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Betriebsverfahren für Gasturbinen sowvie Gasturbine und mit dieser in Verbindung stehende Wärme- kraftanlage.
Es ist bekannt, dass der Wirkungsgrad von Gasturbinen ebenso wie der von Wärmekraftmaschinen in allgemeinen davon abhängig ist, in welchem Verhältnis der Druck des Treibmittels (Luft oder Verbrennungsgase) bei Erhitzen desselben höher ist als der Druck, bei welchem nach Beendigung des Arbeitsvorganges die Entziehung der Wärme stattfindet, d. h. bei welchem Druck das Treibmittel aus der Maschine austritt. Der Wirkungsgrad ist ferner auch davon abhängig, in welchem Verhältnis die Temperatur des Treibmittels während der Erhitzung steigt. Zufolge dieser Umstände hat man bei dem Bau von Gasturbinen mit gutem Wirkungsgrad mit ganz besonderen Schwierigkeiten zu rechnen. Durch die hohen Drücke und hohen Temperaturen wird das Material der Turbine auch unmittelbar sehr schädlich beansprucht.
Die Energie der zufolge hohen Druckes und hoher Temperatur mit sehr grosser Geschwin- digkeit strömenden heissen Gase kann mit gutem Wirkungsgrad nur in Turbinen nutzbar gemacht werden,
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und hoher Temperatur herrührenden Materialbeanspruchungen auch durch die Zentrifugalkraft gesteigert werden. Die Verminderung der Umlaufgeschwindigkeit der Turbine durch Anwendung von Druck und Geschwindigkeitsstufen hat den Nachteil, dass durch die in den Zwischenräumen der Schaufeln mit grosser Geschwindigkeit strömenden Gase den Schaufeln zufolge der Vergrösserung der Oberfläche derselben eine sehr grosse Wärmemenge abgegeben wird, die zum grössten Teil in Verlust gerät.
Es ist auch bekannt, dass die ausströmenden Gase einer Gasturbine zum Heizen eines Dampfkessel verwendet werden können und man den derart erzeugten Dampf zum Antrieb einer Dampfmaschine, z. B. Dampfturbine, verwendet, durch die der Luftkompressor der Gasturbine angetrieben wird. Es ist aber bisher unbekannt gewesen, dass es bei solchen Anlagen möglich ist, den Gesamtwirkungsgrad
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zu machen, und dass auf diese Weise die mit Dampfmaschinen zusammenarbeitenden Gasturbinen zur Vermeidung der vom hohen Druck herrührenden Nachteile geeignet gemacht werden können.
Eine solche Maschinengruppe ist in der Wirklichkeit eine Dampfmaschinenanlage, deren Leistung nicht unmittelbar, sondern durch Arbeitsübertragung mittels Druckluft ausgenutzt wird. Durch die Dampfmaschine wird der Kompressor angetrieben, von welchem die zusammengedrückte Luft in die Gasturbine gelangt und diese als sekundäre Kraftmaschine antreibt. Die Leistung derselben wird um so grösser, in je grösserem Verhältnis die Temperatur des übertragenden Mittels zwischen der Luftpumpe und Gasturbine steigt. Der Gesamtwirkungsgrad der ganzen Masehinengruppe ist demnach unmittelbar nicht von dem Arbeitsdruck der Gasturbine, sondern von dem Wirkungsgrad der Dampfmaschine und davon abhängig, in welchem Mass die Temperatur der vermittelnden Luft steigt.
Selbstredend kommt dabei auch der mechanische Wirkungsgrad der Luftpumpe und der Turbine in. Betracht.
Wenn man bei dem Bau einer solchen Maschinengruppe von der Temperatur ausgeht, welcher die Gasturbine widerstehen vermag, so ist rechnerisch die Luftmenge zu ermitteln, die auf diese Temperatur durch die Wärmemenge erhitzt werden kann, welche zum Betrieb der Dampfmaschine nötig ist. Nachher kann der Druck rechnerisch ermittelt werden, bei welchem die rechnerisch ermittelte Luftmenge die Leistung der Dampfmaschine übertragen kann. Es wäre nicht richtig, einen geringeren Druck anzuwenden, weil dann eine Luftmenge zur Arbeitsiibertragung nötig wäre, die grösser ist als die Luftmenge, welche in der Feuerung der Dampfmaschine auf die zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades erforderliche und in der Gasturbine noch zulässige Temperatur erhitzt werden kann.
Einen grösseren
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anlage nichet mehr verbessert werden kann, die Schwierigkeiten der Verwirklichung der Anlage aber gesteigert wurden. Bei den Berechnungen sind natürlich auch die Wärmemengen zu berücksichtigen, die einesteils in der Dampfmaschine in Arbeit umgewandelt und andernteils zufolge Ausstrahlung als Verlust erscheinen.
Der vorher festgestellte Zusammenhang ist auch für den Fall gültig, wenn die Dampfmaschine durch eine andere, jedoch solche Wärmekraftmaschine ersetzt wird, welche ebenfalls geeignet ist, derart verwendet zu werden, dass dieselbe und die Gasturbine zusammen eine gemeinsame Wärmequelle in der bereits beschriebenen Weise ausnutzen. Solche Maschinen sind z. B. Heissluftkolbenmaschinen. Heissluftturbinen, Gasturbinen und Dampfstrahlpumpen.
