Verfahren zum Betrieb von Verbrennungsturbinen und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Erfindung erstreckt sich auf ein Ver fahren zum Betriebe von Verbrennungsturbi- nen, insbesondere Gasturbinen, bestehend aus Verbrennungskammer, Turbine, Verdichter und Wärmeaustauscher,zwecks Zurückgev.Ti.n.- nung der Abgaswärme,
bei denen die Ver brennung in der allseitig von einem Hohl mantel umgebenen, von verdichteter Luft umspülten Verbrennungskammer stattfindet. Die Luft wird zum Teil in die Verbrennungs kammer eingeleitet und dient hier zur Ver brennung des Brennstoffes, zum andern Teil wird sie im Hohlmantel zur Kühlung um die Verbrennungskammer herumgeführt und vor Eintritt in die Verbrennungsturbine mit den aus der Verbrennungskammer kommenden heissen Gasen in einem solchen Verhältnis gemischt,
dass eine für den Werkstoff der Kraftmaschine erträgliche Temperatur ent steht.
Bei den Verbrennungsturbinen dieser be kannten Art erfolgt die Verbrennung des Brennstoffes in einer langen, geschlossenen Flamme, der nur von aussen Luft für die Verbrennung zugeführt wird. Dabei tritt der Brennstoff gewöhnlich nur aus einem oder wenigen Rohren oder Zerstäubungsdüsen aus, je nachdem, ob es sich um gasförmigen oder flüssigen Brennstoff handelt. Bei andern Einrichtungen, die jedoch nicht die Merk male der obengenannten Maschinengattung haben, verbrennt der gasförmige Brennstoff auf einem Siebboden.
Auch hierbei ist der Nachteil vorhanden, da.ss sich eine lange, ge schlossene Flamme bildet, die eine grosse Verbrennungskammer erfordert und die wegen ihrer schlechten Regelbarkeit zu man cherlei Betriebsstörungen Anlass geben kann, wie z. B. Überhitzung einzelner Teile der Maschine, Verrussung der Maschine.
Bei an dern Einrichtungen, die ebenfalls nicht die Merkmale der obengenannten Maschinen gattung aufweisen, wird der grösste Teil der beim Arbeitsprozess insgesamt angewendeten Luftmenge in die Verbrennungskammer ein geleitet, so dass die Verbrennung mit grossem Luftüberschuss erfolgt. Damit sind weitere Nachteile, wie z. B. schlechtes Zünden bei der Inbetriebsetzung, Abreissen der Flamme infolge zu hoherLuftgeschwindigkeit, unvoll kommene Verbrennung infolge zu schneller Abkühlung der Flamme, verbunden.
Alle diese Mängel werden beseitigt, wenn erfindungsgemäss zur Verbrennung ein Bren ner mit vielfach unterteilter Flamme mit Erst- und Zweitluftausaugung, vorzugsweise als Bunsenbrenner ausgebildet, verwendet wird, dem aus dem umspülenden Luftstrom nur die zur Verbrennung erforderliche Luft menge zugeführt wird.
Durch Anwendung einer solchen Betriebsweise und unter Ver wendung eines Brenners der letztgenannten Art, der sich je nach Belastung die zur Ver brennung erforderliche Luft selbsttätig an saugt, kann erreicht werden, dass die Ver brennung mit einer kurzen, gut regelbaren Flamme erfolgt, die nur eine niedrige Ver brennungskammer erfordert.
Die Flamme kann weiterhin dadurch verkürzt werden, dass durch Anordnung eines Ringspaltes in Flammenhöhe Luft an die Flammenspitze herangeführt wird, und dass insgesamt nur die zur vollständigen Verbrennung erforder liche Luftmenge in die Verbrennungskammer eingeleitet wird, so dass die Verbrennung mit geringem Luftüberschuss und hoher Verbren nungstemperatur erfolgt.
Wenn bei der Arbeitsleistung ein geringes Druckverhältnis angewendet wird, werden zwangsläufig in der Maschine grosse Luft mengen in Bewegung gesetzt, die zur Küh lung der Verbrennungskammer benutzt wer den. Hierbei können auch bei kleinen Maschi- nenleistungen, wie sie bei Fahrzeugantrieben vorkommen, für die Ausführung brauchbare Abmessungen der Turbinen und Verdiehter- schaufeln erzielt werden, die sich andern falls wegen zu kleiner Grösse kaum herstel len lassen würden.
Wie Versuche ergeben haben, liegt der beste Nutzwirkungsgrad einer Verbrennungsturbine der vorliegenden Art bei Druckverhältnissen, die nur eine Tur binen- und nur eine Verdichterdruckstufe er fordern, so dass das Maschinenaggregat bei Hintereinander-Anordnung der beiden Räder auf einer gemeinsamen Welle sehr kurz wird.
Wenn auch die hier vorgeschlagenen Mit tel zur Erzielung einer kurzen Flamme bei Gasherden und Gasbadeöfen zum Teil be kannt sind, so bedeutet doch die Anwendung dieser Mittel auf eine Verbrennungsturbine nach Erfindung einen ganz besonderen Fort schritt im Verbrennungsturbinenbau, weil hierdurch erstmalig eine der wichtigsten Vor aussetzungen für die Ausführung einer Ver- brennungsturbine geschaffen wird,
die sich wegen ihrer kleinen Abmessungen überall anwenden lässt und insbesondere als Fahr zeugantriebsmaschine geeignet ist.
Durch die angewendeten Mittel wird auch das Gebiet der kleinen Maschinenleistungen für die Turbine erschlossen, das bisher nur der Kolbenmaschine vorbehalten war. Daher kommen auch hier alle Vorteile zur Geltung, die die Anwendung einer Turbine an Stelle einer Kolbenmaschine schon rein maschinen- technisch bietet, wie ruhiger Lauf ohne An wendung von Massenausgleich, geringe La gerdrücke, geringer Schmierölverbrauch, Er höhung der Schnelläufigkeit, geringer Mate rialaufwand pro Leistungseinheit. Hierzu kommen im vorliegenden Falle noch beson dere Vorteile, wie keine Wasserkühlung,
keine im heissen Gasstrom liegenden einge schliffenen Teile, nur einmalige Zündung, bei der Inbetriebsetzung, vor allem aber Ver wendung jedes beliebigen, gasförmigen, flüs sigen oder schmelzbaren festen Treibstoffes, wobei die Auswahl nicht wie bei den jetzigen Diesel- oder Ottomotoren durch die Zündwilligkeit oder Klopffestigkeit des Treib stoffes eingeschränkt ist.
Als Ausführungsbeispiel der Einrichtung gemäss der Erfindung ist in den Fig. 1, 2 und 2a eine Gasturbinenanlage schematisch dargestellt. An Hand derselben wird im fol genden auch das Verfahren gemäss der Er findung beispielsweise erläutert. Die Gas turbinenanlage besteht aus der Verbren nungskammer 1, der Turbine 2, die mit dem Kreiselverdichter 3 gekuppelt ist und dem Wärmeaustauscher 4.
Die Verbrennungs kammer 1g ist auf allen Seiten von einem Hohlmantel la umgeben, in dem bei 1b die gesamte vom Verdichter 3 angelieferte Luft eintritt. Ein geringer Teil dieser Luft strömt durch die Öffnungen 1c in die Verbrennungs kammer 1g ein, in dem sich ein aus zahl reichen Röhren bestehender Bunsenbrenner lm befindet, der zur Verbrennung eines gas förmigen Brennstoffes dient.
Das Frischgas wird dem Brenner mit Überdruck durch die Leitung 1d zugeführt und oberhalb der Brennermündungen durch einen elektrisch beheizten Glühring<B>11</B> einmalig bei Inbetrieb setzung gezündet. Ein besonderes Merkmal des Bunsenbrenners ist, dass die Öffnungen für Erstluft und Zweitluft im gleichen Raume liegen und also unter dem gleichen Druck stehen. Der grössere Teil der vom Ver dichter gelieferten Luft strömt im Hohlraum 1a um die Verbrennungskammer 1g herum zur Düse 1e.
