Verfahren zum Betriebe einer Wärmekraftanlage, die für den Antrieb von Schiffen bestimmt ist.
EMI0001.0003
Die <SEP> Erfindung <SEP> betrifft <SEP> ein <SEP> Verfahren <SEP> zum
<tb> Le <SEP> trie <SEP> lae <SEP> einer <SEP> Wärmekraftanlage, <SEP> die <SEP> für <SEP> den
<tb> .lntriel> <SEP> voll <SEP> Schiffen <SEP> bestimmt <SEP> ist <SEP> und <SEP> in <SEP> der
<tb> lieh <SEP> die <SEP> zum <SEP> Antrieb <SEP> des <SEP> Schiffes <SEP> notwen Leistung <SEP> sowohl <SEP> in <SEP> einer <SEP> von <SEP> einem
<tb> indirekt <SEP> erhitzten <SEP> Arbeitsmittel <SEP> im <SEP> Kreislauf
<tb> @Im-ehlaufenen <SEP> Gruppe <SEP> als <SEP> auch <SEP> in <SEP> einer <SEP> min tlesti@ns <SEP> eine <SEP> Abgasturbine <SEP> aufweisenden, <SEP> zwei ien <SEP> Gruppe <SEP> erzeugen <SEP> lässt,
<SEP> wobei <SEP> diesen <SEP> zwei
<tb> @ <SEP> (;nippen <SEP> mindestens <SEP> eine <SEP> gemeinsame <SEP> Brenn 1>,;niiiler <SEP> zugeordnet <SEP> ist. <SEP> in <SEP> der <SEP> ein <SEP> höherer
<tb> i <SEP> @rnch <SEP> als <SEP> Atmosphärendruck <SEP> herrscht <SEP> und
<tb> deren <SEP> Feuergase. <SEP> in <SEP> die <SEP> genannte <SEP> Abgasturbine
<tb> r@@laii_en. <SEP> :welche <SEP> auch <SEP> einen <SEP> die <SEP> benötigte
<tb> Verbrennungsluft <SEP> in <SEP> die <SEP> Brennkammer <SEP> för t?ereden <SEP> Verdichter <SEP> treibt.
<tb> -Wird <SEP> das <SEP> indirekt <SEP> erhitzte, <SEP> einen <SEP> Kreis.
lalif <SEP> beschreibende <SEP> Arbeitsmittel <SEP> in <SEP> mindesten
<tb> einer <SEP> Turbine <SEP> entspannt, <SEP> und <SEP> erfolgt <SEP> dabei <SEP> die
<tb> Re,4eluitg <SEP> in <SEP> der <SEP> \reise, <SEP> dass <SEP> bei <SEP> unveränderter
<tb> I <SEP> )rebzahl <SEP> der <SEP> Turbine <SEP> und <SEP> eines <SEP> auf <SEP> das <SEP> Ar I;eitsmittel <SEP> einwirkenden <SEP> Verdichters <SEP> die
<tb> C',ichte <SEP> des <SEP> umlaufenden <SEP> Arbeitsmittels <SEP> durch
<tb> Entziehen <SEP> von <SEP> Arbeitsmittel <SEP> aus <SEP> dem <SEP> Kreis lauf <SEP> 1)z;v. <SEP> Einführen <SEP> von <SEP> Arbeitsmittel <SEP> in
<tb> densrlben <SEP> angenähert <SEP> proportional <SEP> zur <SEP> je-wei ii <SEP> .-rn <SEP> Leistungsabgabe <SEP> der <SEP> Turbine <SEP> -e - <SEP> äuss#
<tb> :@nde:t <SEP> wird, <SEP> so <SEP> lässt <SEP> sich <SEP> ein <SEP> wirtschaftliche:
<tb> 1 <SEP> aOrieb <SEP> erreichen. <SEP> Sowohl <SEP> die <SEP> Turbine <SEP> als <SEP> auch
<tb> i <SEP> der <SEP> @"erdichter <SEP> werden <SEP> nämlich <SEP> in <SEP> einem <SEP> sol chen <SEP> Falle <SEP> unter <SEP> neuen <SEP> BelastungsbedingUn ,;en <SEP> immer <SEP> bei <SEP> den <SEP> der <SEP> Berechnung <SEP> dieser <SEP> i1Ta schinen <SEP> zugrunde <SEP> gelegten <SEP> Verhältnissen
<tb> 'gleiche <SEP> Schaufelwinkel, <SEP> Geschwindigkeits- pläne und dergleichen) arbeiten, so dass der Wirkungsgrad, abgesehen von kleinen mecha nischen Verlusten, bis zu den kleinsten Be lastungen nur wenig absinkt.
