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Betriebsverfahren für Gasturbinen und Gasturbine zur Ausführung des Verfahrens.
Bei Gasturbinen, insbesondere bei den die Wärme bei gleichbleibendem Druck einführenden Gasturbinen, ist es bereits bekannt, zur Erhöhung des Wirkungsgrades Wärmeaustauscher zu verwenden, mit deren Hilfe der Wärmeinhalt der aus der Turbine ausströmenden entspannten Gase zu einer möglichst reichlichen Erwärmung der verdichteten Luft verwertet werden kann. Bei Verwendung von entsprechenden Wärmeaustauschern ist es in dieser Weise möglich, den erreichbaren Wirkungsgrad der Gasturbine auf 30-45 v. H. zu steigern.
Der hiezu erforderliche Wärmeaustauscher bildet jedoch einen sehr schweren Bestandteil der Anlage, so dass, falls die Anlage von leichter Bauart sein soll, also in erster Reihe im Falle der Anwendung auf Fahrzeuge, Flugzeuge, usw., Wärmeaustauscher in solcher Ausführung, dass die Zurückgewinnung der Wärme der entspannten Gase wirtschaftlich gesichert werden könnte, nicht zur Anwendung gelangen können.
Mit Hilfe des Betriebsverfahrens gemäss der Erfindung wird es ermöglicht, selbst ohne Anwendung von Wärmeaustauschern, also bei geringem Eigengewicht der Anlage, einen Gesamtwirkungsgrad 25-45 v. H. zu erreichen, wodurch die Gasturbine auch für die vorerwähnten Zwecke wirtschaftlich geeignet gemacht wird. Mit Rücksicht darauf, dass in diesen Fällen ausser dem guten Wirkungsgrad auch das geringe Eigengewicht eine wichtige Forderung ist, ist es sehr wesentlich, bei möglichst geringen
Abmessungen grosse Leistungen erreichen zu können, welche Bedingung durch das Betriebsverfahren gemäss Erfindung gleichfalls befriedigt wird.
Bei den mit gleichbleibendem Druck arbeitenden Gasturbinen war es im allgemeinen auch bis jetzt bekannt, den Brennstoff in einer vor dem Turbinenteil der Anlage angeordneten Brennkammer in vorverdichteter Luft bei gleichbleibendem Druck zu verbrennen und die entstandenen Brenngase in der Turbine bei Arbeitsleistung zu entspannen. Durch dieses Verfahren ergibt sich aber, wie dies aus dem Folgenden ersichtlich sein wird, einerseits kein so grosser thermischer Wirkungsgrad und wird anderseits, auf die Gewichtseinheit der die Turbine durchströmenden Luft bezogen, eine wesentlich niedrigere (spezifische) Leistung erhalten, als dies mit Hilfe des Verfahrens bzw. der Gasturbine gemäss Erfindung möglich ist.
Demzufolge muss bei dem älteren Verfahren zur Sicherung einer bestimmten Leistung in der Zeiteinheit eine grössere Gasmenge die Gasturbine durchströmen als im Falle der Gasturbine gemäss der Erfindung, und so werden auch die Abmessungen des Verdichters und der Turbine wesentlich grösser, wodurch natürlich auch das Eigengewicht vergrössert wird.
Die gemäss dem den Gegenstand der Erfindung bildenden Betriebsverfahren arbeitende Gasturbinenanlage besteht aus einem Verdichter, einer Turbine und einem hinter dem Verdichter angeordneten Feuerungs-oder Brennraum. Im Verdichter der Anlage wird die Luft bis zu einem vorteilhaft gewählten Druckwert verdichtet, danach wird in der verdichteten Luft bei gleichbleibendem Druck Verbrennung bewirkt bzw. wird in die verdichtete Luft Wärme eingeführt, welche Wärmezufuhr in einem Teile der Turbine während der Entspannung mit einer weiteren Wärmezufuhr begleitet wird, u. zw. am zweckmässigsten derart, dass dieser (erstere) Teil der Entspannung in praktischem Sinne isothermisch verlaufen soll ;
schliesslich wird die hierauf folgende Entspannung so fortgesetzt, dass der Verlauf derselben, u. zw. zweckmässig ohne jede weitere Wärmezufuhr, näher zur Adiabate als zur Isotherme fallen soll. Bei entsprechender Wahl der Drücke bzw. der Druckabfälle der einzelnen Ent- spannungsabschnitte kann der vorerwähnte gute Wirkungsgrad und die verhältnismässig grosse spezifische Leistung erreicht werden, ohne mit der in der Turbine auftretenden Höchsttemperatur höher als
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auf etwa 600-700 C (d. h. die mit Rücksicht auf die Baustoffe noch zulässige Grenze) gehen zu müssen. Bei Gasturbinen ist die zur Verdichtung der Luft erforderliche Arbeit im Vergleich zur im Turbinenteil erhältlichen Arbeit verhältnismässig sehr gross ; so muss z.