Die Erkenntnis, dass Gasturbinen, welche mit andern Wärmekraftmaschinen in der vorher be- schriebenen Weise zusammenarbeiten, auch für geringen Betriebsdruck mit gutem Wirkungsgrad gebaut werden können, ergab und vermehrte bedeutend die Möglichkeiten der praktischen Verwirklichung der Gasturbinen. Diese Erkenntnis führte auch zur Erfindung, die dem Wesen nach darin besteht, dass der Turbine Verbrennungsgase als Treibmittel bei atmosphärischem Druck zugeführt und dieselben nach Durchgang durch die Turbine bei Unterdruck, d. i. bei einem geringeren Druck als der Atmosphärendruck, abgeführt werden. Das Verfahren kann zweckmässig derart durchgeführt werden, dass der Turbine durch Verbrennung von Brennstoffen in einer Rostfeuerung hergestellte Verbrennungsgase als Treibmittel zugeführt werden.
An Stelle einer Rostfeuerung kann ein beliebiger Ofen verwendet werden. Als Quelle
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Zwecke dienenden Feuerung in Anspruch genommen werden. Es ist jedoch auch möglich, die Verbrennungsgase einer oder mehrerer Verbrennungskraftmaschinen nach Arbeitsleistung bzw. nach Expandierung und Abkühlung der Verbrennungs-bzw. Explosionsprodukte im nötigen Mass der Gasturbine zuzuführen.
Entsprechend dem Betriebsverfahren gemäss vorliegender Erfindung wird die Gasturbine derart gebaut, dass dieselbe mit einemEintrittsdruck, welcher mit dem Atmosphärendruck gleich ist, und mit einem Unterdruck, d. i. im Verhältnis zum Atmosphärendruck geringeren Druck, als Austrittsdruck arbeitet.
Die Gasturbine ist der Erfindung gemäss zur Ausnutzung der Energie von bei freiem Atmosphärendruek verbrennenden Brennstoffen oder bei diesem Druck der Turbine zugeführten Verbrennungsgase
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Feuerungen verwenden. Hiebei wird hinter der Turbine für die durch die Turbine durchgeströmten Gase ein Raum vorgesehen, in welchem ein geringerer Druck, als der Atmosphärendruek aufrechterhalten wird. In diesem Raum werden die Verbrennungsgase als Wärmequelle zur Erzeugung des Treibmittels der mit der Gasturbine zusammenarbeitenden Wärmekraftmaschine verwendet. Von diesem Raum werden die Brennprodukte durch eine Absaugmasehine, die durch die Wärmekraftmaschine angetrieben wird, in die freie Luft befördert.
Die Ermöglichung der Verwendung einer Feuerung in einem Raum, in welchem
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vorgesehen werden können, die die Verbrennung beliebiger, auch minderwertiger Brennstoffe gestatten.
Der Erfindung gemäss arbeitet die Gasturbine mit einer andern Wärmekraftmaschine zusammen, wobei die Gasturbine zufolge der Arbeitsübertragung durch Luftdruck als sekundäre Kraftmaschine wirkt.
Da die Temperaturgrenze, die das Material der Gasturbine verträgt, auch durch Verfeuerung mit grossem Luftüberschuss erzielt werden kann, ist es vorteilhaft, bei der Feuerung auch tatsächlich einen grossen Luftüberschuss zu verwenden, weil die Vergrösserung der Luftmenge eine Verringerung des Arbeitsdruckes und der Umlaufgeschwindigkeit der Gasturbine gestattet. Es wird aber hiedurch noch ein besonders bei der Verwendung von festen Brennmaterialien wichtiger Vorteil erzielt, welcher darin besteht, dass die Verbrennungsgase reiner erhalten werden, wobei sie für die Turbine in geringerem Mass schädlich sind.
Nachstehend werden einige Ausführungsspiele der Gasturbine gemäss der Erfindung bzw. der
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schrieben.
Fig. 1 veranschaulicht schematisch in senkrechtem Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel einer Kraftanlage gemäss vorliegender Erfindung, bei welcher die mit der Gasturbine zusammenarbeitende Wärmekraftmaschine aus einer Dampfstrahlsaugvorriehtung besteht.
Die Gasturbine 12, 13 mit senkrechter Welle ist oberhalb der durch dieselbe angetriebenen Maschine 15, z. B. Dynamomaschine, angeordnet. Zur Verbindung der beiden wird die Wellenkupplung 14 verwendet. Die Gasturbine erhält aus dem Feuerkasten 1 der nebenstehenden Kesselanlage 19 über die doppelwandige Rohrleitung 10 die Verbrennungsgase des am Rost 4 des Feuerkastens verbrennenden Brennmaterials. Der Raum zwischen den Mantelflächen 2 des Feuerkastens und den Wänden 3 des Kessels ist mit Wasser gefüllt. Dieser Zwischenraum steht mit dem Wasserraum des liegend angeordneten zylindrischen Rohrkessels 19 in unmittelbarer Verbindung. Der Feuerkasten 1 wird durch die Türöffnung 5 mit Brennmaterial beschickt.
Der Innenraum des Feuerkastens 1 steht durch die Öffnung des Rohr- stückes mit dem Einströmrohr 10 in Verbindung, das sich der Einströmkammer 11 des doppelwandigen
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Turbinengehäuses anschliesst. In dem Turbinengehäuse ist unterhalb des Laufrades 13 der Turbine der Leitschaufelkranz 12 angeordnet. Aus der Turbine werden die Verbrennungsgase durch die ebenfalls doppelwandige Ausströmkammer 16 abgeführt, die mit dem ebenfalls doppelwandigen Abführstutzen 18 in Verbindung steht. Durch die Zwischenräume des doppelwandigen Einströmrohres 10 und Ausström-
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der Wände Luft oder Wasser durchgeführt werden.
Bei Verwendung von Wasser kann das erwärmte
Wasser durch das Rohr 1'7 in den Kessel 19 geführt werden. Die Wasserräume der doppelwandigen Rohre und Kammern können miteinander und auch mit dem Wasserraum des Kessels über Öffnungen in den
Verbindungsflanschen in Verbindung stehen. Wird zur Kühlung Luft verwendet, so kann die erwärmte
Luft zweckmässig unter den Rost 4 geführt werden, wo die mit einer Tür 6 schliessbare Öffnung vorgesehen ist. Durch die Öffnung 6 kann die Asche und Schlacke abgeführt werden.