Der aus der Düse 1e austretende Luft strahl erzeugt vor dem zentrisch zur Düse an geordneten, nach oben kegelig erweiterten Stutzen 1 f einen Unterdruck gegenüber dem Druck in der Verbrennungskammer 1g, so dass die Gase aus der Verbrennungskammer durch die Öffnungen<I>Ih</I> (Fug. 1a) hindurch herausgesaugt werden.
Durch diese Anord nung wird erreicht, dass der Druckverlust, der auf dem Strömungswege vom Eintritt in die Verbrennungskammer 1 bis zum Eintritt in die Turbine 2 auftritt, gering ist. Ferner wird durch die beschriebene Anordnung eine schnelle und innige Mischung der heissen Ver brennungsgase mit der zugesetzten Luft er zielt.
Die Verbrennungskammer 1g liegt von einem zweiten Hohlmantel 1i umgeben, im ersten Hohlmantel la angeordnet und auf der Austrittsseite der Verbrennungskammer mit dem äussern Kohlmantel la und in Flammen höhe durch den ringförmigen Spalt 1k mit der innern Verbrennungskammer 1g in Ver bindung steht. Durch diesen Hohlmantel strömt Luft den Verbrennungsgasen im Innern entgegen und vermischt sich unmittel bar über den Brennerflammen mit den Ver brennungsgasen.
Hierdurch wird eine wesent liche Beschleunigung der Nachverbrennlmg bewirkt, die oberhalb der grünen Kerne der Bunsenflammen vor sich geht, so dass die Flammenlänge kurz ist und die Verbren nungskammer klein gehalten werden kann. Ferner werden die heissen Verbrennungsgase schon vorgekühlt, so dass alle Wände der innern Verbrennungskammer auf verhältnis mässig niedriger Temperatur gehalten werden können. Ferner lässt sich die Zumischung von Luft in der Verbrennungskammer 1g so wählen, dass bei Inbetriebsetzung oder bei ge legentlichem Erlöschen der Flamme sich bei keiner Gaszufuhr eine explosive Gasmischung in der Verbrennungskammer bilden kann.
Das aus dem Brenner austretende Brenngas- bemisch ist nur unmittelbar über der Brenner- mü ndung zündfähig. Es können also alle Si- cherheitsmassnahmen zur Verhütung einer explosiven Zündung des Kammerinhaltes, wie z. B. Zündsicherungen oder starkwandige Ausführung der Kammer, fortfallen.
Die durch die starke Luftbeimischung auf eine Gastemperatur von beispielsweise 500 C gekühlten Verbrennungsgase treten in die Gasturbine 2 ein, wo sie arbeits leistend sich von beispielsweise 2-3 atü Überdruck bis auf nahezu Atmosphärendruck entspannen. Ein Teil der Turbinenleistung dient zum Antrieb des Kreiselverdichters 3, der auf einer Welle mit der Gasturbine 2 angeordnet ist. Ein anderer Teil der Lei stung wird nutzbar an der Kupplung 3a zum Antrieb einer andern Maschine, z, B. eines Stromerzeugers oder eines Fahrzeuges, abge geben.
Die entspannten Gase werden, bevor sie in die Atmosphäre austreten, durch einen Wärmeaustauscher 4 geleitet, wo sie im Ge genstrom den grössten Teil der verfügbaren Wärme an die vom Verdichter gelieferte ver dichtete Verbrennungsluft übertragen. Da durch wird ein grosser Teil der noch nicht in Arbeit umgesetzten Wärme wieder in den Arbeitsvorgang zurückgegeben. Um den Be trag der zurückgegebenen Wärme vermindert sich die in den Arbeitsvorgang in Form von Brennstoffenergie einzuführende Wärme menge, wodurch der wärmetechnische Wir kungsgrad des Arbeitsvorganges eine für die Wirtschaftlichkeit der Maschine erforderliche Höhe erreicht.