B. ein Anteil von etwa 65-80 v. H. der Gesamtleistung der Turbine zum Antrieb des Verdichters verwendet werden, so dass nur der übrigbleibende Teil der Leistung sich als Nutzarbeit ergibt. Demzufolge ist es sehr wesentlich, sowohl eine Turbine von gutem, mechanischem Wirkungsgrad als insbesondere einen Verdichter von gutem Wirkungsgrad zu verwenden, welche Maschinen ausserdem auch noch von geringen Abmessungen sein müssen. Sehr vorteilhafte bauliche Verhältnisse können erhalten werden, wenn in der Gasturbinenanlage gemäss der Erfindung ein axial durchströmter Verdichter und eine axial durchströmte Turbine angewendet werden, wobei der Verdichter zweckmässig auch noch mit zur Beseitigung der ungünstigen Wirkung der ermüdeten Grenzschicht geeigneten Bauteilen ausgerüstet werden kann.
Anstatt axial durchströmter Verdichter und Turbinen können jedoch auch andere mit gutem Wirkungsgrad arbeitende, z. B. radial durchströmte Maschinen angewendet werden.
Um die Erfindung leichter verständlich zu machen, ist in Fig. 1 das Druckvolumensehaubild des Betriebsverfahrens dargestellt. Fig. 2 zeigt das Sehaubild der erreichbaren thermischen Wirkungsgrade bzw. der spezifischen Arbeitsleistungen in Abhängigkeit der Verdichtungsdrücke und der rela- tiven Grösse der adiabatische Entspannung, u. zw. auf 6000 C Höchsttemperatur und auf Verdichterund Turbinenwirkungsgrade von 85 bzw. 90 v. H. bezogen. In Fig. 3 und 4 sind dieselben Schaulinien für Höchsttemperaturen von 600 bzw. 7000 C und dabei in gleicher Weise für einen Verdichterwirkungsgrad von 90v. H. und einen Turbinenwirkungsgrad von 95v. H. dargestellt.
In Fig. 5 und 6 sind Längsschnitte von Ausführungsbeispielen der zur Verwirklichung des Betriebsverfahrens geeigneten Turbinen ersichtlich. Fig. 7 ist der Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels des zur zweckentsprechenden Regelung der Gasturbine vorteilhaft zu verwendenden Zerstäubers. Fig. 8 und 9 stellen schematische Längsschnitte von solchen baulichen Anordnungen der Gasturbine dar, bei welchen hinter die Turbine gemäss der Erfindung noch eine besondere Niederdruckturbine geschaltet ist.
Im Schaubild der Fig. 1 sind die im Arbeitsvorgang auftretenden Drücke auf der Ordinatenachse und die spezifischen Gasvolume auf der Abszissenachse aufgetragen. Es bezeichnen Po, va und Ta die Anfangswerte des Druckes, des spezifischen Volumens bzw. der absoluten Temperatur des in den Verdichter eintretenden Gases ;
pi, Si und Tl sind die auf den Zustand des aus dem Verdichter austretenden Gases bezogenen entsprechenden Zustandsgrössen. Die Zustandsgrössen des in die Turbine nach vorheriger Wärmezufuhr eintretenden Gases sind Pl'V2 und T2, und diejenigen des Endzustandes der in der Turbine bei gleichbleibender Temperatur stattfindenden Entspannung sowie die des Zustandes des Austrittes aus der Turbine nach Entspannung ohne Wärmezufuhr sind p"v'"T, bzw.
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wendet wird, ist po kleiner als pg.'
Erfindungsgemäss wird die frisch eingeführte Luft adiabatisch auf den Druck Pl verdichtet ; darauffolgend erhöht sich die Temperatur des Arbeitsmittels zufolge der beim Druck Pl stattfindenden Wärmezufuhr bzw.
Verbrennung von Tl auf T2, welche die höchste Temperatur des Arbeitsvorganges ist. Das Arbeitsmittel tritt danach in die Turbine ein und entspannt sich bei weiterer Wärmezufuhr (bzw. bei Fortsetzung der Verbrennung oder bei Einführung und Verbrennung neuen Brennstoffs) isothermisch oder angenähert isothermisch bis zum Druck p,. Bei diesem letzteren Druck hört die Einführung von Wärme auf und wird die weitere Entspannung bis zum Austritt aus der Turbine praktisch adiabatiseh fortgesetzt.
Die Vorteile dieses Betriebsverfahrens im Vergleich zu den bisherigen Betriebsverfahren sind auf den zwei Kurvenseharen enthaltenden Fig. 2, 3 und 4 ersichtlich. In diesen Figuren ist als Ordinate das Verdichtungsverhältnis pipo und als Abszisse das aus dem der adiabatische Entspannung entsprechenden Druckabfall P2-PO und aus dem vollen Druckabfall pi-po gebildete Verhältnis gewählt worden. Die Abszisse ist also -'", d. h. die relative Grösse der adiabatische Entspannung.