Die beiden Enden des liegend angeordneten zylindrischen Kessels 19 sind durch ebene Wände abgeschlossen, in die Rohre 20 in üblicher Weise eingewalzt sind. Der Kessel 19 und der durch die senkrechten Wände 29 bzw. 30 sowie durch Bodenplatte 36 und Deckplatte 52 gebildete, vollständig dichte
Kasten sind derart verfertigt, dass an den Stossstellen Luft nicht in den Kasten dringen kann. In dem
Kasten 29,30, 36, ? herrscht ein Unterdruck, d. h. ein geringerer Druck als der atmosphärische Druck, und können die Verbrennungsgase nur durch die Turbine über Rohr 18 und die Kesselrohre 20 in den
Kasten 29,30, 36, 52 gelangen.
Zwischen den Wänden 29 und 30 des dem Kessel 19 sich anschliessenden
Kastens 29,30, 36,52 sind LufterhitzenTohre 31 dicht eingesetzt, durch welche die Luft aus der Atmo- sphäre unter den Rost 4 gelangt. Die Verbrennungsgase strömen nach Verlassen der Kesselrohre 20 durch den Kanal 27, welcher durch die Deckplatte 41 oberhalb der oberen Reihe der Rohre M und durch die untere Fläche des zylindrischen Kessels 19 gebildet wird, über die Öffnung 28 in die Zwischenräume zwischen den Rohren 31, von wo dieselben über die Öffnung 34 der Bodenplatte 36 abgeführt werden.
Der im Kessel 19 erzeugte Dampf kann über das am Dampfsammler 21 angeordnete Ventil 22 durch die Rohrleitung 23 in die Kammer 24 geführt werden. Die Kammer 24 ist in dem an den Kessel 19 angeschlossenen Gaskasten 29, 30, 36,52 angeordnet. Mit der Kammer 24 stehen die Uberhitzerrohre 25 in Verbindung, die in die Kesselrohre 20 ragen und von dort zurückkehren, so dass das andere Ende derselben an die Dampfsammelkammer 26 angeschlossen werden kann, von welcher der überhitzte Dampf durch das Rohr 42 zur Blasdüse 45 der Dampfstrahlsaugvorrichtung geführt wird.
In dem Raum unterhalb der Bodenplatte 36 des Lufterhitzkastens 29,30, 36, 52 unterhalb des
Kessels 19 ist ein Wasservorwärmer angeordnet, welcher aus einem Rohrbündel 35 zwischen den Zylindern 33 und 31 besteht. Der geschlossene Raum, in welchem das Rohrbündel 35 angeordnet ist, wird ebenfalls durch dichte Wände geschlossen, damit in denselben Luft nicht eindringen kann. Auf diese Weise können durch den erwähnten Raum nur die Verbrennungsgase aus der Turbine durch die Rohre 20, Kanal 21, Öffnungen 28 und 34 durchströmen. Nachdem die Verbrennungsgase nach Abgabe der denselben entziehbaren Wärmemenge in solchem Mass abgekühlt zum Wasservorwärmer 37 gelangt sind, dass das Absaugen, d. h.
Abführen, derselben in die freie Luft aus dem Raum von geringerem Druck als der Atmosphärendruck durch eine genügend geringe Arbeit durchgeführt werden kann, so werden die Verbrennungsgase durch das Knierohr 38 und Rohr 43 in das Knierohr 44 der Dampfstrahlsaugvorrichtung geführt, aus welchem dieselben durch den aus der Blasdüse 45 ausströmenden Dampfstrahl durch die sich verjüngende und dann erweiternde Misch-und Druckdüse 46 bzw. 47 durch das Rohr 48 in den Rauchabzug 49 gefördert werden.
Das Rohr 48 mit Seitenstutzen steht durch das Verbindungsrohr 51 und das Rohr 9 nach Öffnen des Absperrschiebers 50 mit der Öffnung 7 in der Seitenwand des Feuerkastens 1 in Verbindung. Hiedurch können die Verbrennungsgase unmittelbar in das Abzugrohr 49 geführt werden, wenn bei Inbetriebsetzung der Maschine bzw. Anzünden des Brennstoffes im Kessel 19 ein genügend hoher Dampfdruck noch nicht herrscht. Zu diesem Zeitpunkt könnte durch die engen Zwischenräume der Schaufeln der Turbine nur ein geringer Teil der Verbrennungsgase durchströmen.
Zum Durchlassen der ganzen Menge der Verbrennungsgase reichen die Zwisehenräume zwischen den Schaufeln der Turbine nur dann aus, wenn durch die Dampfstrahlsaugvorrichtung in der Ausströmkammer 16 der Turbine ein geringerer Druck als der Atmosphärendruck erzeugt wurde und unter der Wirkung desselben die Gase in den Zwischen-
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des Betriebes ist der Absperrschieber 50 geschlossen.
Der Dampfkessel 19, Überhitzer 20, 25, Luftvorwärmer 31 und Wasservorwärmer 35 können nicht nur in der in Fig. 1 veranschaulichten, sondern auch in anderer Reihenfolge und auch die Turbine zwischen
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richtung zufolge der Steigerung der Spannung und durch die Wärmeabgabe des Dampfstrahles in geringem Mass (bei einer Druckverminderung von 0'3 Atmosphären 89 C) erwärmt werden, so kann zwischen der Druckdüse 47 der Dampfstrahlsaugvorrichtung und dem Rohr 48 auch ein Luft-oder Wasservorwärmer eingeschaltet werden.
