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Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Austrittsmenge eines Turbinenkompressors.
Die Erfindung bezieht sich auf Kompressoren der Turbinentype, bei denen die eintretende Luft oder ein anderes elastisches Mittel vom Einlass gegen den Auslass durch eine Anzahl von mit grosser Geschwindigkeit sich drehenden Schaufelrädern oder Schaufelringen getrieben wird. und bezweckt, die Leistung solcher Kompressoren wirtschaftlich unabhängig von deren schwindigkeit, die entweder gleichbleibend oder innerhalb gewisser Grenzen veränderlich sein kann, ändern zu können. Bei Kompressoren der erwähnten Art ist es oft von grosser Wichtigkeit. den Druck und den Rauminhalt der verdichteten Luft oder anderer gelieferter Gase bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Nutzleistung des Kompressors ändern zu können. Wenn z.
B. der Kompressor einen Teil einer Turbinenanlage mit innerer Verbrennung jener Art bildet, bei der eine Turbine durch heisse Gase getrieben wird, die aus einer Verbrennungskammer zugelassen werden, in die Luft unter Druck durch den Turbinenkompressor eingeführt wird, wobei dieser mit derselben Geschwindigkeit wie die Turbine läuft, so ist es zur wirtschaftlichen Beherrschung und Regelung einer solchen Anlage sehr wichtig, den Druck und den Rauminhalt der in die Ver-
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so hoch als möglich aufrecht zu erhalten.
Die gewöhnlich zum wirtschaftlichen Ändern der Austrittsmenge von Kompressoren mit hin und her geltenden Kolben verwendeten Arten, wie das Offenhalten der Einlass-oder Auslass-
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verwendbar, während andererseits bei dieser Kompressorellart der Auslassdruck und der Rauminhalt derart voneinander abhängig sind, dass (die anderen Bedingungen als gleichbleibend an- genommen) bei Verminderung des Druckes der Rauminhalt vergrössert wird und bei Vermehrung des Druckes der Rauminhalt abnimmt, hingegen die Gesamtleistung innerhalb gewisser Grenzen nahezu unverändert bleibt.
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ansaugt, von denen das eine kalt oder von Aussentemperatur und das andere heiss oder von einer 'beträchtlich höheren Temperatur als die Aussenluft ist, während beide Quellen durch ein oder mehrere Ventile oder Klappen regelbar sind, mittels deren die bezüglichen Verhältnisse der kalten und heissen Mittel und demzufolge die Temperatur des sich ergebenden. In den Kompressor ein- zulassenden Gemisches nach Belieben geändert werden können.
Die heisse Luft oder deren Ersatz kann irgend einer geeigneten Quelle entnommen werden, ('8 kiinnell z. B. die Auspuffgase einer Turbine mit innerer Verbrennung, wie hier erwähnt, oder irgend eines industriellen Prozesses herangezogen werden oder es kann kalte Luft in der Weise erhitzt werden, dass sie durch eine oder mehrere Rohre, Durchgänge oder Kammern, die durch @solche Auspuffgase erhitzt werden, geleitet wird. Im letzteren Falle kann das die Luftzufuhr regelnde Ventil in Beziehung zum Einlass der kalten Luft einer solchen Heizanordnung so an-
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Wenn nur kalte Luft oder ein anderes elastisches Mittel (nachfolgend kurz Kaltluft genannt) zugelassen wird, so wird der Kompressor seine Höchstleistung für die besondere Geschwindigkeit, mit der er läuft, geben. Wird h ngegen heisse Luft oder ein anderes elastisches Mittel (nachfolgend kurz Heissluft genannt) in nach und nach zunehmender Menge in den Kompressor mittels des oder der Ventile oder Klappen geleitet, so wird die Leistung des Kompressors vermindert, nicht allein wegen der geringeren Dichte der Heissluft, sondern auch deshalb, weil der durch die sich drehenden Schaufeln hervorgebrachte Druck, der von jener Dichte abhängt, vermindert wird.
Die durch die Steigerung der Temperatur der den Kompressor speisenden Luft verursachte Ge- samtverminderung der Leistung des Kompressors ist daher viel grösser, als sie es durch den gleichen Ersatz von Heissluft in einen Kolbenkompressor wäre, während, da die Reibungsverluste da, Mittels mindestens nicht grösser sind als mit Kaltluft, die Kompressionswirkung ordnungsgemäss aufrecht erhalten bleibt.
Der Betrag, um den eine derartige Verminderung der Leistung eintreten wird, hängt bis zu einem gewissen Grade von der Bauart des Turbinenkompressors ab, aber unter gewöhnlichen Bedingungen wird eine Zunahme der Einlasstemperatur von z. B. 200 C über der Aussentemperatur die mit kalter Luft erhaltene Leistung bei gleichbleibender Geschwindigkeit um ungefähr 35 Prozent vermindern. Unter einem solchen Prozentsatz ist die Kompressionswirkung gewöhnlich von wenig Wichtigkeit.