In dieser Pi--Po Weise vertreten also in den Kurven der zwei Kurvenscharen die zum Abszissenwert 0 gehörigen Ordinaten die der isothermisehen Entspannung entsprechenden Werte, die zum Abszissenwert 1 gehörigen Ordinaten dagegen die zur Entspannung ohne isothermischen Teil gehörigen Werte. Die mit ununterbrochenen Linien ausgezogenen Kurven der einen Kurvenschar des Schaubildes enthalten Punkte von gleichen thermischen Wirkungsgraden, während durch die mit unterbrochenen Linien ausgezogenen Kurven der andern Kurvenschar diejenigen Punkte verbunden werden, welche gewissen konstanten Werten der auf die Gewichtseinheit der frisch eingeführten Luft bezogenen, in Wärmeeinheiten ausgedrückten Arbeitsleistung (spezifischen Arbeitsleistung) entsprechen. Bei von den gewählten Temperatur-bzw. Wirkungsgradwerten abweichenden Ausgangsgrössen (s.
Fig. 2 im Vergleich zu Fig. 3 und 4) sind die Kurven von ein wenig abweichender Gestalt, im sonstigen jedoch vom gleichen Verlauf.
Aus diesen Kurven ist ersichtlich, dass bei gewissen günstigen Verdichtungsverhältnissen, gemäss Fig. 2 ungefähr zwischen pj/po== 5 und/p, == 11, ein Wirkungsgrad, welcher etwas günstiger als 25 v. H. ist, auch durch den Arbeitsvorgang mit rein adiabatiseher Entspannung erreicht werden kann, die
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spezifische Arbeitsleistung schwankt jedoch nur zwischen 24-17 eallkg. Wenn hingegen nach einem Ent- spannungsabschnitt vongleichbleibender Temperatur die Entspannung bei völliger Einstellung der Wärme- zufuhr adiabatisch fortgesetzt wird, d. h. die Länge der adiabatische Entspannung im Vergleich zum bekannten Verfahren verkürzt wird, können wesentlich günstigere thermische Wirkungsgrade und spezifische Leistungen erhalten werden. Ist z.
B. das Druckverhältnis der Verdichtung pi/po = 15 und die relative Länge der adiabatische Entspannung 0-17, so ergibt sich der thermische Wirkungsgrad zu ' = 30'5 v. H. und die spezifische Arbeit zu 40 caljkg. Diese Grössen sind wesentlich günstiger als die beim bekannten Verfahren mit völlig adiabatische Entspannung erreichbaren Werte. Bei weiterer Verringerung der relativen Länge der adiabatische Entspannung, jedoch bei gleichbleibendem Verdichtungsverhältnis pi/po verschlechtert sich der Wirkungsgrad, hingegen wird die spezifische Leistung noch günstiger. Da die Zunahme der spezifischen Leistung die Abnahme des Eigengewichtes mit sich bringt, ist es aus diesem Gesichtspunkte vorteilhaft, verhältnismässig kurze adiabatische Entspannung zu nehmen.
Die kleinste zulässige Länge der adiabatische Entspannung wird dadurch bestimmt, dass die Verbrennung vor dem Austritt aus der Turbine mit Sicherheit beendet werden soll, da der nach dem
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Bei Verringerung des Verdichtungsverhältnisses nimmt der Wirkungsgrad unterhalb einer gewissen Grenze (ungefähr pj/pe = 4) schnell ab, es vermindert sich jedoch auch die spezifische Leistung.
Aus diesem Grunde lohnt es sich nicht, unter die vorerwähnte Grenze zu gehen, obwohl das niedrigere Druckverhältnis einfacheren Aufbau ermöglicht. Die Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses ist auch nur bis zu einer gewissen Grenze ratsam. Grosses Verdichtungsverhältnis macht nämlich den Aufbau kompliziert, erhöht die Anzahl der erforderlichen Stufen, obwohl von einem gewissen Grenzwert an die nämlichen Werte sowohl hinsichtlich des Wirkungsgrades als hinsichtlich der spezifischen Leistung selbst bei niedrigerem Verdichtungsverhältnis erreicht werden können. Deshalb, falls andere Gründe nicht dafür sprechen, lohnt es sich nicht, das Verdichtungsverhältnis hoch zu wählen. Diese Überlegungen gelten, obwohl mit abweichenden Zahlenwerten, auch bei den in Fig. 4 dargestellten Verhältnissen.
Im Falle rein adiabatische Entspannung ist hier die grösste spezifische Arbeitsleistung, welche
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Die adiabatische Entspannung kann bei niedrigem Verdichtungsverhältnis auch in diesen letzteren zwei Fällen länger sein und nimmt bei zunehmendem Verdichtungsverhältnis ab, da sowohl der Wirkungsgrad als auch die spezifische Leistung sich stark verschlechtern. Auf Grund der drei Schaubilder ist es deshalb zweckmässig, die relative Grösse der adiabatische Entspannung, d. h. den Wert ton pipo
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Das Verfahren gemäss der Erfindung stützt sich auf die Erkenntnis, betreffend die Vorteilhaftigkeit des behandelten Betriebsverfahrens. Im Sinne der vorigen Darlegungen wird beim Betriebsverfahren gemäss der Erfindung in das Arbeitsmittel nach vorheriger Verdichtung und vor dem Eintritt in die Turbine Wärme eingeführt ; darauffolgend wird die Wärmezufuhr nach Eintritt in die Turbine so fortgesetzt, dass die Entspannung zuerst bei gleichbleibender oder nahezu gleichbleibender Temperatur stattfinden soll, schliesslich wird dieser anfängliche Teil der Entspannung in einer Entspannung ohne Wärmezufuhr fortgesetzt.
