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Gasturbine
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Kühlwasser besitzt, wobei zwischen dem Düsenrad und dem Gehäuse ein Gleichdruckschaufelrad dazwi- schengeschaltet ist.
Vorteilhaft wird die Umfangsgeschwindigkeit, bezogen auf die Düsenebene, so gross gewählt, dass die jeweils beabsichtigte Luftverdichtung erzielt werden kann und die Geschwindigkeit mehr als 500 m/sec beträgt. Zur Verwertung der den ausströmenden gasförmigen Medien innewohnenden Energie kann in Fällen einer hohen Gasaustrittsgeschwindigkeit dem sogenannten Düsenrad noch ein Schaufelrad in Strömungsrichtung nachgeschaltet werden, wobei dieses einen Kranz von Gleichdruckschaufeln aufweist und der Gleichdruckschaufelkranz bei der Verwendung der Maschine als Turbine gegenüber dem Düsenrad Gegenläufigkeit, bei der Verwendung als Verdichter jedoch Gleichläufigkeit besitzt.
Zur Erreichung eines möglichst hohen Wirkungsgrades des Einspritzrohres für Kühlwasser im Verhältnis zum Brennstoffkanal soll die Länge des ersteren im Verhältnis zur Länge des zweiten so gewählt werden, dass eine Relation von 1 : 1 entsteht. Die Beaufschlagung der Gasturbine soll vorzugsweise so erfolgen, dass sich ein Verdichtungsverhältnis ergibt, dass bei der zulässigen maximalen Temperatur der Endpunkt des Kreisprozesses nahe dem Ausgangspunkt liegt und die Gase beim Austritt somit etwa Aussentemperatur haben. Durch entsprechende Festlegung der Länge und der Drehzahl des drehenden Stabes gleicher Festigkeitkanndas angenäherte isotherme Verdichtungsverhältnis mit 1 : 10 und das anschliessende adiabatische Verhältnis wieder mit 1 : 10 ausgelegt werden.
Durch die erfindungsgemäss vorgeschlagene Gasturbine erzielt man nicht nur ein verhältnismässig einfach gestaltetes Maschinenaggregat, sondern auch ein solches mit überraschend hohem Wirkungsgrad.
Dazukommt, wie bereits erwähnt, dass bei dieser Gasturbine der Hauptteil der mechanischen Energie wie bei einem Segner'schen Rad an der Welle eines sogenannten Düsenrades abgenommen wird.
Kehrt man den Kreisprozess um, dann läuft die Gasturbine als Kältemaschine oder Wärmepumpe, wobei jedoch die Brennkammer durch eine sinngemässe Kühlvorrichtung ersetzt und das Düsenrad angetrieben werden muss.
An Hand eines Ausführungsbeispieles wird gemäss den Fig. 1 - 3 der Erfindungsgegenstand näher er-
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zeigt im gleichen Massstab den Kreisprozess bei üblichen Gasturbinen. Fig. 3 zeigt im Querschnitt die erfindungsgemäss ausgebildete Gasturbine.
Der angestrebte Kreisprozess nach Fig. 1 besteht aus einer isothermen Verdichtung, ausgehend von 1 nach2, einer anschliessenden adiabatischen Verdichtung von 2 nach 3, einer isobaren Wärmezufuhr von 3 nach 4 und schliesslich einer adiabaten Entspannung bis auf Aussentemperatur bei 1. Die geleistete Arbeit entspricht der Fläche innerhalb der Linien 1-2-3-4-1. Die zugeführte Wärme entspricht der Fläche innerhalb der Linien 6-3-4-5-6. Liegt bei 4 die Temperatur bei zirka 820 C, so sind die mit sehr hoher Geschwindigkeit austretenden Gase relativ kalt und der thermische Wirkungsgrad des gezeichneten Prozesses liegt bei errechneten 63, 5%.
