DE1476913C3 - Gasturbinenanlage mit einer tangential beaufschlagten mehrstufigen Turbine mit intermittierender Energieumsetzung - Google Patents

Description

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1. Das Gas dehnt sich stufenweise aus, daher ist mit dem Auslaß 11 zur Deckung, so daß das Gas aus seine Strömungsgeschwindigkeit relativ gering. der Kammer 7 ausströmt. Dadurch erzeugt es einen

2. Bei jeder Ausdehnungsstufe (ausgenommen Rückstoß, der den Rotor 1 in Drehrichtung antreibt, beim Auspuff) leistet das Gas zweimal Arbeit. Bei weiterer Drehung erfolgt der gleiche Ausström-Zuerst arbeiten die Rückstoßkräfte in der einen 5 Vorgang auch bei den anderen Auslassen, so daß sich Turbinenstufe und danach die Vorstoßkräfte in der Druck in der Kammer stufenweise erniedrigt und der nachfolgenden Turbinenstufe. das Gas nur schrittweise ausströmt.

Den Umweltschutz betreffend hat diese mehrstu- Die Ladung der Kammer 7 kann auch mit einem

fige Turbine auch den Vorteil, daß praktisch das Luft-Treibstoff-Gemisch erfolgen, das erst in der

ganze Kohlenmonoxid verbrennt, weil das brennende io Kammer entzündet wird. Die Entzündung kann durch

Gas relativ lange hohe Temperatur beibehält. einen in der Kammer von der vorherigen Verbren-

Die Ladung der Kammer mit Gas kann auch ganz nung her verbliebenen Rest heißen Gases erfolgen einfach durch Anschließen an eine Preßgasleitung er- oder auch durch Glühkerzen, Glühköpfe oder Zündfolgen. Es ist aber auch möglich, die Kammer mit kerzen. Während der Druck durch die Verbrennung einer Luft-Treibstoff-Mischung zu laden und die nö- 15 in der Kammer 7 ansteigt, hat die Öffnung 8 bereits tigen Drücke dadurch zu erzeugen, daß das Preßgas den Einlaß 9 verlassen, so daß jetzt die Öffnung 8 in der Kammer zur Entzündung gebracht wird. durch die zylinderförmige Wandung des Stators 6 ge-

Für die Zündung braucht die Turbine, die schon schlossen ist. Der Weg von dem Einlaß 9 zu dem in Betrieb ist, keine Zündgeräte. Das frische Gasge- Auslaß 11 ist dabei so bemessen, daß der Verbrenmisch wird .durch in der Kammer zurückgebliebenes 20 nungsvorgang ungefähr dann beendet wird, wenn- die und bei der Ladung nochmals komprimiertes Gas ge- Öffnung 8 mit deia=Au§laß 11 zur Deckung kommt, zündet. Außerdem sind die isolierten. Kammerwände In diesem Augenblick strömt das verbrannte Gas hosehr heiß und wirken als Glühkopf. Für den Anlaß hen Druckes in den Auslaß 11 und erzeugt somit an gibt es die Lösung, die hintere Wand der Kammer als der Wandung der Kammer 7 einen Rückstoß, der Glühkopf zu benutzen und elektrisch zu erhitzen. 25 den Rotor in Drehrichtung vortreibt. Für den Aus-

Der Weg vom Einlaß zum ersten Auslaß kann Strömvorgang gilt wieder das Zuvorgesagte,

zweckmäßigerweise so bemessen werden, daß die In F i g. 2 ist ein Querschnitt durch ein Ausfüh-

Verbrennung schon beendet wird, wenn das Gas aus rungsbeispiel dargestellt, das im wesentlichen dem

dem ersten Auslaß auszuströmen beginnt. gemäß Fig. 1 entspricht, jedoch mit dem Unter-

