauer der Entladung gleich gross ist, wie die Zeitdauer der Ladung, so dass durch das zeitlich versetzte Zusammenarbeiten von bereits je zwei Brennkammern eine dauernde Beaufschlagung des Rades mit arbeitleistendem Treibmittel möglich wird. Während also eine Kammer entladet, wird die andere Kammer durch eine besondere Öffnung (Auslassventil) vom Abgasrest entleert und die Kammer mit neuer Ladung gefüllt. Die Abmessungen der Ventile sind hiezu so zu treffen, dass die Ladung der einen Kammer gerade so lange dauert, wie die Entladung der anderen Kammer.
Nach Entladung der einen Kammer kann also sofort die Entladung der zweiten Kammer beginnen, so dass das Rad nahezu dauernd beaufschlagt bleibt. Durch die Verkürzung der Ladezeit auf Entladezeit, oder umgekehrt, durch Verlängerung der Entladezeit auf Ladezeit, wird entweder die Leistung der Turbine gegenüber der bisherigen Betriebsweise vergrössert, oder es werden für gleichbleibende Leistung die Abmessungen verringert.
Einen besonderen Vorteil bietet diese Betriebsweise dann, wenn man je zwei Kammern auf eine gemeinsame Düse arbeiten lässt, die Entladeventile (Düsenventile) der beiden Kammern also abwechselnd öffnen und schliessen und den Arbeitsgasstrom in die gleiche Düse entlassen. Bei zwei Kammern ist das Rad dann dauernd und an der gleichen Stelle beaufschlagt, und
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der ganze übrige, nicht beaufschlagte UUmfang des Rades kann durch einen Windschutz eng verschalt werden. Die Ventilationsverluste werden dadurch zu einem Minimum.
Die neue Betriebsweise wird am besten durch Gegenüberstellung der bisherigen und der neuen Betriebsweise veranschaulicht. Es bedeutet Fig. 1 das Druckzeitdiagramm eines Arbeitsspieles nach der bisherigen, Fig. 2 dasjenige nach der neuen Betriebsweise, u. zw. sind für den ersten Fall sechs Kammern, für den zweiten Fall zwei Kammern angenommen. Die Fig. 3 und 4 zeigen die Beaufschlagung des Rades bei diesen sechs, bzw. zwei Kammern.
Fig. 5 gibt schematisch die Anordnung der Kammern mit einer einzigen Düse für das neue Betriebsverfahren wieder.
Es sind in Fig. 1 A (Abszissen) die Zeiten und B (Ordinate) die Drücke. Das bei 1 entzündete Gemisch verpufft auf den Druck 2 ; nach einer kleinen Wartepause wird bei 3 das Düsenventil geöffnet und die hochgespannten Gase strömen durch die Düse auf das Rad ab, bis bei 4 der Gegendruck erreicht ist und nun das Ausschieben des Abgasrestes beginnt. Die Entleerung der Kammer von Abgasen und ihre Neufüllung geht etwa bis 5 ; dann schliesst das Düsenventil, durch weiteres Laden steigt der Druck bis auf 6, wo gezündet wird, und ein neues Spiel beginnt. Die ganze Spieldauer ist also C die Dauer, während welcher Arbeit geleistet wird, aber nur D, also nur etwa ein Viertel bis ein Fünftel des zu einem Spiel erforderlichen Zeitaufwandes.
Sind beispielsweise sechs Kammern vorhanden, so werden diese in ihren Arbeitsspielen so versetzt, dass die Verpuffungen in zeitlich gleichen Abständen erfolgen.
In der Fig. 1 sind die sechs Diagrammspitzen mit 7 bis 12 bezeichnet.
Fig. 2 stellt das Diagramm für eine Betriebsweise nach der vorliegenden Erfindung dar.
Es ist angenommen, dass die Spielzahl (also auch die Spielzeit) dieselbe sei wie in Fig. 1. Somit ist auch die Länge C dieselbe. Da aber erfindungsgemäss für die Ladung (Strecke 4-6) andere Öffnungen zur Verfügung stehen als für die Entladung (Strecke 3-4), und diese Öffnungen so bemessen sind, dass jede gewünschte Lade-und Entladedauer erreicht wird, so lassen sich die Diagrammverläufe von je zwei Kammern so gestalten und zusammensetzen, dass die Entladedauer D etwa 1/2 C ist, das Rad mit zwei Kammern also dauernd beaufschlagt wird. Die zugehörigen Beaufschlagungsbogen gehen aus Fig. 3 und 4 hervor, wobei für die Zweikammeranordnung eine gemeinsame, dauernd in Tätigkeit befindliche Düse, für die Sechskammeranordnung sechs je während einem Fünftel der Spielzeit tätige Düsen an- genommen sind.
Es tritt an Stelle der sechs kurzzeitig beaufschlagten Bogen des Rades von 300 ein solcher von 36 , der aber nun dauernd beaufschlagt ist. Die hiedurch erzielbaren betriebstechnischen wie konstruktiven Vorteile brauchen nicht nochmals hervorgehoben zu werden.
Die schematische Anordnung der Ventile einer Zweikammerturbine mit gemeinsamer
Düse geht aus Fig. 5 hervor. Es sind 14 und 15 die Brennkammern, 16 und 17 die Luft-
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wird das brennbare Gemisch entzündet und verpufft. Ist die Verbrennung in Kammer 14 beendigt, so öffnet das Düsenventil 21 und entlässt die hochgespannten Gase durch die Düse 22 auf das Rad 23. Gleichzeitig geht nach Schluss des Düsenventils 24 das Auspuffventil 25 auf, das den Ahgasrest der Kammer 15 z. B. nach einer Stelle tieferen Druckes leitet. Ist die Entladung der Kammer 14 beendigt, so schliessen die Ventile 21 und 25, und es beginnt die Entladung der Kammer 15, indem das Ventil 24 öffnet, während der Abgasrest der Kammer 14 durch das Auspuffventil 26 abfliesst usw.
An Stelle zweier Kammern können auch mehrere Kammern auf eine gemeinsame Düse arbeiten, wobei dann mehrere Kammern zueinander parallel geschaltet sind. Um dasselbe Rad herum können auch mehrere Düsen angebracht sein, wobei die angeschlossenen Kammern jedoch erfindungsgemäss so zu betreiben sind, dass stets je zwei Kammern eine dauernde Beaufschlagung des Rades herbeiführen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Betrieb von Gasturbinen, die nach einem Verpuffungsverfahren (wie z. B. die Holzwarth-Gasturbine) arbeiten. dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung des Rades zwecks Arbeitsleistung (kurz : Entladung) und die Verdrängung des Abgasrestes und Neuladung (kurz : Ladung) durch getrennte Öffnungen erfolgt, die so bemessen sind, dass die Zeitdauer der Entladung gleich gross ist wie die Zeitdauer der Ladung, so dass durch das zeitlich versetzte Zusammenarbeiten von bereits je zwei Brennkammern eine dauernde Beaufschlagung des Rades mit arbeitsleistendem Treibmittel möglich wird.