Wärmekraftanlagen, -in denen in einer Brennkammer erzeugte Feuergase in einer Abgasturbine entspannt werden, sind von ver hältnismässig einfachem Aufbau, namentlich wenn auf eine Riickgewinnung der in den Austrittsgasen der Abgasturbine enthaltenen 'NZrärme verzichtet wird. Die Anschaffungs kosten sind demzufolge verhältnismässig nied rig. Dagegen ist ihr Wirkungsgrad unter die sen Voraussetzungen bei weitem nicht so gut wie derjenige von Anlagen der erstgenannten Art.
Zweck der Erfindung ist nun, die hier er wähnten Vorteile der zwei besprochenen Arten von Wärmekraftanlagen hinsichtlich Anschaffungspreis und Wirkungsgrad irrbest möglicher Weise auszunutzen. Zu diesem Behufe wird gemäss der Erfindung die zum Antrieb des Schiffes notwendige Leistung bis zn einer bestimmten Leistungshöhe in der Gruppe erzeugt, die von dem indirekt erhitz ten Arbeitsmittel im Kreislauf durchlaufen wird, während die darüber hinausgehende, für den Antrieb des Schiffes noch benötigte Lei stung in der Gruppe mit mindestens einer Ab gasturbine erzeugt wird.
Eine Wärmekraftanlage nach der Erfin dung ist besonders geeignet für Kriegs schiffe, bei denen während der Marschfahrt, das heisst also während des Kreuzens.mit ver- ringerter Geschwindigkei t, tunlichste Spar samkeit im Brennstoffverbrauch erreicht wer den sollte, damit ein grosser Aktionsradius ge sichert ist.
Die Antriebsleistung ist ungefähr der dritten Potenz der Geschwindigkeit pro- portional, sinkt also bei halber Geschwindig keit auf etwa'/. des normalen Wertes, so dass auch während des Kreuzens erhebliche Schwankungen in der zum Antrieb des Schif fes notwendigen Leistung auftreten können. Dabei sollte aber diese Leistung bei allen Marschfahrtgeschwindigkeiten mit möglichst gutem Wirkungsgrad erzeugt werden.
Dieser Forderung lässt sich weitgehend bei Verwen dung von Krafterzeugungsgruppen genügen, welche von dem indirekt erhitzten Arbeits mittel im Kreislauf durchlaufen werden.
Dagegen ist in Kriegsschiffen verhäItnis- mässig selten die grosse Leistung zu erzeugen. die bei forcierten Fahrten benötigt wird, da solche Fahrten die Ausnahmen bilden. Folg lich kommt dem Wirkungsgrad der Maschi nen, in denen die für die forcierten Fahrten benötigte Zusatzleistung zu erzeugen ist, keine ausschlaggebende Bedeutung zu. Es ist wichtiger, dass der Anschaffungspreis für .die betreffenden Maschinen niedrig und deren Aufbau einfach und der Platzbedarf klein ist.
Diesen verschiedenen Bedingungen genügen nun Krafterzeugungsgruppen mit Abgas turbinen.
Bei Anwendung der Erfindung lässt sich somit bei billigstem Anschaffungspreis der Anlage für die vor allem ausschlaggebenden Betriebsverhältnisse ein guter Wirkungsgrad erzielen.
Durch die vorgeschlagene Kombination eines Kreislaufes mit mindestens einer Abgas turbine wird gleichzeitig der Vorteil erreicht, dass der Arbeitsmittelerhitzer dieses Kreis laufes aufgeladen wird und dadurch kleinere Abmessungen erhält, als wenn er als gewöhn licher Erhitzer, das heisst mit Atmosphären druck im Brennraum betrieben würde. Für den Einbau einer solchen Anlage in ein Kriegsschiff ist es ja von grosser Bedeutung., dass die Abmessungen der Maschinen und Apparate möglichst klein werden.
Der Vor- teil der Aufladung des Arbeitsmittelerhitzers wird bei Anwendung der Erfindung erreicht. ohne dass für diesen Erhitzer eine besondere Aufladegruppe vorzusehen ist, indem ja die ;@ufladegruppe mit der Abgasturbine kom biniert ist.