Die allgemeine Wirkungsweise der vorher beschriebenen Anlage geht bereits aus obiger Beschreibung hervor, dieselbe ist nur noch damit zu ergänzen, dass von der Wärmemenge der vom Feuerkasten durch
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die Gasturbine in den Kessel strömenden Verbrennungsgase nach der Rückkehr die Wärmemenge fehlt, welche in der Gasturbine in Arbeit umgewandelt wurde.
Aus der Blasdüse 45 tritt der Dampfstrahl mit einer Geschwindigkeit aus, die von dem Druck im Dampfkessel 19 und dem Grad der Überhitzung abhängig ist, wobei der von dem Wirkungsgrad der Dampfstrahlsaugvorriehtung abhängige Teil der Bewegungsenergie des ausströmenden Dampfes als nützliche Saugleistung erhalten wird. Die Energie der in die Zwisehenräume der Schaufeln des Laufrades der Gasturbine einströmenden glühend heissen Verbrennungsgase steht in demselben Verhältnis zur Absaugarbeit wie die absolute Temperatur der Verbrennungsgase in der Turbine zur absoluten Temperatur derselben in der Dampfstrahlabsaugvorriehtung. Ohne besondere Kühlung des Laufrades und der Schaufel, somit im Falle einfacher Bauart derselben, ist in der Turbine eine Temperatur von 477 C, d. i. eine absolute Temperatur von 750 , zulässig.
Die Temperatur der Verbrennungsgase kann hiebei in der Absaug-
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schreitet der Wirkungsgrad der Anlage gemäss der Erfindung wesentlich das durch eine Dampfturbine erreichbare Ergebnis. Da ausgezeichnete, feuerfeste und nicht oxydierbare Legierungen zur Verfügung stehen, die auch bei hohen Temperaturen eine grosse Festigkeit besitzen, so bestehen keine nennenswerten
Hindernisse, Gasturbinen mit gutem Wirkungsgrad bauen zu können, wenn dabei die Erfindung zur
Anwendung gelangt. Sollten noch höhere Wirkungsgrade erwünscht sein, so kann man bei in an sieh bekannter Kühlung der Leit-und Laufradschaufeln bzw. Laufräder der Turbine höhere Temperaturen wählen als die vorher angegebenen.
Fig. 2 veranschaulicht schematisch eine solche Anlage gemäss der Erfindung, bei welcher eine Kondensationsdampfturbine mit einer Gasturbine zusammenarbeitet. Die Anwendung dieser Anlage wird an Stelle der Anordnung gemäss Fig. 1 in solchen Fällen begründet sein, wenn der Kessel mit Kon- densationswasser zu speisen ist und der Brennstoffverbrauch auch auf Kosten von Komplikationen der
Einrichtung herabzusetzen ist.
Das Brennmaterial fällt aus dem Schacht 11 auf den Kettenrost 72 unterhalb des Feuerkastens 73.
Die Verbrennungsgase werden durch die doppelwandige Rohrleitung 74 zur Turbine geführt. Auch der
Feuerkasten 73 ist doppelwandig ausgebildet. In den Raum zwischen den Wänden kann Wasser oder
Luft eingeführt werden. Die Einlassleitung 74 der Gasturbine schliesst sich der Einströmkammer 75 der
Gasturbine an, durch deren doppelwandigen Kanal die Verbrennungsgase zum Leitschaufelkranz 77 vor dem Laufradkranz'18 geführt werden.
Die Drehbewegung des Laufrades 78 der Gasturbine wird von der Welle 81 aus auf die anzutreibende
Maschine übertragen.
Die aus dem Laufrad 18 ausströmenden Verbrennungsgase gelangen in die Ausströmkammer 80 des Turbinengehäuses, aus welcher die doppelwandige Rohrleitung 79 dieselben in den geschlossenen
Raum des Kessels führt. Der Kesselraum wird durch Seitenwände dicht abgeschlossen, so dass in den- selben nur die Verbrennungsgase aus der Turbine gelangen können und der Zutritt von Luft verhindert ist. In diesem luftdicht verschlossenen Kesselraum sind die Dampfkammern 95 und 94 für überhitzten bzw. gesättigten Dampf, der obere zylindrische Kessel 8'1, der obere Wasservorwärmerkessel ZOO, der
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unteren Teil des Kessels angeordnet.
Der Zwischenraum zwischen den Doppelwänden des Einströmrohres 74, des Ausströmrohres'19, des Feuerkastens 73, des Turbinengehäuses 75, 76 sowie der Kammer 80 steht im Falle der Verwendung einer Wasserkühlung mit dem Wasserraum des Kessels in Verbindung. Werden die erwähnten Zwischenräume durch Luft gekühlt, so werden diese Räume durch eine Leitung mit dem Raum unter dem Rost 72 des Feuerkastens 73 verbunden.
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Absaugturbo-Exhaustor 113 abgesaugt, der durch die Dampfturbine 114 angetrieben wird. Die Absaugung erfolgt durch die Knierohre 106 und 112. An den Exhaustor 113 ist das T-Rohr 110 angeschlossen, mit welchem das Abzugrohr 111 in Verbindung steht.
Der Kranz 77 mit den Leitschaufeln und der Kranz 78 des Laufrades der Gasturbine wird derart bemessen, dass die Verbrennungsgase durch die Absaugmaschine 113 bei Erzeugung einer Druckvermin- dertlng von einigen Zehntel Atmosphären durchgesaugt werden.