Besonders zweckmäßig ist es aber, wenn der erste 30 schied, daß der Auslaß 11 über eine Ausnehmung 15 Auslaß schon öffnet, wenn nur ein Teil der Mischung vorverlegt ist, so daß die Öffnung 8 bereits verhältverbrannt ist, denn dann strömt die unverbrannte nismäßig früh mit dem Auslaß 11 zur Deckung Mischung in den Verbindungskanal und verbrennt kommt und über die Ausnehmung 15 für einen ländort. geren Drehwinkel mit dem Auslaß 11 in Verbindung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der 35 steht. Diese Ausführungsform dient dem Zweck, die Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher bei dem Verbrennungsvorgang entstehende Stoßenerbeschrieben, gie auszunutzen.

F i g. 1 verdeutlicht das Prinzip der Erfindung an Die in den F i g. 1 und 2 gezeigten Auslässe 11, 12,

einem Querschnittsbild einer ersten Ausführungs- 13 und 14 sind mit Einlassen anderer Turbinen ver-

form, 40 bunden, die im wesentlichen in gleicher Weise wie

F i g. 2 zeigt eine gegenüber der Ausführungsform die gemäß den F i g. 1 und 2 ausgebildet und mit die-

gemäß F i g. 1 abgewandelte Ausführungsform, sen zusammen auf einer Achse gelagert sind. Eine

F i g. 3 zeigt eine Gesamtanlage mit einer Turbine solche Ausführungsform und die Art der Verbindung

gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und der Auslässe mit Einlassen ergibt sich aus F i g. 3, in

F i g. 4 zeigt schematisch eine Abwicklung der 45 der eine Gesamtanlage unter Verwendung einer erDraufsicht auf die erfindungsgemäße Tangentialtur- findungsgemäßen Tangentialturbine schematisch darbine gemäß F i g. 3. · gestellt ist. Aus F i g. 4 geht noch deutlicher die Art

In F i g. 1 ist ein Rotor 1 auf einer Achse 2 drehbar der Verbindung der Auslässe und Einlasse hervor,

gelagert. Pfeile 3 geben die Drehrichtung des Ro- Eine Welle 16 ist auf Lagern 17 gelagert. Auf ihr

tors 1 an. 50 sind ein Anlaßmotor 18, ein Kompressor 19, ein aus

Der Rotor 1 weist eine zylindrische Außenfläche 4 vier Tangentialturbinen 20, 21, 22 und 23 gebildeter

auf, die äußerst dicht einer entsprechenden zylindri- Turbinensatz gelagert. Die Welle 16 treibt über ein

sehen Innenfläche 5 eines Stators 6 gegenüberliegt. In Getriebe 25 eine Belastung 26 an. Ansaugluft für die

dem Rotor 1 befinden sich Kammern 7 mit einer öff- Anlage gelangt durch eine Ansaugleitung 27 in Rich-

nung 8, die im wesentlichen tangential in Drehrich- 55 tung eines Pfeiles 28 in den Kompressor 19 und von

tung nach hinten gerichtet ist. dort über eine Leitung 29 in einen Wärmeaustau-

In der dargestellten Drehlage des Rotors 1 liegen scher 30, dem heiße Abgase über eine Leitung 31 zu-

die Öffnungen 8 Einlassen 9 gegenüber, die im we- geführt werden, die so die Ansaugluft erhitzen. Die

sentlichen die gleiche Richtung haben wie die öff- erhitzte Ansaugluft gelangt über eine Leitung 32 in

nungen 8. Das einströmende Gas ist durch einen Pfeil 6° einen Vergaser 33, dem über eine Leitung 34 Benzin

10 symbolisiert. Außerdem befinden sich in Dreh- zugeführt wird und der ein Luft-Benzin-Gemisch

richtung hinter den Einlassen 9 Auslässe 11, 12, 13 bildet, das über Einlaßleitungen 35, 36 und 37 der

und 14. ersten Turbine 20 zugeführt wird. Die Einlaßleitun-

Wird Preßgas in die Auslasset eingeleitet, so stößt gen 35, 36 und 37 entsprechen den drei Einlassen 9

dieses Gas im wesentlichen in tangentialer Richtung 65 in den F i g. 1 und 2.