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Aus den Kurven der Fig. 4 geht auch klar hervor, dass im Falle einer adiabatische Entspannung von der relativen Grösse von 0'4 der Wirkungsgrad von der Länge der adiabatische bzw. isothennisehen
Entspannung nahezu unabhängig ist. Aus diesem Grunde ist es zweckmässig, bei Regelung der Leistung der Gasturbine in der Weise vorzugehen, dass beim Erhalten der Höchsttemperatur auf einem nahezu unveränderlichen Wert die eingeführte Wärmemenge und demzufolge die Arbeitsleistung der Turbine durch Veränderung der Grösse des adiabatische Teiles geregelt wird. Es ist jedoch möglich, hievon abweichend auch so vorzugehen, dass bei Regelung die Höchsttemperatur, also auch die bei gleichbleibendem Druck eingeführte spezifische Wärmemenge geändert wird.
Soll vermieden werden, dass bei Leistungsverminderung die Temperatur übermässig abfällt, so kann man in der Weise vorgehen, dass mit der Verminderung der eingeführten Wärme die vom Verdichter geförderte Luftmenge durch Drosselung vermindert wird, was mit Hilfe eines vor dem Verdichter angebrachten einfachen Drossel- organs verwirklicht werden kann.
Gemäss Fig. 5, welche ein Ausführungsbeispiel der zur Verwirklichung des den Gegenstand der Erfindung bildenden Betriebsverfahrens dienenden Gasturbine zeigt, befindet sich im Verdichterbzw. Turbinengehäuse 1 der die Schaufeln 2 tragende Verdiehterläufer 3, welcher im dargestellten Ausführungsbeispiel samt dem die Turbinenschaufeln 4 tragenden Turbinenläufer 5 an der in den Lagern 25, 26 gelagerten gemeinsamen Turbinenwelle 6 aufgekeilt ist. Zwischen den Schaufelkränzen des Verdichterläufers sind die stehenden Sehaufelkränze 7 angeordnet, während die stehenden Turbinen- schaufelkränze 8 zwischen den sich drehenden Schaufelkränze der Turbine untergebracht sind. Hinter dem Verdichter befindet sich der Verbrennungsraum 9, in welchen die Wärme einführenden Brenner bzw. Zerstäuber 10-10'münden.
Zwischen den Schaufelkränzen der Turbine sind ferner auch die Wärme einführenden Brenner bzw. Zerstäuber 11, 12 eingebaut. Der Verbrennungsraum 9 wird beim dargestellten Ausführungsbeispiel durch den Innenraum der Verbrennungskammer 13 gebildet. In diesem Falle ist die Verbrennungskammer ein um die Turbinenwelle koaxial angeordneter, aus hitzebeständigem Stahl oder anderem hitzebeständigen Baustoff hergestellter Drehungskörper, dessen Wände-von einigen Stützstellen abgesehen-an der Wand des Turbinengehäuses nicht vollkommen aufliegen, sondern ist dazwischen der Spalt oder Kanal 14 vorgesehen. Das Innere der Brennkammer besitzt mit dem vom Verdichter zur Turbine führenden Strömungsraum 15 eine Verbindung herstellende Öffnung und ist mit den Lenkorganen 16 ausgerüstet, welche dem den Verdichter verlassenden Gasstrom gegenüberstehen.
Diese Lenkorgane sind am ganzen Umfang oder zweckmässig eventuell nur an gewissen Teilen des Umfanges verzahnungsmässig angebracht ; sie können aber eventuell auch völlig fortfallen.
Die Speisung der den Brennstoff einführenden Organe 10, 10', 11, 12 usw. wird durch die Pumpe 22 verrichtet. Wird verlangt, dass die Speisung frei von Pulsationen sein soll, so können zwischen der Pumpe und den den Brennstoff einführenden Organen Ausgleiehskessel 23 vorgesehen werden. Zwischen der Pumpe und den Brennstoff einführenden Organen wird mit Hilfe der Leitungen 24 eine Verbindung hergestellt. Die Anzahl und Anordnung der Wärme einführenden Brenner oder Zerstäuber ist in der Zeichnung nur schematisch angedeutet und kann hievon auch abweichend sein.
Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist die folgende : Im Falle der Drehung der Welle 6 saugt der Verdichter über die Einlassöffnungen 18 in der Pfeilrichtung 17 Luft an, welche er während der Strömung durch seine Schaufelkränze verdichtet. In den Verbrennungsraum 9 lassen die Wärme zuführenden Organe 10, 10'entweder heisse Brenngase oder unmittelbar den Brennstoff eintreten ; im Falle flüssigen Brennstoffs bewirken sie Zerstäubung, im Falle festen Brennstoffs lassen sie diesen nicht mittels Zerstäubung, sondern in anderer Weise in den Raum 9 eintreten, während im Falle gasartigen Brennstoffs der Brennstoff-eventuell bereits mit Luft vermischt-durch diese Organe einströmt. Dasselbe gilt auch für die Wärme einführenden Brenner bzw. Zerstäuber 11 und 12.