Der überhitzte Dampf wird aus der Dampfsammelkammer 95 durch das Rohr 99 in die Dampfturbine 114 geführt. In die Dampfkammer 95 gelangt der Dampf aus dem oberen zylindrischen Kessel 87, der durch das am Oberteil desselben angeordnete Ventil 92, das Rohr 93, die Dampfkammer M des gesättigten Dampfes und die Überhitzerrohre 96,97 und 98 mit der Dampfkammer 95 in Verbindung steht. Die Rohrstränge 96, in welchen der Dampf nach abwärts strömt, liegen ohne Zwischenraum in einer Reihe dicht nebeneinander, so dass dieselben eine senkrechte Wand bilden, damit die aus dem
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sind, bevor dieselben zum Rohrbündel89 gelangen würden.
Die Rohrstränge 97, 98, in welchen der Dampf aufwärts strömt, sind in zwei besonderen getrennten Reihen angeordnet, wobei die Verbrennungsgase
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in Gegenstrom zum Dampf strömen. Die Rohre 10. 3 des Wasservorwärmers werden ebenfalls in Gegen- strom durch die Verbrennungsgase umspült. Das warme Wasser gelangt vom oberen Zylinder 100 durch das Rohr 101 in den Verdampfkessel87. Aus der Dampfturbine 114 strömt der Dampf durch das Rohr 115 in den Kondensator 116.
Unter dem Rost 72 unterhalb des Feuerkastens 73 strömt die Luft durch den U-förmigen Luft- vorwärmer 105, welcher durch die Verbrennungsgase in Gegenstrom erhitzt wird, wenn dieselben im
Raum der Wasserrohre 88 des Kessels nach oben und in den Raum des Wasservorwärmers 103 nach unten strömen. Die Luft tritt in den Luftvorwärmer 105 durch die Öffnung 104 ein, die bei dem unteren
Zylinder 102 des Wasservorwärmers vorgesehen ist. Die vorgewärmte Luft strömt dann durch den Kanal 91 unterhalb des unteren Zylinders 89 des Kessels und der Scheidewand 90 zur Öffnung 83, die in den Raum 82 unterhalb des Rostes 72 mündet.
Da beim Anzünden des Brennmaterials, wenn im Kessel noch kein Druck herrscht, die Verbren- nungsgase durch die schmalen Zwischenräume zwischen den Schaufeln des Lei-und Laufrades der Gas- turbine nur sehr schwer durchströmen können, so kann die Durchströmung der Verbrennungsgase von dem Feuerkasten 73 durch den Kessel durch das Rohr 84 erleichtert werden. Hiezu wird der Absperr- schieber 85 zwischen dem Kessel und dem Rohr 84 sowie der Absperrschieber 109 zwischen der Öffnung 107 und Rohr 110 geöffnet. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass die Verbrennungsgase durch die
Gasturbine und die Absaugmaschine 113 strömen, die noch nicht in Bewegung gesetzt wurde.
Die Wirkungsweise der Anlage ist schon aus obiger Beschreibung verständlich. Es wäre nur noch zu erwähnen, dass von der im Feuerkasten 7. 3 entwickelten Wärme eine solche Menge in der Gasturbine in Arbeit umgewandelt wird, mit welcher die Leistung der Gasturbine grösser ist als die Leistung der Absaugmaschine, und diese in Arbeit umgewandelte Wärmemenge gelangt nicht mehr in den Kessel zurück.
Die mit der Dampfturbine zusammenarbeitende Gasturbine kann vorteilhaft verwendet werden, wenn die Leistung derselben grösser ist als die Leistung der Dampfturbine. Diese Bedingungen können in der Weise erfüllt werden, dass man die Temperatur der in die Gasturbine einströmenden Brennprodukte in grösserem Mass steigert als das, mit dem der Verlust ausgeglichen werden könnte, den die Leistung der Dampfturbine zufolge der mit Turbokompressor und Gasturbine durchgeführten Luftdruckarbeits- übertragung erleidet.
Bei den beiden vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen sind Vorrichtungen zum Vorwärmen von Luft angeordnet. Die Wirkung dieser Massnahme besteht darin, dass bei der Feuerung mit vorgewärmter Luft die zur genügend guten Arbeitsweise der Masehinengruppe erwünschte Verbrennungstemperatur auch bei einem grösseren Luftüberschuss erzielt wird. Man kann ferner zufolge der Verwendung des Vorwärmers wegen der Steigerung der zur Arbeitsübertragung in Anspruch genommenen Luftmenge den Druck geringer wählen, wodurch die Schwierigkeiten der Verwirklichung der Erfindung geringer werden.
Die Möglichkeit der Verwirklichung des ersten Ausführungsbeispieles ist im Falle der Verwendung eines grossen Vorwärmers derart günstig, dass eine solche mit einer Dampfstrahlsaugvorrichtung zusammenarbeitende Gasturbine die einzig mögliche technische Lösung ist, die für ganz geringe Leistungen, sogar in den Abmessungen eines Kinderspielzeuges, verwirklicht werden kann.
Die einzelnen Maschinen der Anlage können auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel in anderer Reihenfolge, als in Fig. 2 veranschaulicht, angeordnet werden.
Fig. 3 stellt ein Ausführungsbeispiel der Abänderung einer Anlage gemäss der Erfindung schematisch dar, bei welcher eine Gasturbine mit einer Heissluftkolbenmaschine zusammenarbeitet.
Der Glühkopf 121 des Zylinders der Heissluftmaschine 140 ist in dem Feuerraum 120 angeordnet.
Vom Schwungrad 122 der Heissluftkraftmaschine 140 wird die Arbeit durch den Riemen 123 auf die Saugmaschine 124 übertragen. Als Saugmaschine ist ein Turboexhaustor veranschaulicht. An Stelle desselben kann auch eine Kolbenpumpe, deren Kolben sich zusammen mit dem Kolben der Heissluft- kraftmaschine bewegt, oder auch eine andere Kolbensaugmaschine oder eine Saugmaschine mit umlaufendem Kolben verwendet werden. Das Brennmaterial wird am Rost 131 des Feuerraumes 120 verbrannt und die Verbrennungsgase strömen durch das Rohr 125 in den Schaufelkranz des Laufrades der
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in den erwähnten Zwischenraum ein.