Die Temperatur der eintretenden Luft kann erforderlichenfalls ur-ein viel grösseres Mass erhöht werden, denn Turbinenkompressoren haben keine inneren Reibungsflächen und sind daher bekanntlich besser geeignet für hohe Temperaturen als Kolben kompressoren.
Der Kompressor kann auch mit einem Wassermantel versehen sein, um in üblicher Weise ein Überhitzen der Teile zu verhindern und ausserdem zur Wirtschaftlichkeit durch eine nahezu iso thermische Kompression beizutragen.
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In der Zeichnung stellt Fig. l teilweise in Seitenansicht und teilweise im Schnitt einen Luftkompressor der Turbinenart mit Mitteln zum Einlassen regelbarer Mengen kalter und heisser
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Beherrschung der Speisung des Kompressors mit kalter und heisser Luft. Fig. 3 zeigt teilweise in Seitenansicht und teilweise im Schnitt ein Ausführungsbeispiel eines Turbinenkompressors nach Fig. 1 als Teil einer Turbine mit innerer Verbrennung.
Fig. 4 zeigt die in Fig. 3 dargestellt)' Anlage mit einer Abänderung der zur Beherrschung der Kompressorventile dienenden Einrichtung.
Der in Fig. J dargestellte Luftkompressor a der Turbinentype besitzt einen Einlass bund einen Auslass c. Der Einlass b steht mit einem Rohr d in Verbindung, das unter rechten Winkeln
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Mass drehen kann, ohne weiter auf die Kaltluftzuleitung einzuwirken.
Das Ende d3 des Rohres d ist von gleichbleibendem Querschnitt und mit einer gewöhnlichen DrosselMappe I versehen. Die beiden Ventile e und f sind mit Armen g bzw. h versehen, die miteinander durch eine Stange i
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Bei dem in Fig.) gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Heisslufteinlassende < f des Rohres d an einen Lufterhitzer angeschlossen, der aus einem länglichen Gehäuse A'besteht, das von einer Anzahl enger Metallrohre m durchzogen und mit einem Einlass- und einem Auslassstutzen n bzw. o für von irgend emer gebräuchlichen Quelle kommende heisse Gase versehen ist, die das Gehäus
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Eines oder mehrere der aussen zu erhitzenden Rohre oder Leitungen können parallel mit einem oder mehreren nicht erhitzten Rohren oder Leitungen angeordnet sein und die Einlassenden beider Rohre oder Rohrsätze können mit einem gemeinsamen, durch eine einfache Klappe oder ein anderes Ventil geregelten Lufteinlassrohr verbunden sein, während die Auslassenden in freier Verbindung mit dem Einlass des Kompressors stehen.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung dieser Art. Hiebei sind die Enden d'und d3 des Lufteinlassrohres d mit den Auslassenden eines kalte Luft zuführenden Rohres q und eines Lufterhitzers k der in Fig. l ersichtlichen Art verbunden. Die Einlassenden des Rohres q und des Erhitzers k stehen mit einem gemeinsamen Luftzulassrohr s in Verbindung, das mit einem Klappenventil t versehen ist. Die Einlässe qu und kl für das Rohr q, den Erhitzer k und das Ventil t sind derart zueinander angeordnet, dass durch Änderung der Ventilstellung die bezüglichen Mengen kalter und heisser Luft, die dem Einlass b des Kompressors a zuströmen, nach Erfordernis geändert werden können.
In diesem Fall wird das Ventil t, weil es in dem Kaltluftzulassrohr s angeordnet ist, der Einwirkung der von dem Erhitzer kommenden heissen Luft nicht ausgesetzt sein, im Gegensatz zum Ventil/ der Fig. 1. Die Drosslung des Heissluftzuflusses kann, wie vorher beschrieben, bei s oder kl bp- wirkt werden.
Fig. 3 zeigt, wie ein mit Mitteln zur Zuführung kalter und heisser Luft versehener Luftkompressor in einer Anlage mit innerer Verbrennung der erwähnten Art verwendet werden kann.
Die Verbrennungskammer 1 der Anlage besitzt ein Einlassrohr 2 für brennbares Gas, ein Einlassrohr 3 für erhitzte Druckluft und eine Auslassdüse 4 zur Überleitung der heissen Verbrennungsgase unter Druck zu einer Gasturbine 5. Das Auspuffrohr 6 leitet die heissen Gase von der Turbine J zu der Feuerung 7 eines Regenerators 8, der mit metallenen, Luft erhitzenden Röhren 9 und einem Heissgasauslassrohr 10 versehen ist.
Das Ende d3 des Speiserohres d des Luftkompressor kann in diesem Falle seitlich an das Rohr 10 angeschlossen sein, so dass dem Luftkompressor ein Teil der heissen Auspuffgase statt heisser Luft entsprechend der Stellung des Ventiles/ent- weder allein oder zu dem vorher erklärten Zweck vereinigt mit in das Rohr d je nach der Stellung des Ventiles e eingelassener, kalter Luft zugeführt wird. Der Kompressor a wird unmittelbar von der Turbine J durch die Welle 11 angetrieben, die auch zum Antreiben irgend einer Maschine 12. z. B. eines elektrischen Generators, dient.