Auf der beiliegenden Zeichnung sind bei spielsweise Ausführungsformen von Anlagen zur Ausführung des Verfahrens in verein fachter Darstellungsweise veranschaulicht, und zwar zeigt: Fig. 1 eine erste Ausführungsform, Fig. 2 eine Einzelheit einer zweiten Aus- führungsform und Fig. 3 eine Abänderung einer Einzelheit. An Hand der Figuren wird nachfolgend auch das Verfahren gemäss der Erfindung bei spielsweise erläutert.
In Fig. 1 bezeichnet 1 die Verbindungs leitungen einer einen Teil einer Wärmekraft anlage bildenden Gruppe, in welcher ein gas- förmiges Arbeitsmittel, beispielsweise Luft, in einem Kreislauf umläuft. Diese Luft wird in einem Erhitzer 2, der in einer Brennkammer 3 untergebracht ist, durch äussere indirekte Wärmezufuhr erhitzt und gelangt hierauf in eine Turbine 4, in der sie sich entspannt und dabei Verdichter 5, 6, 7 treibt. Auf der glei chen Welle befindet sich ein Anlaufmotor B.
Zwischen den einzelnen Verdichtern 5, 6, 7 befinden sich Kühler 9 und 10, die das umlau fende Arbeitsmittel zwischen Verdichtungs stufen kühlen und damit die von den Verdich tern 5, 6, 7 aufgenommene Leistung tief hal ten. Die die Turbine 4 verlassende, teilweise entspannte Luft gelangt in einen zweiten Er hitzer 11, der in einer Brennkammer 7.2 untergebracht ist, und erfährt so eine zweite Erhitzung durch äussere Wärmezufuhr. Die auf diese Weise wieder auf hohe Temperatur gebrachte Luft strömt einer Turbine 13 zu, wo sie sich weiter entspannt und dabei über ein Getriebe 14 einen Propeller 15 treibt.
Die der Turbine 13 entströmende, entspannte Luft gelangt über einen Wärmeaustauscher 16, wo sie einen grossen Teil ihrer Wärme an den in den Verdichtern 5, 6, 7 wieder verdichteten Teildes Arbeitsmittels abgibt, und über einen @'orkÜhler 17 in den Verdichter 5, um von (liescm und den weiteren Verdichtern 6 und 7 wieder auf höheren Druck gebracht zu wer den. Die erneut verdichtete Luft gelangt nach Durchströmen des Wärmeaustauschers 16, in welchem sie Wärme aufnimmt, in den Er- l:itzer 2. womit der Kreislauf durchlaufen ist.
Den Brennkammern 3 und 12 wird der Brennstoff durch Leitungen 18 und die für die Verbrennung benötigte Frischluft wird durch Leitungen 19 zugeführt. In diesen Brennkammern 3 und 12 herrscht ein höhere I )riicl@ als Atmosphärendruck, da die Leitun- (' #en 19 über einen Wärmeaustauscher ?0 an -irren Verdichter 21 angeschlossen sind,
der Frischluft aus der Atmosphäre ansaugt und unier t'berdruck in die Brennkammer 3 und 1 2 fördert. Die Brennkammern 3 und 12 sind somit aufgeladen. Der Verdichter 21 erhält einen Antrieb von einer Abgasturbine 2?. iai welcher die ihr durch eine Leitung 23 aus ilen Brennkammern 3 und 12 zuströmenden A1)gase entspannt. werden.
Die aus der Tur- 1-@inc@ ?? strömenden Abgase geben im Wärxne- austacischer 20 noch Wärme an die vom Ver dichter 21 kommende Verbrennungsluft ab. @'on der erwähnten Leitung \33 zweigt eine absperrbare Leitung 24 ab, durch die ein Teil der aus den Brennkammern 3 und 12 kom menden Abgase in eine weitere Abgasturbine ?5 gelangen kann, in der sich diese Gase unter Leistungserzeugung entspannen.
Die Luft turbine 13 und die Abgasturbine 25 sind gleichachsig angeordnet, und deren Wellen ..sind miteinander starr verbunden, so dass die Abgasturbine 25 ihre Leistung über das Ge triebe 14 ebenfalls an den Propeller 1.5 ab gibt. Die Abgasturbine 22 gibt die vom Verdichter 21 nicht aufgezehrte Leistung an eine elektrische Maschine 26 ab, die mit die ser Turbine 22 und dem Verdichter 21 der art; zu einem Aggregat vereinigt sein kann. dass sie \vechselweise Strom aufnimmt bzw. Strom abgibt.