Das innere Rohr 127 schliesst sich über ein Kniestück am linken Ende des Vorwärmers an die Saugmaschine 124 an, aus welcher die abgekühlten Verbrennungsgase von Niederdruck auf atmosphärischen Druck verdichtet durch das Abzugrohr 134 in die freie Luft entweichen.
Die im Vorwärmer erhitzte Luft wird durch das Rohr 139 unter den Rost 131 geführt.
Vom oberen Teil des Feuerraumes oberhalb des Zylinderkopfes 121 der Heissluftmaschine führt das Rohr 136 in das Zusatzabzugrohr 138. Das Rohr 136 kann durch einen Absperrschieber 137 geschlossen bzw. geöffnet werden. Der Absperrschieber 137 wird vor dem Anlassen der Heissluftmaschine geöffnet, weil zu dieser Zeit die Saugmaschine 124 noch nicht in Betrieb ist und die Verbrennungsgase nicht in nötiger Weise durch dieselbe und durch die Gasturbine in den Abzug 134 strömen könnten.
Während
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des Betriebes ist der Schieber 137 geschlossen, wobei die Verbrennungsgase des im Verbrennungsraum 120 verbrennenden Brennmaterials nach Erhitzen des Zylinderkopfes 121 der Heissluftmaschine 110 in die Gasturbine 135 gelangen und aus dieser in den Vorwärmer 127 strömen, in welchem ein geringerer Druck als der Atmosphärendruck herrscht. Die niedrige Spannung wird durch die Saugmasehine 7. M aufrecht- erhalten, die durch die Heissluftkraftmaschine angetrieben wird.
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veranschaulichten Beispiel das Rohr 130 angeordnet ist. Durch das Rohr 130 wird die entweichende Wärme bzw. das die Wärme abführende Mittel, als welches Luft oder Wasser verwendet werden kann, in das Rohr 129 überführt, das den Luftvorwärmer 128 umgibt.
Derart wird auch diese Wärme der Heissluftmaschine zurückgewonnen. Dieselbe kann zusammen mit der durch die Rohre 128 und M9 zuge- führten Luft unter den Rost 131 geführt werden.
Der Zusammenhang zwischen den Leistungen der Heissluftkraftmasehine und Gasturbine ist derselbe wie der zwischen den Leistungen der Dampfturbine und Gasturbine bei der in Fig. 2 veranschau- lichten Anlage. Demnach ist auch hier die Leistung der Gasturbine der Maschinengruppe grösser als die Leistung der allein arbeitenden Heissluftkraftmaschine, wenn die Temperatur der Gase in der Gasturbine diejenige Temperatur, mit welcher dieselben aus dem Exhaustor entweichen, in dem Mass überschreitet, dass hiedurch die Verluste der mit dem Exhaustor und Turbine durchgeführten Luftdruck- Arbeitsübertragung gedeckt werden.
Diese Abänderung der Anlage gemäss der Erfindung kann vorteilhaft in Fällen verwendet werden, wo Wasser nicht zur Verfügung steht, welches bei den zwei ersten Ausführungen zur Dampfentwieklung nötig ist, Ferner in Fällen, wo die Bedienung von Dampfkesseln nicht wirtschaftlich wäre.
In gleichen Fällen kann auch die in Fig. 4 schematisch dargestellte Abänderung verwendet werden, bei welcher die mit der Gasturbine zusammenarbeitende Wärmekraftmaschine eine Heissluftturbine ist.
Die Heissluftturbine 164 sowie der zugehörige Luftverdiehtungs-Turbokompressor 162 und die Absaugmaschine 163 zum Absaugen der Verbrennungsgase sind auf gemeinsamer Welle angeordnet.
Die Gasturbine 157 liegt oberhalb der Feuerung und die Verbrennungsgase werden derselben durch das Rohr 158 zugeführt. Die Verbrennungsgase werden durch Verbrennung von Brennmaterial am Rost 152 hergestellt. Zwecks Kühlung des Einströmrohres 158 der Gasturbine kann dasselbe doppelwandig ausgebildet werden. In diesem Fall ist es zweckmässig, die zum Kühlen durchgeführte und hiedureh vorgewärmte Luft in den Raum 15, 3 unter dem Rost 152 zuzufiihren. Das Brennmaterial wird durch die Öffnung 151 in den Feuerraum gebracht. Das Abführrohr 159 der Gasturbine 7J7 führt die Verbrennungsgase in den Vorwärmer 160, 161 der Heissluftturbine.
Die durch den Turbokompressor 162 zusammengedrückte Luft gelangt durch das Vorwärmrohr 161 in den im Feuerraum angeordneten Lufterhitzer 166. in welchem die Luft auf die zum Betrieb der Heissluftturbine 164 nötige Temperatur erhitzt wird. Die aus der Gasturbine ausströmenden Verbrennungsgase strömen in den Raum 160 zwischen den ineinander angeordneten Rohren des Vorwärmers zu den durch die Heissluftturbine angetriebenen Turboexhaustor 76-3, durch welchen in dem erwähnten Raum ein geringerer Druck als der Atmosphärendruek erzeugt und aufrechterhalten wird.
Mit dem auf diese Weise erzeugten Druckgefälle arbeitet die Gasturbine 1. 57.
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An dieser Stelle kann die Temperatur der erhitzten Luft beiläufig dieselbe sein als die Temperatur der durch das Rohr 158 in die Gasturbine 157 einströmenden Verbrennungsgase. Die aus der Heissluftturbine ausströmende Luft von noch sehr hoher Temperatur wird durch das Rohr 168 in den Raum M. ? unter-
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von wenig Brennmaterial eine hohe Brenntemperatur und Verbrennung mit grossem Luftüberschuss ermöglicht werde.