Das oder die den Zufluss von heisser und kalter Luft oder heisser Auspuffgase und kalter Luft zu dem Kompressor regelnden Ventile können entweder von Hand aus oder selbsttätig durch einen gebräuchlichen Regler der Zentrifugal-, Thermostatik-oder anderen Art mit oder ohne Hilfe einer Relaisanordnung, übereinstimmend mit dem Zweck, zu dem die Änderung der Leistung des Kompressors gefordert wird, betätigt werden. In den Fig. 1 und 2 ist die Ventil-
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Wird der Kompressor a in einer Turbinenanlage mit innerer Verbrennung, wie in Fig. 3 gezeigt. verwendet, so kann die Leistung des Kompressors durch einen Fliehkraftregler. der durch die Turbine getrieben wird und bestimmt ist, die Geschwindigkeit der Maschine unter verschiedenen Belastungen gleichmässig zu erhalten, oder durch einen Thermostaten, der die Temperatur der Gase unter einer veränderlichen Feuerungsspeisung gleichmässig erhalten kann, geregelt werden.
Im ersteren Falle kann ein von der Welle 11 getriebener Flieh kraft regler 15 die Stange i und die Ventile e und f durch eine gelenkige Hebelverbindung 16 verstellen. Im letzteren Falle kann ein Thermostat irgend einer gebräuchlichen Bauart in die Verbrennungskammer 1 reichen oder, wie in Fig. 4 dargestellt, in das Auspuffrohr 6 der Turbine 5, um darin den heissen Gasen ausgesetzt zu sein. Der erwähnte Thermostat sei z. B. von der Relaistype und auf die Ventilstange i und die Ventile e und f mittels einer passenden Einrichtung wirkend.
In Fig. 4 besteht der Thermostat aus einem Rohr 17, dessen eines Ende durch einen sich in das Auspuffrohr 6 erstreckenden Ballon 18 und dessen anderes Ende durch eine leichte, in ein Gehäuse 20 eingeschlossene Membrane 79 abgeschlossen ist, die sich in entgegengesetzten Richtungen, entsprechend den Druckänderungen der Luft oder eines anderen Mittels, mit dem das Rohr gefüllt ist, und die von den Änderungen der Temperatur der das Auspuffrohr durchströmenden heissen Gase abhängen.
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lasteten Winkelhebels 29 in Verbindung steht.
Die Anordnung ist derart getroffen, dass, wenn die Temperatur der Auspuffgase der Turbine in dem Auspuffrohr 6 über die gewöhnliche Temperatur infolge einer vermehrten Zufuhr von Brennstoff zur Verbrennungskammer oder aus
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sich ausdehnt und auf die Membrane 19 drückt, so dass das Nadelventil 24 geschlossen und dieDruckmittelzuleitung zum Relaiszylindor 21 unterbrochen wird.
Das in diesem enthaltene Druckmittel wird dann nach und nach durch das Ventil 26, das auf ein gebräuchliches Mass geöffnet ist, entweichen, wodurch der belastete Hebel 29 den'Kolben des Zylinders 21 nach links drückt und die Ventile e und Iso verstellt, dass der Zufluss von heissem Gas zum Kompressor abgeschnitten und der Luftzunuss vermehrt wird, so dass die Temperatur der heissen Gase in dem Auspuffrohr 6 schliesslich erniedrigt wird.
Umgekehrt wird, wenn die Luft in dem Rohr 17 durch Sinken der Temperatur der heissen Gase in dem Auspuffrohr 6 infolge einer verminderten Zufuhr von Brennstoff zur Verbrennungkammer gekühlt wird, die Membrane 19 gehoben und das Nadelventil lässt eine kleine Menge Druckmittel in den Zylinder 21 gelangen, die die Menge, die durch das Ventil 26 entweichen kann, etwas übersteigt, um den Kolben in dem Zylinder allmählich nach rechts zu bewegen und die Ventile e und I 80 zu verstellen, dass der Gesamtzufluss von verdichteter Luft vermindert wird. Das in den Relaiszylinder 21 fliessende Druckmittel ist natürlich so gedrosselt, dass die Wirkung des Kolbens in dem Zylinder träger oder schleppender ist, als jene der Membrane 19. Die Anordnung geht dadurch regelrecht.
Kompressoren, deren Leistung in der beschriebenen Art veränderbar ist, können auch für andere Zwecke als zur Speisung mit verdichteter Luft von Verbrennungskammern von Turbinenanlagen mit innerer Verbrennung verwendet werden, und die die Zufuhr von Luft zu solchen Kompressoren regelnden Mittel können mannigfaltig abgeändert werden.
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1. Verfahren zur Regelung der Austrittsmenge eines Turbinenkompressors unabhängig von seiner Geschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der dem Kompressor zugeführten Luft oder eines anderen elastischen Mittels in Übereinstimmung mit der ge-
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trittsmenge zu verringern ist, und vermindert wird, wenn die Austrittsmenge zu vermehren ist.