Zufolge der Wärmeeinführung wird die Temperatur der verdichteten Luft während der Verbrennung bei gleichbleibendem Druck zunehmen, worauf die Einströmung des Arbeitsmittels in den Turbinenteil ihren Anfang nimmt. In den Turbinenstufen entspannt sich das Gas stufenweise und verlässt die Turbine in der Pfeilrichtung 19 durch die Austrittsöffnung 20 hindurch.
Bestimmung und Wirkungsweise der in Fig. 5 ersichtlichen Brennkammer 13 ist die folgende : Die aus dem Verdichter austretende Luft befindet sich in starker Strömung und könnte, falls zwischen dem Verdichter und der Turbine kein Brennraum von hinreichender Grösse vorgesehen wäre, genügende Zeit zur Verbrennung des Brennstoffs in erforderlichem Masse nicht zur Verfügung stehen. Für die rasche Verbrennung des Brennstoffs muss jedoch um so mehr gesorgt werden, da die Temperatur der aus dem Verdichter austretenden Luft nicht in jedem Falle hoch ist ; bei einer Verdichtung von pj/po = 10 und bei einer Einlasstemperatur von 00 C beträgt die Temperatur nach der Verdichtung ungefähr 3000 C, bei welcher, z. B. im Falle von Gasölfeuerung, zur Entzündung des Brennstoffs bereits eine beträchtliche Zeit erforderlich ist.
Die sich an den Strömungsraum 15 anschliessende Öffnung der Kammer 9 wird vom Luftstrom berührt und bei der Ausführungsform, bei welcher die Lenkorgane 16 fehlen, wird das in der Brennkammer enthaltene Gas durch den Luftstrom infolge Reibung bzw. konvektiver Impulsübergabe in drehende Bewegung gesetzt, wobei die Konvektion bzw. die zufolge der Wirbelung entstehende Gasmischung das Eintreten einer gewissen Menge frischer Luft aus dem
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Luftstrom in die Brennkammer sichert.
Dasselbe wird auch mit Hilfe der Lenkorgane 16 erreicht, welche einen Teil des Luftstromes stellenweise in die Brennkammer lenken, wo durch die eintretende Frischluft eine heftige Wirbelung aufrechtgehalten wird ; dies wird bereits auch dadurch erreicht, dass die zur Turbine näherliegende Wand des Kammerkörpers 13 im Vergleich zum gegenüberliegenden (zum Verdichter näherliegenden) Wandteil desselben zur Hervorbringung eines die Wirbelung unterstützenden Gasstosses und zwecks Ablenkung zur Drehungsachse hin nach einwärts ein wenig verlängert wird. Durch entsprechende Wahl der Grösse der sich an den Luftstrom anschliessenden Öffnung bzw. durch entsprechende Gestaltung der Lenkorgane kann die Grösse des in die Brennkammer eintretenden Teiles des durch den Verdichter geförderten Luftstromes eingestellt werden.
Der Brennstoff wird mit Hilfe der Organe (im Falle flüssigen Brennstoffs mit Hilfe der Zerstäuber) 10, 10'in die Brennkammer eingeführt, wo die Verbrennung in dem Masse stattfindet, wie dies im Sinne der obigen Darlegungen erforderlich ist, wobei die Organe (Zerstäuber) 10, 10'so ausgebildet sind, dass sie die entsprechend Mischung des Brennstoffs bewirken können. Da die Verbrennung nur in einem Teile der eintretenden vollen Luftmenge stattfindet, wird in der Brennkammer im Vergleich zur durchschnittlichen Temperatur des Eintrittes in die Turbine eine beträchtlich höhere Temperatur entstehen, wodurch die Selbstzündung und der gewünschte Verlauf der Verbrennung vor dem Eintritt in die Turbine befriedigend gesichert werden kann. Ist z.
B. die Temperatur des aus dem Verdichter austretenden Gases 3000 C, die des in die Turbine eintretenden Gases hingegen-durchschnittlich-600'C, so beträgt die Temperaturerhöhung bei der bei gleichbleibendem Druck stattfindenden Verbrennung für die gesamte Gasmenge 300 C. Wird nun in die Brennkammer ein Drittel der aus dem Verdichter austretenden Frischluft eingelassen, so wird die Temperaturerhöhung in diesem Teil der Luft 3x300 = 9000 C und die in der Kammer herrschende Temperatur 12000 C betragen, bei welcher Temperatur die Entzündung und Verbrennung bereits sehr rasch vor sich geht.