Auf diese Weise kann nämlich erzielt werden, dass die Leistung der Wärmekraftanlage. die aus dem Turbokompressor 162, dem Vorwärmer 161, dem Lufterhitzer 166 und der Heissluftturbine 164 besteht, durch die aus dem Turboexhaustor 163 und der Gasturbine 157 bestehende Einrichtung zur Arbeitsübertragung mittels Druckluft bei Verwendung einer grossen Gasmenge und geringen Arbeitsdruckes verwendbar gemacht wird, u. zw. erhöht im Mass der Verhältniszahl der absoluten Temperaturen der Gasturbine und des Turboexhaustors.
Aus dem Turboexhaustor 168 gelangen die von geringerem Druck als der Atmosphärendruck auf Atmosphärendruck komprimierten Verbrennungsgase durch das Abzugrohr 167 in die freie Luft.
Zum Anlassen der Maschinengruppe kann Druckluft aus einem Behälter in die Heissluftturbine 164 ein gelassen werden. Es können aber auch andere Verfahren zum Anlassen verwendet werden. So z. B. kann der Turbokompressor 162 provisorisch durch eine andere Maschine angetrieben werden. In solchen Fällen ist es nicht nötig, die normale Umlaufgeschwindigkeit zu erreichen und demzufolge als Anlassmaschine eine Maschine mit geringerer Leistung verwendet werden kann. Zur Sicherung des nötigen Luftzuges beim Anzünden des Brennmaterials vor Anlassen der Maschine wird ein Zusatzabzugrohr 7J6 oberhalb des Feuerraumes angeordnet, in welches die Verbrennungsgase durch das Rohr 154 und den Absperrschieber 155 gelangen. Während des Betriebes wird der Absperrschieber 155 geschlossen.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Anordnung, bei welcher die Gasturbine und die mit dieser zusammenarbeitende Heissluftturbine auf gemeinsamer Welle angeordnet sind. Die Anordnung auf einer gemein-
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samen Welle ist auch in dem Falle möglich, wenn die Gasturbine mit einer Dampfturbine zusammenarbeitet.
Wenn die Gasturbine mit einer Heissluftturbine zusammenarbeitet, können die beiden Maschinen
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Turbinengehäuse, gemeinsame Leit- und Laufradkränze und ein gemeinsames Luftsaugmaschinengehäuse zu verwenden, wenn auch der Arbeitsdruck der Heissluftturbine negativ ist, d. h., wenn auch die Heissluftturbine in gleicher Weise wie die Gasturbine einströmende erwärmte Luft aus einem Raum von Atmosphärendruck erhält und diese in einen Raum strömt, in welchem ein geringerer Druck herrscht als der Atmosphärendruck. Aus diesem Raum wird nach hier stattgefundener Abkühlung die Luft durch einen Turbokompressor abgesaugt und in die freie Luft gedrückt. Diese Anordnung ist in Fig. 5 veranschaulich.
Das Brennmaterial wird am Rost 181 des Feuerungsraumes verbrannt. Die erzeugten Verbrennungsgase erhitzen die durch das Rohr 185 strömende Luft, die zum unteren Teile des Laufrades 190 der Turbine geführt wird. Die Verbrennungsgase selbst gelangen aus dem Feuerungsraum durch das höher angeordnete Rohr 189 zum oberen Teil des Laufrades 190 der Turbine. Die erhitzte Luft strömt aus dem im Feuerungsraum angeordneten Rohr 185 durch das unten liegende waagrechte Rohr 191 in die Turbine. Die Verbrennungsgase verlassen die Turbine durch das Rohr 188 und die Luft entweicht aus der Turbine durch das Rohr 192. Im Ausströmraum erzeugt der Turboexhaustor 196 eine Druckverminderung, unter deren Wirkung die in die Turbine einströmende heisse Luft und die Verbrennungsgase Arbeit leisten.
Die Luft strömt durch die Öffnung 186 in den Vorwärmer 180 und gelangt über denselben in den Überhitzer 185. Auf diese Weise wird durch die aus der Turbine ausströmenden Verbrennungsgase zuerst die über den Vorwärmer 180 strömende Luft vorgewärmt, die nachher durch die auf den Lufterhitzer 185 wirkenden Verbrennungsgase in stärkerem Mass erhitzt wird. Die aus der Turbine über das Rohr 192 austretende heisse Luft gelangt in einen zweiten Vorwärmer 193, in welchem das Vorwärmerohr 194 an-
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rohr 192 der Turbine hat somit eine Fortsetzung 193, welche das Rohr 194 umgibt, in welchem die Luft unter den Rost im Gegenstrom zu der aus der Turbine entweichenden Luft strömt und hiebei vorgewärmt, hingegen die aus der Turbine strömende Luft abgekühlt wird.
In dem Zwischenraum zwischen den Rohren 193 und 194 hat die Luft eine geringere Spannung als der Atmosphärendruck. Die aus der Turbine ausströmende Luft gelangt nach Abkühlung über das Rohr 195 zur Luftsaugmaschine 196, als welche gewöhnlich ein Turboexhaustor verwendet wird, jedoch auch eine andere Maschine verwendet werden
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einen dichten Ring 201 abgeschlossen, damit die Verbrennungsgase nur durch die Turbine zur Absaugmaschine gelangen, wenn die Maschine im Betrieb ist. Ist der Schieber 183 offen, so können die Verbrennungsgase bei der der Inbetriebsetzung vorangehenden Heizung über das Rohr 182 in den Zusatzabzug 184 abziehen. Diese Vorkehrung ist nötig, weil zu diesem Zeitpunkt der Widerstand in den Zwischenräumen der Schaufeln der Turbine die Anheizung erschweren würde.
