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Verbrennungsturbine mit zugleich als Expansionsdüsen wirkenden Brennkammern
Die Erfindung betrifft Verbrennungsturbinen mit Nutzung der zur Volumenvergrößerung
im Brennraum aufgewendeten Wärme.
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Es ist bereits früher eine Verbrennungsturbine vorgeschlagen worden,
bei der ein oder mehr Brennräume mit Ouerschnittserweiterung zur Verbrennung und
Expansion der Verbrennungsgase unter Vermeidung zwischengeschalteter Diffusoren
bzw. Strahlpumpen und/oder Stauräume direkt nach einem vorzugsweise ein Kraftstoffluftgemisch
fördernden Flügelrad angeordnet sind. Dabei besteht die Möglichkeit, die Temperatur
der Verbrennungsgase zugunsten ihrer kinetischen Energie zu mindern. Wenn diese
Temperaturminderung so groß sein soll, daß ein Teil der sonst zur Kühlung nötigen,
wirkungsgradverschlechternden Luftüberschusses entfallen kann, muß mit Strömungsgeschwindigkeiten
der - Treibgase gearbeitet werden, deren Höhe schwer zu beherrschen ist und bei
wirtschaftlicher Nutzung unzulässig hohe Turbinendrehzahlen bedingt. Bei dieser
Verbrennungsturbine ergibt sich zudem die Möglichkeit, die Strömungsgeschwindigkeit
der Treibgase wesentlich höher festzulegen als die Strömungsgeschwindigkeit des
frischen Mittels und damit den Anteil der Laderantriebsleistung an der gesamten
Turbinenleistung gegenüber Verbrennungsturbinen mit Vorverdichtung und Gleichdruckverbrennung
auch dadurch -- und zwar wesentlich - herabzumindern und damit den Gesamtwirkungsgrad
zu verbessern.
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Die Anwendung hoher Strömungsgeschwindigkeiten der Verbrennungsgase
im Brennraum zu ermöglichen, ist Ziel vorliegender Erfindung, gemäß der vorgesehen
ist, nachstehende an sich bekannte drei Merkmale zugleich anzuwenden: a) Es werden
ein oder mehr Brennräume mit Querschnittserweiterung zur Verbrennung und Expansion
der Verbrennungsgase unter Vermeidung zwischengeschalteter Diffusoren bz«. Strahlpumpen
und/oder Stauräume direkt nach einem vorzugsweise ein Kraftstoffluftgemisch fördernden
Flügelrad angeordnet.
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b) Die Länge der Brennräume geht über das für die Verbrennung und
Expansion der Verbrennungsgase nötige Maß hinaus und/oder es sind den Brennräumen
besondere Diffusoren nachgeschaltet.
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c) Direkt oder im Wege der Treibgase an anderer Stelle hinter den
Brennräumen sind Düsen und/oder andere Strömungswiderstände angeordnet.
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Diese Merkmale a) bis c) sind je einzeln für sich nicht Gegenstand
der Erfindung, die nur aus der Kombination der Merkmale besteht.
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Im Brennraum selbst können die zur Sicherung der Flamme nötigen Strömungsgeschwindigkeiten
des frischen Mittels eingehalten werden, während beliebig hohe Strömungsgeschwindigkeiten
der Verbrennungsgase nach der Verbrennung möglich sind, durch die wesentliche Teile
der Wärme entzogen werden und der Luftüberschuß herabgemindertwerdenkann. DieLaderantriebsleistung
wird kleiner. In dem nachgeordneten Diffusor oder der diffusorartigen Verlängerung
des Brennraumes oder bei Flammenverkürzung im Brennraum selbst erfolgt eine Verdichtung
der Verbrenilungsgase, die anschließend in Reaktionsrädern genutzt werden können.
Diese Verdichtung tritt ein, sobald die Volumenvergrößerung im Brennraum nicht mehr
dem Maß der Brennrauinerweiterung entspricht. Die Verdichtungswärme ist geringer
als die Wärme bei gleicher Drucksteigerung durch direkte Wärmezufuhr, zumal das
frische Mittel durch die Anordnung nach Merkmal a) weniger warm ist als bei Vorverdichtung.
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Die Reaktionsbeschaufelung ermöglicht an sich höhere Wirkungsgrade
als Impulsbeschaufelung, flacheren Verlauf der Wirkungsgradkurve und bessere Konstruktionsmöglichkeiten,
da Druckenergie verlustärmer zu transportieren ist als kinetische Energie.
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Der Lader kann das frische Mittel mit verringertem Druck liefern und
wird dadurch entlastet.
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Wenn bei einer Verbrennungsturbine gemäß Merkmai a) die Strömungsgeschwindigkeit
der Treibgase unter die Strömungsgeschwindigkeit des frischen Mittels sinkt bzw.
eine Volumenverringerung der Treibgase unter das der Brennraumerweiterung entsprechende
Maß eintritt, ergeben sich Verluste. Bei der Kombination gemäß der Erfindung ergibt
sich in diesen Fällen nutzbare Drucksteigerung, so daß eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit
allgemein und speziell bei verlustarmer qualitativer Regelung ein-. tritt.
Die
Anwendung von Überschallgeschwindigkeiten der Verbrennungsgase im Brennraum wird
durch die Erfindung möglich und damit die Wandlung wesentlicher Mengen der Verbrennungswärme
in kinetische Energie und wesentliche Steigerung der Geschwindigkeit der Verbrennungsgase
über die Geschwindigkeit des frischen Mittels.
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Allgemein werden die Vorteile der Verbrennungsturbine gemäß Merkmal
a) für Reaktionsturbinen nutzbar.
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Eine Verbrennungsturbine mit Gleichdruckverbrennung, bei der die Treibgase
höheren Druck haben als das frische Mittel, entsteht nur durch die Kombination gemäß
der Erfindung. Brennraumverlängerung ist bei Verbrennungsturbinen mit Vorverdichtung
in anderer Form und zu anderen Zwecken - zur unwirtschaftlichen Beimischung von
Kühlluft allgemein und von Kühlwasser speziell - bekannt. Diffusoren sind nach Turbinenrädern
zur Wandlung beim Austritt nach vorhandener kinetischer Energie in Druckenergie
bekannt. Wird die Ausführung der Brennraumverlängerung in Diffusorform gemäß Merkmal
b) allein bei üblichen Verbrennungsturbinen mit Vorverdichtung angewendet, so ergibt
sich bei Veränderung der Laderdrehzahl der Nachteil, daß mit Druck und Temperatur
derVerbrennungsgase dieStrömungsgeschwindigkeit und damit Erwärmung im Diffusor
ansteigt, während beim Gegenstand der Erfindung Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit
des frischen Mittels zur Temperaturminderung der Treibgase führt, durch die die
Temperatursteigerung bei der Verdichtung im Diffusor begrenzt wird.
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Verbrennungsturbinen mit Merkmal c) allein haben den Vorteil der Reaktionsturbinen,
aber nicht die sich aus Merkmal a) bzw. der Kombination ergebenden Vorteile.
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Verbrennungsturbinen mit den Merkmalen a) und b) hätten Energieverluste
und keine wirtschaftliche Möglichkeit der Minderung hoher Turbinendrehzahlen.
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Verbrennungsturbinen mit den Merkmalen b) und c) erlauben keine weitgehende
wirtschaftliche Erzeugung kinetischer Energie vor der Verdichtung. Gleichzeitige
Anwendung der Merkmale a) und c) ergibt eine Anordnung, bei der im Brennraum ohne
Verlängerung, dessen Länge der bei Norm-Drehzahl auftretenden Länge des Verbrennungsweges
entspricht, keine vor Verdichtung erfolgende weitgehende Geschwindigkeitserzeugung,
sondern von Anfang an zunehmende Verdichtung eintritt.
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Wenn auch die Verwendung von Axialgebläserädern möglich ist, so ist
doch ein Radialgebläserad mit an seinem Umfang angeordneten Ringbrennräumen oder
mehreren Einzelbrennräumen besonders vorteilhaft. An jedem Brennraum kann ein Stück
mit gleichbleibendem Querschnitt angeschlossen sein. Wird an den sich erweiternden
Brennraum ein besonderer Diffusor angeschlossen, so kann dieser als Spiralgehäuse
ausgeführt sein oder auch in Form einer an sich bekannten Leitvorrichtung, bei der
Aufteilung des am Umfang eines Rades angeordneten Spiralgehäuses in vier Sektoren
und Anschluß je eines geraden Diffusors an jeden Sektor vorgesehen ist.
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Entsprechend der Erfindung wird zur Erzielung eines raumsparenden
Aufbaues von Radialturbinen weiter folgende vorteilhafte Anordnung vorgeschlagen:
Am inneren Umfang eines Radialturbinenrades ist eine Einrichtung derart angeordnet,
daß die Wände eines axial angeordneten Diffusors nach außen abgerundet sind und
in geringem Abstand gegenüber seinem. offenen Ende eine scheibenförmige Prallplatte
gegenübersteht, wobei an die Abrundung ein Scheibenring angesetzt und die Prallplatte
bis zu dem Umfang des Scheibenringes entsprechend vergrößert sein kann. Ohne diesen
Scheibenring ergibt sich eine ringförmige Düse mit radialem Durchfluß, deren Querschnitt
sich nach dem Ausgang zu verringert. Wird aber an die Abrundung ein Scheibenring
angesetzt und die Prallplatte entsprechend vergrößert, so daß beide Wände ganz oder
teilweise parallel verlaufen, so entsteht eine der Lavaldüse ähnliche Ringdüse,
die eine volle Beaufschlagung von Radialturbinenrädern ermöglicht.
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Ferner kann eine einfache Regulierung der Größe der Austrittsöffnung
durch Veränderung des Abstandes der Prallplatte erfolgen; sie kann auch zum vollständigen
Verschluß der Düse dienen.
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Beim Aufbau als Doppelturbine kann Bremswirkung durch Verbindung der
Ladeeinheit mit der Turbineneinheit in bekannter Weise mittels einer schaltbaren
Kupplung erzielt werden oder automatisch erfindungsgemäß mittels eines Freilaufes,
der ein Voreilen der Turbinenwelle gegenüber der Ladewelle unmöglich macht.
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In der Zeichnung sind Beispiele schematisch veranschaulicht. Es stellen
dar: Abb. 1 den Längsschnitt eines am Umfang eines Gebläserades angeordneten, sich
erweiternden Brennraumes mit einem angesetzten Stück gleichbleibenden Querschnitts
und einem Diffusor nebst Düse.
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Abb. 2 einen Längsschnitt eines radialen Ringbrennraumes, der im weiteren
Verlauf um 180° gebogen ist (Diffusor), und dessen Querschnitt damit am Eingang
und Ausgang geringer ist als im mittleren Teil.
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Abb.3 das verlängerte Ende eines Diffusors mit Aufrundung des Ausgangs,
an diesem angesetztem Scheibenring und vergrößerter Prallplatte.
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1 stellt ein Gebläserad dar, an dessen Umfang ein oder mehrere vom
Eingang zum Ausgang sich erweiternde gegebenenfalls verlängerte Brennräume 2 angeordnet
sind, an die sich fallweise ein Teil 4 mit gleichbleibendem Querschnitt anschließen
kann, dem ein Diffusor 5 folgt, der in der Düse 3 ausmündet. 6 ist ein Diffusorende
mit einer vergrößerten Prallplatte 7 und einer Ringdüse B.
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Bei der Anordnung nach Abb. 1 strömt beispielsweise Gemisch direkt
aus dem Gebläserad 1 in den Brennraum 2, verbrennt unter Volumenvergrößerung und
Beschleunigung (Überschallgeschwindigkeit), wird in Diffusor 5 verdichtet und in
Düse 3 teilweise entspannt, um dann wie üblich genützt zu werden. Die Zwischenschaltung
von Impulsturbinenrädern ist möglich.