Um einer übermässigen Erwärmung der Wände der Brennkammer vorzubeugen oder um eine demzufolge mögliche starke Erhitzung der Gehäusewand zu verhindern, ist es zweckmässig, einen Teil der aus dem Verdichter austretenden Luft durch den zwischen der Kammer und dem Gehäuse gelassenen Spalt bzw. Kanal strömen zu lassen. Zur Ablenkung der Luft in diesen Spalt dient das Lenkorgan 21, welches in den Luftstrom im erforderlichen Masse hineinragt und dem Spalt eine Strömung von entsprechender Stärke zuführt. Es ist aber möglich, die Wand des Brennraumes auch in anderer Weise, z. B. mit Hilfe von Isolierstoffen, und gegen Wärmestrahlung, z. B. mit Hilfe einer durch mehrere Luftspalte getrennten Scheidewand, zu isolieren, welche zwischen der Brennkammer und dem vor Hitze zu schützenden Bauteil anzubringen sind.
Aus der Brennkammer strömt eine der einströmenden Luftmenge entsprechende Menge heissen Gases aus, welche also mit dem übrigen Teil des Luftstromes noch vor dem Eintritt in die Turbine vermischt wird, um eine starke Erhitzung der Turbinenschaufeln an gewissen Stellen zu verhindern.
Für die gute Mischung der aus der Kammer ausströmenden heissen Gase mit dem übrigen Teil der Luft kann zweckmässig durch Freilassen eines entsprechenden Mischraumes oder eventuell dadurch gesorgt werden, dass eine besondere Misch- (Wirbel-) Kammer angewendet wird.
Wie hieraus ersichtlich ist, muss einerseits zwecks Sicherung der Zündung und der Verbrennung, anderseits zwecks geeigneter Ermässigung der Anfangstemperatur der Einströmung in die Turbine als sehr wichtig erachtet werden, dass der aus dem Verdichter in die Turbine übertretende Luftstrom in zwei Teile geteilt wird, von welchen zuerst nur in dem einen Teil Verbrennung stattfindet, während der andere Teil aus dem erörterten Grunde zur Zumischung nach dieser Verbrennung dient.
Die Wärmezufuhrorgane 11 und 12, welche selbstverständlich nicht nur in der zweiten und dritten Stufe, sondern an beliebigen Stellen und in beliebiger Anzahl angebracht werden können, dienen zwecks Verwirklichung der isothermischen oder angenähert isothermischen Entspannung zur weiteren Wärmezufuhr. Diese Organe sind jedoch nicht in jedem Falle erforderlich. Es ist auch möglich, die isothermische Entspannung so zu verwirklichen, dass Brennstoff nur in den Verbrennungsraum 9 eingeführt wird, u. zw. in der Weise, dass der flüssige Brennstoff in solcher Verteilung in die verdichtete Luft eingeführt wird (oder der Verbrennungsraum 9 wird so ausgebildet), dass die Verbrennung vor dem Eintritt in die Turbine nicht beendet wird, sondern bei Fortsetzung des Verbrennungsvorganges in der Turbine isothermische bzw. angenähert isothermische Entspannung bewirkt.
Zur Verwirklichung der Verbrennung bei isothermischer Entspannung ist die Weise, in welcher der Brennstoff eingeführt wird, ausserordentlich wichtig. Das Verhältnis der vor dem Eintritt in die Turbine zu verbrennenden und der in der Turbine selbst zu verbrennenden Brennstoffmengen kann durch die Vollkommenheit der Mischungbildung, bei flüssigen Brennstoffen durch das Mass der Zerstäubung, durch die Ausbildung und Abmessungen des Verbrennungsraumes, ferner auch davon abhängig geregelt werden, an welcher Stelle des Verbrennungsraumes der Brennstoff in die Luft eingeführt wird. Jeder Einfluss, der die Verbrennung verlangsamt, verlängert auch die Grösse des isothermischen Entspannungsabsehnittes.
In dieser Weise ist es zweckmässig, die Zerstäuber, darunter auch die in die Brennkammer speisenden Zerstäuber, so zu wählen bzw. so zu speisen, dass der Grad (Feinheit) der Zerstäubung derselben verschieden ist. Der fein zerstäubte Brennstoff wird schneller verbrennen als der grob zerstäubte und wird sich die Verbrennung je nach der Feinheit der Zerstäubung in grösserem oder kleinerem Masse in die Turbine hinüber-
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ziehen. Bei einem bestimmten Zerstäubungsgrad kann der Verlauf der Verbrennung auch durch die
Gestaltung der Brennkammer 9 bzw. durch die Menge des in dieselbe eingeführten Brennstoffs be- einflusst werden.
Insofern bei der Regelung der Gasturbine auch die Länge des isothermisehen Entspannungs- abschnittes geändert wird, ist es zweckmässig, von den vorerwähnten Faktoren mindestens einen zu ändern. Zu einem derartigen Zwecke dient der in Fig. 7 ersichtliche Bauteil, welcher einen Zerstäuber darstellt. Im Zerstäuberkörper 33 ist das dicht geführte Ventil 34 eingesetzt, welches je nach seiner
Lage mit Hilfe seines konisehen Endes 35 den in der konisehen Öffnung 36 freigelassenen Querschnitt regelt. Der Brennstoff tritt durch die Bohrungen 37 und 38 in den Zerstäuberkörper und von hier in den Speicherraum 39 hinein. Im Speieherraum 39 ist der Druck des Brennstoffs so hoch eingestellt, dass das Ventil 34 unter dem auf seine untere Fläche ausgeübten Druck gegen die Kraft der Feder 40 angehoben wird.
Die Vorspannung der Feder 40 wird durch Verstellung der mit Gewinde versehenen
Federstütze 41 in der Längsrichtung zufolge Verdrehung des Armes 42 geregelt. Da der Grad der Zer- stäubung des Brennstoffs vom Druck der Zerstäubung abhängt, kann durch Verdrehung des Armes 42 auch der Grad der Zerstäubung geregelt werden.
Wird der Brennstoff in die Brennkammer mit Hilfe mehrerer Zerstäuber eingeführt, so kann die
Regelung bei Verminderung der Leistung zweckmässig auf die Weise bewerkstelligt werden, dass zuerst die Speisung der mit gröberer Zerstäubung arbeitenden Zerstäuber vermindert wird. Findet dagegen
Brennstoffzufuhr ausser den in die Brennkammer speisenden Zerstäubern bzw. Wärme einführenden
Brennern auch mit Hilfe von zwischen den Stufen der Turbine angeordneten Zerstäubern oder Brennern statt, so wird bei einer Leistungsverminderung in erster Reihe die Speisung dieser letzteren vermindert.
Falls im Laufe der Regelung der Gasturbine die eingeführte Luft gedrosselt wird, so sind die Drosselorgane in der Eintrittsöffnung 18 oder noch vor dieser anzubringen.
Die in Fig. 5 dargestellte, aus axial durchströmte Verdichter und aus axial durehströmter Turbine bestehen Masehinengruppe ist zur Ausführung des den Gegenstand der Erfindung bildenden Betriebsverfahrens besonders geeignet, insofern sie bei kleinen Abmessungen, was mit geringem Eigengewicht gleichbedeutend ist, die Durchströmung sehr grosser Luftmengen ermöglicht. Diese Anordnung, besonders bei der Ausbildung, bei welcher zufolge der in den Schaufelkränzen stattfindenden Energieumformungen im wesentlichen nur die in die Umlaufsrichtung fallenden Komponenten der Gasgeschwindigkeit Änderungen unterliegen (bei welcher also die axial gerichtete Komponente sich zufolge der Energieumformungen nicht ändert), lässt sehr grosse Durchströmungsgeschwindigkeiten zu, ohne dass hiedurch beträchtliche Verluste verursacht wären.
Für eine solche Anordnung ist es kennzeichnend, dass der mittlere Durchmesser eines zwischen zwei benachbarten umlaufenden Schaufelkränzen angeordneten stehenden Schaufelkranzes wenigstens angenähert dem Mittelwert der mittleren Durchmesser dieser umlaufenden Schaufelkränze gleich ist. Ausserdem ist noch kennzeichnend, dass die einzelnen Schaufelkränze unmittelbar nebeneinander ohne zwischengelegt Scheidewände angeordnet sind.
Wird anstatt des in dieser Weise ausgebildeten Verdichters der übliche Zentrifugalverdichter mit den ausserhalb des Verdiehterläufers angebrachten Diffusoren und den sich hierauf anschliessenden Zurückführungskanälen angewendet, so kann einerseits wegen der ständigen Änderung der Strömungrichtung nur eine wesentlich geringere Durchströmungsgeschwindigkeit zugelassen werden, anderseits müssten wegen der ausserhalb des Läufers angebrachten Diffusoren die radialen Abmessungen des Gehäuses beträchtlich vergrössert werden. Die kleinsten Durchmesser können allerdings mit den auf Grund des vorhin erwähnten Prinzips arbeitenden Verdichtern und Turbinen erhalten werden.
Es ist vorteilhaft, beim Verdichter besonders zwecks Erreichung guter Wirkungsgrade und Leistungsfähigkeiten dafür zu sorgen, dass von den die Strömung seitlich führenden Oberflächen des Gehäuses bzw. des Läufers die zufolge der Reibung und Druckerhöhung abgebremste ermüdete Grenzschicht entfernt werde, da diese sonst die Entstehung der erwarteten Druckerhöhung verhindern könnte.
Zu diesem Zwecke dient die in Fig. 5 ersichtliche, an sich bekannte Ausbildung, bei welcher die ennüdete Grenzschicht von den in irgendeiner Stufe des Verdichters neben den Scheidewänden 27, 27'orge- sehenen Öffnungen über die Kanäle 29, 29'durch die Öffnungen 30, 30'zu Stellen niedrigeren Druckes des Verdichters zurückströmt, wo sie nach Eintritt in den Verdichtungsraum im Vergleich zu den hier herrschenden Verhältnissen über den normalen Energieinhalt verfügt und so die Entstehung der Druckerhöhung nicht hindert.
Mit Rücksicht darauf, dass der Wirkungsgrad der Turbine um so besser ist, bei je höherer Temperatur sie arbeitet, und ihre Abmessungen um so geringer sind, je grösser die Umlaufsgeschwindigkeit ist, ist auch die mechanische Beanspruchung des Läufers beträchtlich. Es ist deshalb zweckmässig, den Läufer inwendig zu kühlen. Dies kann gut verwirklicht werden, falls in das Innere des Läufers Luftstrom eingelassen wird, zu welchem Zwecke gemäss Fig. 5 einerseits die Öffnungen 31, 31'der die Läufer mit der Welle verbindenden Bauteile und anderseits die Öffnungen 32,32'der Lagerscheiben des Gehäuses dienen. Falls die Läufer scheibenförmig sind oder Kombinationen der scheiben-und trommelförmigen Ausführungsformen darstellen, müssen zum Durchlassen der Kühlluft auch an den Scheiben Öffnungen vorgesehen werden.
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Ausserdem ist es auch möglich, den Turbinenläufer mit Hilfe der aus dem Verdichter austretenden
Luft oder mit einem Teil derselben zu kühlen, welche Luftmenge erst nach Durchströmen des Innern des Turbinenläufers an dem Arbeitsvorgang der Turbine beteiligt wird. In gleicher Weise kann auch das äussere Gehäuse der Turbine mit verdichteter Luft gekühlt werden.
Diese letztere Art der Kühlung des Turbinenläufers ist in Fig. 6 ersichtlich, gemäss welcher die
Brennkammer 63 zwischen dem an der Welle 60 aufgekeilten Verdichterläufer 61 und dem gleichfalls an der Welle 60 aufgekeilten, aus Scheiben 62,62'.... zusammengesetzten Turbinenläufer eingebaut ist ; bei dieser Ausführung ist jedoch die Brennkammer nicht dicht zwischen die Läufer eingepasst, sondern so eingelegt, dass die stromführenden Luftspalte 65 und 66 gebildet werden. An den Scheiben des Turbinenläufers sind in der Nähe der Welle die Öffnungen 67, 67'..... vorgesehen, neben welchen Öffnungen an grösseren Durchmessern die Ringrippen 68, 68'ausgebildet sind. Diese Ringrippen der benachbarten Scheiben stossen entweder überhaupt nicht oder nur stellenweise aneinander, so dass zwischen ihnen Durchströmungsquerschnitte für die Luft frei bleiben.
An den äusseren Seiten der
Ringrippen an noch grösseren Durchmessern sind in den Scheiben weitere Durchstromungs- öffnungen 69, 69'... ausgebildet. An der dem Verdichter zugekehrten Seite der Brennkammer 63 gegenüber den aus dem Verdichter austretenden Luftstrom befindet sich die in diesen hineinragende
Lenkkante 70, welche den aus dem Verdichter austretenden Luftstrom in zwei Teile spaltet. Die Brennkammer ist im Gehäuseteil 71 mit Hilfe der Lenkorgane 72 befestigt, welche-wie dies bereits bei
Fig. 5 erwähnt wurde-an einzelnen Stellen des Umfanges der Brennkammer vorgesehen sind und zur
Einlenkung eines Teiles der Luft in die Brennkammer dienen. An der der Turbine zugekehrten Seite des Kammerkörpers schliesst sich die Ringrippe 73 desselben mit einem geringen Spalt an die erste
Scheibe des Turbinenläufers an.
Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist die folgende : Der aus dem Verdichter austretende Luftstrom strömt nach Aufspaltung durch die Lenkkante 70 in der Richtung der eingezeichneten Pfeile teils zur Brennkammer, teils aber entlang der Aussenfläche derselben durch den Kanal 65 in radialer Richtung nach einwärts zur Welle 60. Dieser Teil des Luftstromes bildet den Kühlstrom, welcher durch die in den Scheiben des Turbinenläufers vorgesehenen Öffnungen 67, 67'... in axialer Richtung in das Innere des Turbinenläufers tritt und durch die zwischen den Ringrippen 68, 68'... gelassenen Spalte oder Öffnungen entlang den Scheiben radial nach aussen strömt und dadurch die Oberfläche derselben wirksam kühlt.
Der Luftstrom kehrt durch die Scheibenbohrungen 69, 69'... in den zwischen dem Turbinenläufer und der Brennkammer freigelassenen Raum zurück und gelangt schliesslich durch den Kanal 66 bei gleichzeitiger Mischung mit dem übrigen Teil des strömenden Arbeitsmittels in die Turbine.
Das spezifische Volum des die Turbine durchströmenden Gases ist beim Eintritt in den Verdichter und im Niederdruckteil der Turbine am grössten. Um hauptsächlich an dieser letzteren Stelle übermässig grosse Schaufellängen vermeiden zu können, ist es zweckmässig, die Turbine in ihrem Niederdruckteil mit grösserem Durchmesser zu bauen. Damit ferner in diesem Falle sich keine übermässig grossen Umfangsgeschwindigkeiten ergeben, ist es zweckmässig, die Drehzahl dieses Teiles niedrig zu wählen. Eine derartige Bauart ist in Fig. 8 dargestellt. Wie hier ersichtlich ist, ist im Gehäuse 43 der Läufer 44 der aus Verdichter und Turbine bestehenden Maschinengruppe untergebracht, welcher Läufer mit Hilfe der Lager 47 und 47'an der Welle 46 des den Energieverbraucher (z. B. die Flugzeug-
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