gegen die Wandung der Kammer 7, so daß dadurch Die Einlaßleitungen 35, 36 und 37 sind an einem

ein Drehimpuls in Drehrichtung ausgeübt wird. Nach ringförmigen Stator 38 der Turbine 20 befestigt. Die

einem bestimmten Drehwinkel kommt die öffnung 8 Turbine 21 weist einen ringförmigen Stator 39, die

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Turbine 22 einen ringförmigen Stator 40 und die Das Gas strömt jetzt über die Verbindungsleitung SO

Turbine 23 einen ringförmigen Stator 41 auf. In der und einen Einlaß 55 in die Öffnung 45 der Turbine

Praxis bestehen alle Statoren zweckmäßigerweise aus 22. Zur Erläuterung sei bemerkt, daß wegen der Dre-

einem Stück. Innerhalb der Statorringe 38 bis 41 hung des Rotors die öffnung 45 mit dem Einlaß 55

läuft ein Rotor 42, der allen Turbinen gemeinsam ist 5 zur Deckung gelangt ist. Bei dieser zweiten Expan-

und in dem sich die Kammern der entsprechenden sionsstufe ist der Anfangsdruck in der der öffnung

Turbinen befinden. Der Rotor dreht sich von unten 43 zugeordneten Kammer der Druck, wie er sich

gesehen im Uhrzeigersinn. zum Schluß der ersten Expansionsstufe eingestellt

Mit gestrichelten Linien sind öffnungen 43, 44, 45 hat. Durch Ausströmen des Gases aus der der Öff-

und 46 angedeutet, die den öffnungen 8 in den io nung 43 zugeordneten Kammer wird wieder ein

F i g. 1 und 2 entsprechen. Rückstoß und durch Einströmen des Gases in die

Kommen die Öffnungen 43 und 44 mit einer Aus- der Öffnung 45 zugeordnete Kammer ein Vorstoß erlaßöffnung 47 und einer Einlaßöffnung 48 zur Dek- zeugt. Die Expansion ist wegen des genau bestimmkung, so strömt Gas aus der Kammer der Turbine 20 ten Rauminhalts der Kammer wiederum begrenzt, so in die Kammer der Turbine 21, und zwar über eine 15 daß auch hier nur ein Expansionsschritt erfolgt.
Verbindungsleitung 49. Bei Weiterdrehung des Ro- Ein entsprechender Vorgang, allerdings mit enttors kommen in gleicher Weise Verbindungsleitungen sprechend niedrigeren Drücken, erfolgt, wenn die 50 und 51 zur Wirkung, die dadurch die übrigen Öffnungen 43 und 46 mit Auslaß 56 und Einlaß 57 Turbinen 22 und 23 speisen. Eine Verbindungslei- zur Deckung kommen. In der letzten Stufe kommen tung 52 verbindet zwei Auslässe miteinander und 20 die genannten öffnungen mit Auslaß 58 und Auslaß führt das Abg~as in eine Turbine 24. Die öffnungen 59 zur Deckung^In dieser letzten Expansionsstufe ist in dem Stator auf der rechten Seite der Darstellung der Druck bereits "verhältnismäßig niedrig, so daß und die zugehörigen Verbindungsleitungen haben die sich keine weitere Ausnutzung in einer weiteren ergleiche Funktion wie die zuvor beschriebenen Öff- findungsgemäßen Tangentialturbine lohnt. Das Abnungen und Verbindungsleitungen. 25 gas wird daher über die Verbindungsleitung 52 und