Während des Betriebes aber, sobald die Absaugmaschine 196 in dem Turbinengehäuse 200 eine Druckverminderung von einigen Zehnteln Atmosphären erzeugt hat, steigt die Geschwindigkeit der über das Rohr 189 hinströmenden Verbrennungs- gase sowie die Geschwindigkeit der durch das Rohr ? M durchströmenden Luft und es wird auch nach Schliessen des Schiebers 183 ein genügend starker Zug aufrechterhalten.
Die Verbrennungsgase und auch die Luft werden durch die Absaugmaschine 196 durch das Rohr bzw. den Abzug 199 in die freie Luft gedrückt. Die Zufuhrrohre 195 und 198 können auch an eine gemeinsame Einströmkammer angeschlossen oder vor der Absaugmaschine vereinigt werden.
Das Gehäuse 200 der Turbine kann doppelwandig ausgebildet werden, und wenn durch den Zwischenraum Luft geführt wird, so kann dieselbe nach erfolgter Vorwärmung unter den Rost geführt werden.
Die Anlage unterscheidet sich in Hinsicht der Wirkungsweise von den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen nicht wesentlich.
Der Erfindung gemäss können nicht nur zwei, sondern auch mehrere Wärmekraftmaschinen miteinander zusammenarbeiten.
Der Betrieb der in Fig. 1 und 2 veranschaulichten Anlagen kann auch in der Weise abgeändert werden, dass zum Betrieb der Anlage die Brennprodukte von Verbrennungskraftmaschinen, Explosionsoder Dieselmotoren benutzt werden, wobei das Kühlwasser dieser Maschinen zur Speisung des Kessels verwendet werden kann. In diesem Fall wird die besondere Feuerung zur Herstellung der Verbrennung-
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einer Heissluftkolbenmaschine verwendet werden. Als zusammenarbeitende Wärmekraftmaschine ist eine Dampfstrahlpumpe angeordnet, ebenso wie bei der in Fig. l veranschaulichten Anlage.
Die Heissluftkolbenmaschine ist derart angeordnet, dass der geheizte Zylinderkopf in den Raum oberhalb des Rostes 211, in den Feuerungsraum, ragt. Vom Schwungrad,'U3 der Heissluftkolben- maschine kann die Arbeit der Heissluftmasehine allein oder zusammen mit der Arbeit der Gasturbine 218 abgenommen werden. Die in dem Zylinder der Heissluftmasehine erhitzte Luft oder deren KÜhlluft kann durch das Rohr 214 in den Raum 215 unter dem Rost 211 geführt werden, damit mit wenigerem Brennstoff und grösserem Luftüberschuss die zum Heizen des Zylinders 212 und die zum Betrieb der
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um bei der Gasturbine die Verwendung eines höheren Arbeitsdrucks zu vermeiden, durch welchen Schwierigkeiten verursacht würden.
Nachdem die Verbrennungsgase den Zylinder 212 erhitzt haben, gelangen dieselben durch das Rohr 216 in das Laufrad der Gasturbine 217, wodurch dasselbe um die Welle 218 in Drehung versetzt wird, wenn in dem Auslassrohr 219 der Turbine ein geringerer Druck herrscht
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schaulichten Weise durch eine Dampfstrahl-Saugvorrichtung erzielt, die aus einer 1\fischdüse 240, einer Druckdüse 241 und einer Blasdüse 239 besteht, aus welcher der im Kessel 222 erzeugte Dampf ausströmt, welcher durch die die Turbine verlassenden Verbrennungsgase erzeugt wird. Der Dampf gelangt aus dem Dampfsammler 223 des Kessels 222 durch das Ventil 224 und durch das Rohr 242 in die Absaugvorrichtung.
Die Verbrennungsgase strömen durch die in die Wände 226 und 227 des Kessels eingezogenen Heizrohre 225, durch die Wände 227, 228, geschlossene Kammer 229, durch den Kanal 231 zwischen dem Kessel 222 und dem unterhalb dem Kessel 222 angeordneten Vorwärmer 2, 32, durch die Heizrohre 235 zwischen den Wänden 236 und 231 und die Kammer 238 zur Saugvorriehtung. Der Innenraum des Wasservorwärmers 232 steht durch den Rohrstutzen 230 mit dem Innenraum des Kessels 222 in Verbindung. Auf der Kammer 229 ist ein Zusatzabzugrohr 243 angeordnet, welches mittels eines Schiebers 242 geöffnet oder geschlossen werden kann.
Der Feuerungsraum der Heissluftmaschine wird mit dem Ausström- raum 219 der Turbine durch das mit Schieber 221 versehene Rohr verbunden. Durch Öffnen der Schieber 221 und 242 kann beim Einzünden vor Anlassen der Maschine die Abführung der Verbrennungs- gase erleichtert werden, ebenso wie bei den übrigen vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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zwischen dem Kessel und Vorwärmer, ferner der Kasten 238 unter der Absaugvorrichtung sind vollständig dicht geschlossen, so dass zur Absaugvorrichtung die Luft bzw. Verbrennungsgase nur durch die Turbine gelangen können.
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den Heissluftmaschine nicht ausgenutzt wird, zwecks weiterer Ausnutzung zur Gänze in die mit der Dampfstrahl-Saugvorrichtung zusammenarbeitende Gasturbine gelangt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Betriebsverfahren für Gasturbinen, bei welchem als Treibmittel der Turbine Verbrennungsgase mit atmosphärischem Druck zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Teil der
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Turbine bei einem geringeren Druck als der Atmosphärendruck abgeführt werden.