Während der Marschfahrt wird der Zii- fluss von Rauchgasen aus der Leitung ?3 in elie: Abgasturbine 25 durch ein in die Leitung '_'1 eingebautes Ventil 24' weltgehendst unter- <B>01</B> gesetzt, so dass die durch deren umlaufenden Teile erzeugte Reibung auf ein Mindestmass reduziert bleibt. Es werden jetzt nur gerade so viele heisse Gase durch die Turbine 25 strö- inen gelassen, als es zur Abführung der Rei bungswärme braucht.
Somit wird die zum _Intrieb des Schiffes notwendige Leistung während der 111arschfahrt von der mit hohem M'irkungsgrad arbeitenden Luftturbine 13 erzeugt. Dabei kann allenfalls die zum An trieb des Frischluft ansaugenden Verdichters 21 dienende Abgasturbine 22 Leistung an die elektrische Maschine 26 abgeben.
Sobald die von der Luftturbine 13 er zeugte Leistung eine bestimmte Höhe erreicht hat, was für gewöhnlich der Fall .sein wird. wenn von Marschfahrt auf forcierte Fahrt iibergegangen wird. so ist vorerst mittels der elektrischen Maschine 26 die Drehzahl der Gruppe 21, 2? zu erhöhen, damit mehr Ver brennungsluft in die Brennkammern 3 und 12 gefördert wird; anschliessend ist die Brenn stoffzufuhr in diese Kammern entsprechend zu erhöhen. Es stehen dann mehr Rauchgase zur Verfügung, so dass die Abgasturbine 2..? mehr Leistung erzeugt.
Folglich kann die Lei stung, welche die elektrische Maschine 26 für die Aufrechterhaltung der erforderlichen Drehzahl der Gruppe 21, 22 abzugeben hat. immer mehr reduziert. werden, bis sie schliess lich auf Null sinkt. Sobald letzteres der Fall ist, wird das Ventil 24' geöffnet und die Leistung, welche über der erwähnten, be stimmten Leistungshöhe der Luftturbine 13 für den Antrieb des Schiffes noch benötigt wird, wird nunmehr von der Abgasturbine 25 erzeugt, die im Anschaffungspreis wohl bil liger als eine Luftturbine ist, dafür aber mit weniger gutem Wirkungsgrad arbeitet.
Wie in Fig. 2 gezeigt, lässt sich bei Schiffs antriebsanlagen dadurch eine verhältnismässig einfache Anordnung schaffen, dass die einen Propeller 27 treibende Niederdruck-Luft- turbine zweigehäusig gebaut und der eine Teil 28 davon für Vorwärts- und der andere Teil 29 für Rückwärtsfahrt ausgebildet wird und ferner ein. Dreiwegventil 30 vorgesehen wird, das die Zuströmung der Treibluft zu den zwei Turbinenteilen 28, 29 beherrscht.
Die ebenfalls Leistung an den Propeller 27 abgebende Abgasturbine 31 wird in einem solchen Falle zweckmässig nur für Vorwärts fahrt ausgebildet. Die Rückwärtsturbine 29 wird bei Vorwärtsfahrt zweckmässig unter Vakuum gesetzt.
Wie in Fig. 3 gezeigt, lässt sich bei An lagen für Schiffsantrieb die Niederdruck- Luftturbine 32 auch eingehäusig ausbilden, wenn die Beschaufelung dieser Turbine so ausgelegt wird, dass deren Durchströmung in beiden Richtungen. erfolgen kann und sich die Umstellung von Vorwärts- auf Rück wärtsfahrt lediglich durch Umschalten von Anschlussleitungen 33, 34, 35 und 36 mittels Absperrarganen 37 bzw. 38, 39, 40 bewerk stelligen lässt.
Zweckmässig kann die Gesamtleistung der Anlage mindestens doppelt so gross sein als die Leistung der Gruppe, die das indirekt er hitzte Arbeitsmittel im Kreislauf durchläuft.
Anstatt die Abgasturbinen, wie in Fig. 1 gezeigt, von den Abgasen in zwei Parallel strömen durchströmen zu lassen, können die Abgase die Abgasturbinen auch der Reihe nach durchströmen.
Unter Umständen. lässt sich ohne Zwi schenerhitzung der im Kreislauf umlaufenden Luft auskommen und damit auch mit einer einzigen Brennkammer.