Zum Anlassen der Maschine wird der Anlaßmotor die Leitung 53 in die Turbine 24 geleitet.
18 eingeschaltet und dadurch die Welle 16 in Um- Befinden sich die Öffnungen 43 und 46 mit den drehungen versetzt. Dadurch tritt der Kompressor 19 Auslassen 58 und 59 in Deckung, so sind noch die in Tätigkeit und drückt Luft in den Vergaser 33, wo den Öffnungen 44 und 45 zugeordneten Kammern sie mit Benzin versetzt wird, so daß ein brennbares 30 geschlossen und mit Druckgas gefüllt, das weiter aus-Luft-Benzin-Gemisch entsteht. Sobald z.B. die Öff- genutzt werden kann. Diese weitere Ausnutzung ernung 43 mit dem an die Einlaßleitung 37 angeschlos- folgt für die öffnung 45 beim Zur-Deckung-Kommen senen Einlaß zur Deckung kommt, füllt sich die im mit einem Einlaß 60. Das Gas strömt dann über eine Inneren des Rotors 42 liegende, an die Öffnung 43 Verbindungsleitung 61 in einen Einlaß 62 und dann angeschlossene Kammer mit dem Luft-Benzin-Ge- 35 durch die Öffnung 46 in der zugeordneten Kammer, misch. Hat die Öffnung 43 den Einlaß verlassen, so Bei diesem Vorgang erfolgt in gleicher Weise wie zuerfolgt über eine nicht dargestellte Zündkerze eine vor ein Rück- und Vorstoß. Beim Weiterdrehen Zündung des Luft-Benzin-Gemisches, so daß eine kommen die Öffnungen 45 und 46 mit Auslassen 63 Verbrennung des Gemisches erfolgt und schließlich und 64 in Verbindung, aus denen das expandierte bei Erreichen der Auslaßöffnung 47 verbranntes hei- 40 Gas über eine Verbindungsleitung 65 und eine entßes Gas hohen Druckes in der Kammer vorhanden sprechende Leitung 53 in die Turbine 24 strömt,
ist. Bei Deckung der Öffnung 43 mit dem Auslaß 47 Die Ausnutzung des Gases in der der Öffnung 44 strömt das heiße Gas zum Teil und so lange über die zugeordneten Kammer erfolgt durch Auslaß 66, Ver-Verbindungsleitung 49 in die Einlaßöffnung 48 und bindungsleitung 67 und Einlaß 68 in Verbindung mit zu der zugeordneten Kammer, bis ungefähr Druck- 45 der der öffnung 45 zugeordneten Kammer, die sich gleichheit in dem verbundenen Kammersystem vor- inzwischen entsprechend weiterbewegt hat und zuvor handen ist. Durch das aus der Öffnung 43 in die Ver- durch den Auslaß 63 entleert worden ist. Weitere bindungsleitung 49 ausströmende Gas wird in der der Expansionen erfolgen über Auslaß 69, Verbindungsöffnung 43 zugeordneten Kammer ein Rückstoß er- leitung 70, Auslaß 71 und schließlich über Einlaß 72, zeugt, der dem Rotor einen Vortrieb verleiht. Gleich- 50 Verbindungsleitung 73 und Auslaß 74.
zeitig stößt das Gas durch die Verbindungsleitung Das durch den Einlaß 68 in die der öffnung 45 49, die Einlaßöffnung 48 und die Öffnung 44 in die zugeordnete Kammer eingeströmte Gas wird durch dieser öffnung zugeordnete Kammer, wo es einen Auslaß 75, Verbindungsleitung 76 und Einlaß 77 in Vortrieb in Umdrehungsrichtung erzeugt. Verbindung mit der der Öffnung 46 zugeordneten

Rückstoß und Vorstoß sind begrenzt, weil auch 55 Kammer nochmals ausgenutzt. Der Auslaß in der

die Expansion des Gases durch das dem Gas zur letzten Stufe erfolgt durch Auslässe 78 und 79 sowie

Verfügung stehende Kammersystem begrenzt ist. Die durch eine Verbindungsleitung 80.