Beim heute üblichen Kreisprozess nach Fig. 2 hingegen liegt die Austrittstemperatur der Abgase bei Punkt 10 bei ungefähr 6000C und der thermische Wirkungsgrad beträgt dann lediglich 28, 5U ; 0. Die geleistete Arbeit entspricht der Fläche innerhalb der Linien 7-8-9-10-7. Die zugeführte Wärmeentsprichtindiesem Fall der Fläche innerhalb der Linien 12-7-8-9-10-11-12.
Bei der erfindungsgemässen Gasturbine nach Fig. 3 befindet sich im feststehenden Gehäuse 13 ein im Uhrzeigersinn umlaufendes Gleichdruckrad 14. Gegensinnig zu diesem rotiert der Stab gleicher Festigkeit 15 um die Hohlwelle 16, wobei an dieser der Hauptteil der Energie, nämlich mehr als 70%, abgenommen werden kann. Aus der Hohlwelle 16 fliesst die Lutt mit beispielsweise 1 ata dem Kanal 17 zu. Um nicht vertretbar hohe Umfangsgeschwindigkeiten zu vermeiden, ist es dabei zweckmässig, die Frischluft der Hohlwelle 16 bereits mit einer gewissen Vorverdichtung, z. B. 6 ata, zuzuführen. Durch die Fliehkraft wird die Luft stetig verdichtet, u. zw. zunächst verhältnismässig gering, da das spez. Gewicht noch niedrig ist. In diese sich verdichtende Luft wird aus der Bohrung 18 durch das mitdrehende Rohr 19 kaltes Wasser in den Kanal 17 eingespritzt.
Das Wasser besitzt im Rohr 19 durch die Rotation desselben einen hohen Druck und vernebelt in der Luft unmittelbar. Dadurch verläuft die Verdichtung der Luft zunächst statt adiabatisch nahezu rein isotherm, entsprechend der Linie 1 - 2 in Fig. 1. Nun wird in der Verengung 20 des Kanals 17 das am Rand entlanglaufende nicht verdampfte Wasser abgeschieden und durch das Abflussrohr 21 abgeleitet. Dieses Rohr muss einen solchenQuerschnitt aufweisen, dass sich ein ungestörter Wasserablauf ergibt,. anderseits aber wieder so gering bemessen sein, dass praktisch kein nennenswerter Luftaustritt stattfindet. Durch das ausfliessende Wasser wird infolge der gegebenen Rückstosswirkung ein geringer Schub gemäss dem Prinzip des Segner-Rades
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ausgeübt.
Die Wassermenge kann aber auch so bemessen werden, dass eine vollständige Verdampfung eintritt und kein Wasserablauf gegeben ist. In einem solchen Fall tritt eine Überlagerung zwischen Gas- und Dampfprozess ein, wodurch der Wirkungsgrad zusätzlich verbessert wird.
Im Raum 22 wirkt die Fliehkraft in verstärktem Ausmass auf die vorhandene Luft ein, da diese zunehmend verdichtet und ausserdem auch der Abstand von der Achse grösser wird. Beides führt bei grösserem Radius und hoher Umlaufgeschwindigkeit zu dem überraschenden Ergebnis, dass die Luft gegen das äussere Ende des Raumes 22 zu sehr hoch, z. B. bis zu 100 ata, verdichtet wird. Die Verdichtung in der Verengung 20 erfolgt somit fast genau adiabat, also entlang der Linie 2 - 3 der Fig. l, wenn kein Kühlwasser mehr zugeführt wird.
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Verdichtung der vorhandenen Luft sofort vernebelt wird und es zur Verbrennung kommt.
Diese Gleich- druckverbrennung erfolgt entlang der Linie 3 - 4 gemäss Fig. l, worauf sich die nahezu senkrechte adiabate Expansion entlang der Linie 4 - 1 gemäss Fig. l anschliesst. Die Gase haben nun relativ zur Düse 25 eine sehr hohe Geschwindigkeit von beispielsweise 1200 m/sec ; wenn allerdings das Düsenrad 15 mit 600 m/sec dreht, dann verbleibt nur noch eine absolute Geschwindigkeit von 600 m/sec. Rotiertder Gleichdruckschaufelkranz 14 mit 250 m/sec, so verlassen die Restgase nur noch mit 100 m/sec den Schaufelkranz.
Bei einer Geschwindigkeit von 300 m/sec des Gleichdruckschaufelkranzes 14 beträgt die Geschwindigkeit der Restgase Null und bei Wegfall des Schaufelkranzes ergibt sich eine Abgasgeschwindigkeit von 600 m/sec.
Es wird also bei der erfindungsgemässen Gasturbine im allgemeinen kein besonderer hitzebeständiger Werkstoff benötigt, ausgenommen die Teile der Brennkammer 23 und der Düsen 25. Diese Teile können aber ohne weiteres aus solchen Werkstoffen gefertigt werden, weil sich diese auf die kältere und gleichzeitig dimensionsstärkere Stabwand abstützen können. Da nun die heissen Brennkammern und Düsen in einem Stab gleicher Festigkeit genügend sicher gelagert werden können, auch wenn dieser Stab mit un-
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Temperatur des Düsenrades gehalten werden.
Bei Vornahme entsprechender Änderungen lässt sich die beschriebene Vorrichtung auch für andere Zwecke verwenden, z. B. für Expansion von Dampf, nämlich einer Niederdruckstufe einer Dampfturbine vorgeschaltet oder auch lediglich für die Luftverdichtung, als Kältemaschine, Wärmepumpe und für ähnliche Zwecke. Ist beispielsweise der Druck gemäss Fig. 3 im Raum 22 höher als im Raum 26 oder wird Wärmeenergie der Brennkammer 23 zugeführt, so läuft der Stab gleicher Festigkeit als Turbine. Bei niedrigerem Druck im Raum 22 gegenüber dem Raum 26 wirkt das Aggregat als Verdichter.
Die nach der Erfindung zur Anwendung gelangenden Umfangsgeschwindigkeiten liegen verhältnismässig hoch, jedochbedingen diese keine erhöhten Gefahrenmomente, weil zum Unterschied von Schaufelrädern kein Durchdrehen der Maschine zu befürchten ist. Das Segner-Rad hat nämlich an sich eine recht hohe Schnelläufigkeitsziffer, weil der Ausgangsdruck des Gases durch die Fliehkraft erhöht wird, u. zw. umso mehr, je schneller sich das Rad dreht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Als Stoss- und Rückdruckrad ausgebildete Gasturbine, bei der in einem mit einem Schaufelrad versehenen Gehäuse ein stabförmig ausgebildetes sich endseitig verjüngendes Düsenrad entsprechend dem Segner-Rad rotiert und der Hauptteil der mechanischen Energie an der Welle des Düsenrades abgenommen wird und dieses an seinen Enden lavalartige Düsen aufweist, denen Brennkammern vorgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenrad (15) als Stab gleicher Festigkeit ausgebildet ist und in diesem Düsenrad sich in radialer Richtung erstreckende und sich stetig verengende Verdichtungskanäle (17,22) angeordnet sind, die sich in umgelenkte Brennkammern (23) fortsetzen und mit nachfolgenden lavalartigen Düsen (25) enden und das Düsenrad (15) überdies noch Einspritzrohre (19)
für das Kühlwasser sowie Kanäle (24) für die Zufuhr von Wärmeenergie liefernden Brennstoffen und am Ende der Verdichtungskanäle (22) wegführende Wasserablaufrohre (21) für das noch nicht verdampfte oder fein vernebelte Kühlwasser besitzt, wobei zwischen dem Düsenrad (15) und dem Gehäuse (13) ein Gleichdruckschaufelrad (14) dazwischengeschaltet ist.