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Verbrennungsturbine mit Brennstoffverdampfer Gegenstand der Erfindung
ist eine Verbrennungsturbine mit in der Brennkammer angeordneter Verdampfungseinrichtung.
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Es ist bekannt, im Verbrennungsraum von Gasturbinen Verdampfungsgefäße
für den Brennstoff anzuordnen, die im wesentlichen aus Hohlzylindern mit im Verhältnis
zum Durchmesser größerer Länge bestehen, um eine möglichst große Verdampfungswirkung
zu erzielen. Es ist vorgeschlagen worden, das Verdampfungsgefäß in Form einer Spirale
mit zentral zum Verbrennungsraum angeordnetem Auslaß auszubilden, der gegen eine
Sprühscheibe gerichtet ist. Bei anderen bekannten Einrichtungen ist das Verdampfungsgefäß
mit zum Verbrennungsraum schräg verlaufender Achse angeordnet. Der Nachteil der
bekannten Ausführungsformen besteht jedoch darin, daß sie infolge ihrer im
Verhältnis zum Inhalt großen Oberfläche zwar eine gute Verdampfungsleistung ergeben,
jedoch außerordentlich hohen Temperaturen ausgesetzt sind, so daß sich an den Wandungen
Kohle absetzt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Brennstoff nach der
Verdampfung wieder aus der Brennkammer herausgeleitet und dann erst einer zentral
in den Verbrennungsraum mündenden Düse zuggeführt wird.
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Es sind ferner als Verdampfungsröhren ausgebildete Verdampfungseinrichtungen
für Verbrennungsturbinen bekannt. Bei diesen Einrichtungen wird je-
doch die
Außenwand der Verdampfungsröhren nicht durch flüssigen Brennstoff gekühlt, so daß
hierbei ebenfalls Kohlebildung auftritt. Bei anderen bekannten Verbrennungsturbinen
ist eine von dem Hauptbrennraum getrennte Verdampfungskammer angeordnet, die als
Hilfsbrennkammer arbeitet und im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist. In
die Hilfsbrennkammer wird ein Brennstoffluftgemisch eingeleitet -und gezündet, welches
dazu dient, den Brennstoffhauptstrom bis zur Verdampfungstemperatur zu erhitzen.
Diese bekannte Einrichtung ist jedoch verwickelt aufgebaut, erfordert hohen Aufwand
bei der Fertigung, muß häufig gewartet werden und ist anfällig gegen Störungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungsturbine
zu schaffen, deren Verdampfungseinrichtung so ausgebildet ist, daß sich keine Verbrennungsrückstände
in Form von Kohle od, dgl. ansetzen können. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht,
daß die Verdampfungseinrichtung aus mindestens einem Verdampfungsgefäß besteht,
welchem Brennstoff unter niedrigem Druck zugeführt wird und dessen Dampfauslaß derart
angeordnet ist, daß in seinem unteren Teil stets ein Rückstand von flüssigem Brennstoff
enthalten ist. Ferner ist vorgesehen, daß idie Abmessungen des Verdampfungsgefäßes
in den drei Raumrichtungen im wesentlichen gleich s:ind.
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Die erfindungsgemäße Verbrennungsturbine mit in der ringförmigen Brennkammer
kreisendem Brenngasgemisch und darin angeordnetem Brennstoffauslaß weist als weiteres
wesentliches Merkmal auf, daß das Verdampfungsgefäß an der Unterstromseite turbulenzerzeugend
ausgebildet ist. In vorteilhafter Weise besteht das Verdampfungsgefäß aus einem
allseitig geschlossenen Zylinder, dessen Durchmesser gleich der Länge seiner Achse
ist. Hierbei ist die Anordnung so getroffen, daß die Achse des Zylinders parallel
zur Turbinenachse angeordnet ist.
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Das durch die Erfindung vorgeschlagene Verdampfungsgefäß besitzt daher
im Verhältnis zu seinem Inhalt eine relativ kleine Oberfläche und ist hindernisbildend
im Strom der Verbrennungsluft angeordnet. Hierdurch wird erreicht, daß die Flamme
stets am Verdampfungsbehälter anliegt, daß aber andererseits immer so viel flüssiger
Brennstoff im Verdampfungsgefäß verbleibt, um eine Überhitzung seiner Wandungen
und damit auch den Ansatz von Kohle zu vermeiden. Auf diese Weise ist es möglich,
die Verdampfungsleistung genau zu bestimmen, da infolge der stabil gehaltenen, an
dem Gefäß anliegenden Flamme die zugeführte Wärmemenge bekannt ist und andererseits
eine zu starke Verdampfung durch die im Verhältnis zum Inhalt kleine Oberfläche
des Verdampfungsgefäßes verhindert wird. Durch eine besondere
Ausbildung
der stromab gelegenen Außenflächen des Verdampfungsgefäßes kann' die Durchwirbelung
der Verbrennungsluft noch verbessert werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigt c - Fig, 1 eine Gasturbine mit Brennkammer
im Axialschnitt und Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1.
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Das Verdichterrad 1 ist gemeinsam mit dem Turbinenrad 2 auf
der drehbar gelagerten Welle 3 angeordnet. Die Lager der Welle
3 sind nicht dargestellt. Im Bereich ihres äußeren Umfanges sind das Verdichter-
und Turbinenrad auf den einander zugekehrten Seiten in der Weise dünner gehalten,
daß sich ein ringförmiger Spalt 4 bildet, in den ein fester Dichtungsrand
5 hineinragt. Hierdurch wird einerseits der Verdichter gegenüber der Turbine
abgedichtet und andererseits der Wärmeübergang zwischen den beiden Rädern
1 und 2 vermindert.
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Das Gehäuse des Verdichters ist mit 6 bezeichnet und vorzugsweise
als Gußteil mit einer mittigen Einlaßöffnung 8 für die in den Verdichter
eintretende Luft sowie einem Formstück 9 ausgestattet, das sich eng an die
Kanten der Verdichterschaufeln 10 anlegt. Am Rand des Verdichterrades sind
ferner die Diffusionskanäle 11 angebracht. Der Dichtungsrand 5 ist
an dem Gehäuse 6 mit Hilfe von Schrauben 12 und dem Leitschaufelträger
13 befestigt.
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Die Brennkammer wird von dem weiteren Gehäuse 7 umschlossen,
das aus Blech gefertigt ist und aus einem stumpfkegeligen Teil 14 und einem tellerartigen
Endteil 15 besteht, das durch Schweißung od. dgl. mit dem Teil 14 verbunden
ist.
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Den Schaufeln 17 des Turbinenrades 2 liegt das Turbinengehäuse
16 gegenüber, das ebenfalls mittels der Schrauben 12 und der Leitschaufeln
18 in der Maschine befestigt ist. Die Verbrennungsgase werden durch die am
Umfang des Gehäuses 16 zusammen mit ,den Leitschaufeln 18 und dem
Dichtungsrand 5 gebildeten Kanälen in die Turbinenschaufel 17 hineingeleitet.
Das Turbinengehäuse 16 ist in der Mitte mit der Abgasöffnung 19 versehen,
von der aus sich ein Abgasrohr20, das aus Blech gefertigt sein kann, in Axialrichtung
der Turbine erstreckt. Am Ende des Abgasrohres ist eine Verdickung21 angeordnet,
die als Befestigung für das tellerförmige Endteil15 der Brennkammer dient. Die Öffnung
22 im Endteil 15
entspricht in ihrem Durchmesser demjenigen des
Ab-
gasrohres 20. Im Bedarfsfall kann ein Auspuffrohr 23
in Verlängerung
des Abgasrohres 20 angebracht werden.
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Im Inneren des Gehäuses 7 ist ein Prallblech 24 befestigt,
das aus einem zylindrischen Teil 25 und aus einem flachen ringförmigen Teil
26 besteht, die miteinander fest verbunden sind. Das Prallblech 24 wird mittels
der Schraubverbindung 27 in seiner Lage gehalten, zu welchem Zweck es mit
dem einwärts umgebogenen Flansch 28 versehen ist. An der Befestigungsstelle
des Prallbleches 24 an dem Leitschaufelträger 13 sind Abstandsstücke
29 angeordnet, die einen Durchlaß für einen kleinen Teil der Verbrennungsluft,
die durch den Kanal 11 strömt, unmittelbar zur Turbine herstellt.
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Axial gegenüber dem Prallblech 24 versetzt ist ein weiteres Prallblech,
bestehend aus einem inneren zylindrischen Teil 32, einem äußeren zylindrischen
Teil 31 und einem flachen ringförmigen Teil 33, an-<_eordnet. Die
enannten drei Teile sind fest miteinn 9
ander verbunden und mit Hilfe von
Abstandsnieten 35 am Endteil 15 des Gehäuses 7 befestigt.
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Die Brennkammer befindet sich zwischen den ringförmigen Teilen
26 und 33 sowie den zylindrischen Teilen 31 und 32 der
Prallbleche. Der Zutritt der Verbrennungsluft in die Brennkammer erfolgt durch einen
zwischen den zylindrischen Teilen 25 und 31
bzw. der Gehäusewandung
14 gebildeten Kanal. In der Nähe der Verhindungsstelle der Teile 26 und
32
sind Öffnungen ausgespart, durch die Verhrennungsgase in Richtung zur Turbine
austreten, wobei sie durch den Flansch 34 umgelenkt werden. -
In der Brennkainmer
sind drei Verdampfungsgefäße 36, 37 und 38 angeordnet, die zylinderförmig
ausgebildet sind und deren Achse parallel zur Turbinenachse verläuft. jedes der
Verdampfungsgefäße ist mittels eines geeigneten Verbindungsstückes 39 an
dem Prallblech 26 befestigt. Durch das gleiche Verbindungsstück
39 führt die Brennstoffzufuhrleitung 40 hindurch, durch die von einem Brennstoffbehälter
mittels einer Pumpe Brennstoff in die Verdampfungsgefäße gefördert wird, wobei die
Brennstoffleitung bei 41 gasdicht durch das Turbinengehäuse bzw. den Dichtungsrand
5 und das Turbinengehäuse 16 hindurchgeführt ist.
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Im Inneren der Verdampfungsgefäße sind zwei Rohre 44 angeordnet, deren
oberes Ende über dem im Verdampfungsgefäß befindlichen Brennstoffspiegel hinausragen,
während sie mit ihren unteren Enden am Außenumfang des Gefäßes eine offene Verbindung
des über dem Flüssigkeitsspiegel befindlichen Raumes mit der Brennkammer bilden.
Die Öffnungen 43 der Rohre 44 liegen hierbei dem zylindrischen Blech 31
gegenüber.
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Bei Anordnung mehrerer Verdampfungsgefäße muß stets eine gewisse Menge
flüssigen Brennstoffs in ihnen vorhanden sein. Aus diesem Grund sind bei dem in
Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die beiden oberen Verdampfungsgefäße
36 und 37 in der Weise angeordnet, daß die Austrittsüffnungen 43 für
den verdampften Brennstoff radial zur Turbinenachse schräg nach aufwärts zeigen.
Der verdampfte Brennstoff kann hierbei direkt von der Oberfläche der Flüssigkeit
ausströmen. Wie aus der gleichen Fig. 2 ersichtlich ist, bilden die Verdampfungsgefäße
turbulenzerzeugende Hindernisse im Strom der Verbrennungsgase. Der durch die Verdampfungsgefäße
erzeugte Sog hat zur Folge, daß die Flamme jeweils an einem Teil des Außenumfangs
der Gefäße anliegt und hierdurch den im Gefäß befindlichen Brennstoff verdampft,
der dann durch die Öffnungen 43 in die Brennkammer austritt, wo er verbrennt.
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Die Geschwindigkeit, mit der der verdampfte Brennstoff die Verdampfungsgefäße
verläßt, hängt unmittelbar von dem den Druck der Verbrennungsluft übersteigenden
Dampfdruck in den Gefäßen ab. Selbstverständlich muß auch der Druck des nachgeförderten
Brennstoffs dem in den Gefäßen erzeugten Dampfdruck entsprechen. Zur Einstellung
dieses Druckes dient ein verstellbares Sicherheitsventil 54. Wenn sich beim Betrieb
der Turbine die Drehzahl erhöht, steigt auch der Druck der von dem Verdichter beschleunig
ten Verbrennungsluft, der wiederum auf den Druck des verdampften Brennstoffs in
den Verdampfungsgefäßen zurückwirkt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffdampfes
verringert sich daher, und die Drehzahl der Turbine sinkt infolge geringerer Zufuhr
an vergastem Brennstoff. Die umgekehrte Wirkung tritt ein, wenn sich die Drehzahl
der Turbine verringert und der dem Druck des verdampften Brennstoffs
entgegenwirkende
Druck der Verbrennungsluft sinkt. In diesem Fall kann mehr verdampfter Brennstoff
in die Brennkammer gelangen, so daß sich die Drehzahl der Turbine selbsttätig höher
einregelt. Durch die Einrichtung wird daher das außerordentlich unangenehme Durchgehen
der Turbine vermieden, das häufig zu Beschädigungen führt.
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Der Brennstoff wird der Gasturbine durch eine Pumpe53 zugeleitet,
die nur schematisch dargestellt ist. Ura die Gasturbine anzulassen, wird sie durch
einen elektrischen Anlasser o#d. dgl. in Drehungen versetzt, wobei bereits bei einer
geringen Drehzahl genügend Luftdruck von dem Verdichter entwickelt wird, um eine
die Brennstoffzufuhr betätigende Regelvorrichtung, die nicht zum Gegenstand der
Erfindung ,gehört, in Gang zu setzen. Hierdurch strömt Brennstoff in das Verdampfungsgefäß
38, der durch die Rohre 44 überläuft und am Boden des Prallbleches
31
eine Lache bildet, die hinter dem einwärts gebogenen Flansch45 stehenbleibt.
Zum Zünden des BrennstGffs wird der Verschluß 49, der eine Öffnung 48 verschließt,
entfernt und z. B. ein kleines Stück brennender Putzwolle eingeführt. Sobald der
Brennstoff entzündet ist, wird der Verschluß 49 wieder geschlossen. Die sich entwickelnden
Verbrennungsgase versetzen die Turbine in Drehung. Die erforderliche Verbrennungsluft
wird von dem Verdichter 1, der mit der Turbine fest verbunden ist, in den
Kanal 11 gedrückt. Diese Luft strömt sowohl in radialer als auch axialer
Richtung und durchfließt die Maschine auf einem spiraligen Weg. Ein geringer Anteil
der Verbrennungsluft tritt zwischen dem Dichtungsrand 5
und dem Flansch
28 des Prallbleches 45 hindurch und strömt direkt als Kühlluft zu den Turbinenschaufeln
17. Ein weiterer kleiner Anteil der Verbrennungsluft tritt in den zwischen
dem äußeren Gehäuse 14 und dem PrallhIech 31 gebildeten Kanal ein, fließt
an der Innenseite des Gehäuses 15 sowie an der Außenseite des Abgasrohres
20 entlang, um sich schließlich wieder mit dein übrigen Gasstrorn zu vereinigen.
Aucli'-dieser zweite Gasstrom dient dazu, das Gehäuse sowie das Abgasrohr zu kühlen.
Der größte Teil der Verbrennungsluft strömt durch die zwischen den Blechen
25
und 31 gebildete Öffnung in die Brennkammer und nimmt an der Verbrennung
des von den Verdampfun,O,'Sgefäßen abgegebenen gasförmigen Brennstüffes teil. jeder
der drei Luftströme bewegt sich auf einer spiralförmigen Bahn.
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Nach der Verbrennung verlassen die Gase die Brennkammer durch den
Kanal zwischen dem ringförmigen Teil 26 und dem inneren zylindrischen Teil
32 der Prallbleche und treten in den von dem Turbinengehäuse 16 und
dem Blech 25 umgebenen Raum ein. Hier mischen sie sich mit der Luft, die
zwischen dem Abgasrohr 20 und dem inneren zylindrischen Teil 32 des Prallblechs
hindurchgeströmt ist.
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Um die Verbrennungsturbine abzuschalten, ist es lediglich erforderlich,
die Brennstoffzufuhr zu den Verdampfungsgefäßen zu unterbinden.
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Sofern es notwendig wird, die Brennkammer und die Verdampfungsbehälter
zu überholen, kann das ganze Gehäuse 7 zusammen mit dem Prallblech
33
abgenommen werden, wodurch die Brennkammer vollständig geöffnet wird und
die Verdampfungsgefäße leicht zugänglich sind.
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Zur Beobachtung der Brennkammer ist auf dem Gehäuse 14 ein Quarzfenster
51 angeordnet, dem die Öffnung52 im Blech31 gegenüberliegt, so daß das Innere
der Brennkammer während des Betriebs der Turbine überwacht werden kann.