Energie des Gases wird also in diesem Augenblick F i g. 4 zeigt besonders deutlich die Art der Ver-

nur zu einem Teil ausgenutzt. bindung der Auslässe und Einlasse. Es sind die glei-

Eine weitere teilweise Ausnutzung der Energie des 60 chen Bezugszeichen wie in F i g. 3 verwendet. Der

Gases erfolgt in einer nächsten Stufe, wenn die öff- Arbeitszyklus erstreckt sich von einer Linie 81 bis zu

nung 43 mit einem Auslaß 54 zur Deckung kommt. einer Linie 82.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

ί 2 ■ in eine im Bereich der dichtenden Ringzylinderfläche Patentansprüche: liegende, annähernd tangential und in bezug auf die Drehbewegung des Rotors nach rückwärts gerichtete

1. Gasturbinenanlage mit einer tangential be- Öffnung mündet, und wobei ferner im Stator entlang aufschlagten Turbine mit intermittierender Ener- 5 der von der öffnung durchlaufenen Bahn als Eingieumsetzung, die einen Rotor und einen Stator oder Auslaß dienende Leitungsanschlüsse angeordnet aufweist, die auf einer Ringzylinderfläche einan- sind, die jeweils eine Durchströmung freigeben, wenn der dichtend gegenüberliegen, wobei sich im Ro- sich die öffnung am Leitungsanschluß vorbeibewegt, tor mindestens eine Kammer befindet, die in eine wobei jedem Einlaß mindestens ein Auslaß bezogen im Bereich der dichtenden Ringzylinderfläche lie- ίο auf die Drehrichtung nachgeordnet ist.

gende, annähernd tangential und in bezug auf die Größere Gasturbinen haben sich in den letzten

Drehbewegung des Rotors nach rückwärts ge- Jahrzehnten für Schiffs-, Lokomotiv- und Flugzeugrichtete Öffnung mündet, und wobei ferner im antriebe als wettbewerbsfähig gegenüber Dieselmoto-Stator entlang der j von der öffnung durchlaufe- ren durchsetzen können. Besonders in der letzten nen Bahn als Ein-, oder Auslaß dienende Lei- 15 Zeit wurden viele Versuche unternommen, für Krafttungsanschlüsse angeordnet sind, die jeweils eine fahrzeuge kleine Gasturbinen zu konstruieren. Das Durchströmung freigeben, wenn sich die öffnung Hauptproblem ist aber hier der günstige 'Wirkungsam Leitungsanschluß vorbeibewegt, wobei jedem grad. Es sind schon einige dieser Erfindung ähnliche, Einlaß mindestens ein Auslaß bezogen auf die mit dem Kammerprinzip arbeitende einstufige Gas-Drehrichtung nachgeordnet ist, dadurch ge- 20 turbinen bekannt. Diese Turbinen haben einen sehr kennzeichnet, daß mindestens zwei eine ge- großen thermischen Wirkungsgrad, wenn'dre"~Kam- ~meinsame Welle (16) antreibende Turbinenstufen mern mit einer^Tjrerinbaren Gasmischung geladen (20, 21, 22, 23) nebeneinander scheibenartig an- sind, die dort verbrennt, weil

geordnet sind, daß die Anzahl (n + 1) der einem 1. die Gasmischung in den Kammern bei konstan-

Einlaß (z.B. 37 in der ersten Turbinenstufe 20) 25 tem Volumen verbrennt und

nachgeordneten Auslässe (47, 54, 56, 58) um 1 2. die Turbinen mit sehr hoher Maximaltempera-

größer ist als die Zahl (n) der der betreffenden tür arbeiten können, da sie keine Kühlung benö-

Turbinenstufe (20) strömungstechnisch nachge- tigen, sondern sogar thermische Isolierung zulas-

. schalteten Turbinenstufen (21, 22, 23), daß jeder sen, wenn die Kammerwände aus hoch feuerfe-

(47, 54, 56) dieser Auslässe bis auf den letzten 3° sten Stoffen bestehen und z.B. nur jede zweite

(58) mit je einem Einlaß (48, 55, 57) einer der Ladung Brennstoff bekommt. In diesem Fall

.nachgeschalteten .Turbinenstufen (21, 22, 23) wird die Wärme nicht ans Kühlwasser abgege-

verbunden ist und daß der letzte (58) dieser Aus- ben, sondern sie wird der nachfolgenden Preß-

. lasse mit der Auspuffleitung (53) der Turbine luftladung zugeführt. Sie wird also als Nutzar-

verbunden ist. ...;.: ... ....' 35 ' b'eit verwertet.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, da- Aber trotz ihrer sehr hohen thermischen Wirdurch gekennzeichnet, daß die Kammer (7) mit kungsgrade haben diese Turbinen nur einen gerineinem brennbaren Gas oder Gasgemisch auflad- gen Gesamtwirkungsgrad, da der größte Teil der zur bar ist. Verfügung stehenden sehr großen Energie unausge-

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2, da- 40 nutzt verpufft, weil die Turbinen einstufig sind, und durch gekennzeichnet, daß die Bahnentfernung auch wenn die Drehzahl entsprechend erhöht würde zwischen Einlaß (10) und dem ersten nachgeord- (bei Turbinen mit 25 bis 30 cm Durchmesser auf neten Auslaß (11) derart bemessen ist, daß bei lOOOU/sec), würde der Gesamtwirkungsgrad nicht öffnung dieses Auslasses (11) der Verbrennungs- wesentlich besser werden, da mit der Drehzahlerhövorgang vollständig oder zumindest weitgehend 45 hung die aerodynamischen Verluste unverhältnismäabgeschlossen ist. ßig stark anwachsen würden. Außerdem ist diese

4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2, da- große Drehzahl aus verschiedenen Gründen sehr durch gekennzeichnet, daß die Bahnentfernung nachteilig.

zwischen Einlaß (10) und dem ersten nachgeord- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese

neten Auslaß (11) derart bemessen ist, daß bei 50 Schwierigkeiten zu beheben und die nutzlos verpuffte

öffnung dieses Auslasses (11) das in der Kammer Energie für die Nutzarbeit zu erhalten.

(7) befindliche Gas erst teilweise verbrannt ist. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß minde-

5. Gasturbinenanlage nach einem _der. An- stens zwei eine gemeinsame Welle antreibende Turbisprüchel bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in nenstufen nebeneinander scheibenartig angeordnet der Kammer eine Zündkerze oder ein Glühkopf 55 sind, daß die Anzahl (n + 1) der einem Einlaß nachangeordnet ist. :--.:■·. :·_· - geordneten Auslässe um 1 größer ist als die Zahl («)

der der betreffenden Turbinenstufe strömungstechnisch nachgeschalteten Turbinenstufen, daß jeder

dieser Auslässe bis auf den letzten mit je einem Ein-

60 laß einer der nachgeschalteten Turbinenstufen verbunden ist und daß der letzte dieser Auslässe mit der Auspuffleitung der Turbine verbunden ist.

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit Diese mehrstufige Turbine verwertet die zur Vereiner tangential beaufschlagten Turbine mit intermit- fügung stehende Gasenergie erheblich besser, da sie tierender Energieumsetzung, die einen Rotor und 65 schon bei etwa lOmal niedrigerer Drehzahl als bei einen Stator aufweist, die auf einer Ringzylinder- der von ähnlich großen einstufigen Turbinen (abhänfläche einander dichtend gegenüberliegen, wobei gig von der Stufenzahl) aus folgenden Gründen mit sich im Rotor mindestens eine Kammer befindet, die maximalem Wirkungsgrad arbeitet: