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KAISERLICHES

KLASSE

Die moderne Dampfmaschinentechnik strebt

der Anwendung immer höher gespannten und immer heißeren Dampfes zu* in der Absicht

, den thermischen Nutzeffekt zu erhöhen,

Aber die Verwendung hochgespannten und stark überhitzten Dampfes in Kolbcndampf-

_v maschinen (namentlich wegen der hohen Temperatur) stößt aus bekannten Gründen auf praktische Schwierigkeiten. Man baut

ίο zwar Kolbendampfmaschine!! für stark überhitzen Dampf (z. 13. System Schmidt oder Serpollct usw.) aber auch für diese bilden etwa 2O Atm. und 450⁰ C. die höchsten anwendbaren Druck- und Temperaturgrenzen.

>5 Und doch wäre die Erzeugung von auf 20 bis 40 Atm. gespanntem und auf 500 bis 800⁰C. überhitztem Dampfe in entsprechenden Kesseln bezw. Überhitzern wohl möglich. . Nun· besitzen gewisse Dampfturbinenkonstruktionen gegenüber den Kolbendampfmaschinen jenen hervorragenden Vorteil, daß sie Dampf auch von der höchsten Pressung und Temperatur schadlos aufzunehmen imstande sind. Solche Dampfturbinen sind in

aS erster Reihe die reinen Aktionsturbinen (z. B. System Laval, Riedler-Stumpf, Rateau, Zölly, Curtis, Hamilton, Elektra usw.). Aber auch die in dieser Hinsicht in zweiter Reihe stehenden Reaktionsturbinen (z. B. System Parsons) sind weniger empfindlich gegenüber hohen Dampftemperaturen als die Kolbendampfmaschinen.

Der heutigen Praxis entspricht es, daß bei sehr hohem Druck bezw. Überhitzung von

Kolbenmaschinen ganz abzusehen und das gesamte verfügbare Druck- bezw. Tempeί raturgefälle in Dampfturbinen auszunutzen ist. Obwohl ^es in vielen Fällen vorteilhaft : sein kann, mindestens zum Teile auch Kolbcndampfmascbinen in Anwendung zu bringen.

; Gegenstand dieser Erfindung bildet gerade ein solcher vereinigter Dampfturbinen- und i Kolbendampfmaschinenbetrieb, wobei bemerkt wird, daß es bekannt ist, Turbinen mit Dampf von sehr hoher Temperatur zu betreiben und auch die Verbindung einer Turbine mit einer Dampfmaschine mit umlaufendem Kolben nicht nur neu ist. Die im folgenden beschriebene Vereinigung einer 'Heißdampfturbine mit einer nachgcschalteten Dampfmaschine mit hin- und hergehenden Kolben stellt aber einen neuen Motortyp dar. i In den Zeichnungen sind verschiedene Möglichkeiten dieser Verbindung dargestellt. : Der vom Kessel 1 (s. Fig. 1) bezw. ■vom Überhitzer 2 kommende frische Heißidampf wird zuerst in eine Dampfturbine 3 ;oder in eine Gruppe von solchen (3 und 4) eingeleitet und der von dort austretende ■Dampf, welcher nun schon geringere Spannung und Temperatur hat, wird durch eine Kolbendampfmaschine mit hin- und hergehendem Kolben 5 oder eine Gruppe von solchen (5 und 6) hindurchgeleitet. Der Abdampf pufft schließlich aus oder wird im Kondensator 7 verdichtet. Dieses neue Arbeitsverfahren ist einerseits theoretisch vollkommener als das Arbeitsverfahren der besten heute üblichen Kolben - Compound - Dampfmaschinen mit hin- und hergehendem Kolben und verbindet auch andererseita^ifijiraleii^en Vorteile der

.'■'■■'. kolbcntnaschinen mit den praktischen Vorteilen der Turbinen. Dies ist also eine neue Gattung der Compoundisicrung, 'welche kurz »Turbo-Compöundisierung« genannt werden kann.

Die Vorteile dieser Turbo- Compoundisicrung sind:

1. Der frische Dampf von sehr hoher Pressung und Temperatur kommt nur mit

ίο einer Dampfturbine in Berührung, welche hierfür am geeignetesten ist.

2. Man kann einen Teil der Maschinenanlage (u. U. den größeren Teil) als Kolbendampfmaschine ausbilden, welche in vielen

Fällen eine bessere praktische Verwendbarkeit hat als eine Dampfturbine, sie kann z. B. mit einer Kolbenpumpe oder einem Kompressor direkt wirkend verbunden werden, ist umsteuerbar, was bei allen lokomo-

ao torischen Maschinen, ferner bei Walzwerken, Fördermaschinen usw. außerordentlich wichtig ist.

3. Liegt Kondensationsbetrieb vor, so; braucht kein besonderer Kondensator auf ge-i

»5 stellt zu werden, wenn die Kolbendampfmaschine mit einem solchen schon ausge-j rüstet ist. -'

Bei Anwendung dieser Turbo-Compoundisierung auf Neuanlagen ist der praktisch; mögliche höchste Dampfdruck (20 bis 40 Atm.) und die unter gegebenen Verhältnissen er-; reichbare höchste Überhitzung (5Oobis8oo°C); anzustreben, um so den maximalen thermi-; mischen Nutzeffekt sicher zu stellen.

Natürlich ist auch die Verwendung von Dämpfen solcher Flüssigkeiten, deren Siedetemperatur höher gelegen ist als jene des Wassers (z.B. Anilin, Solaröl usw.), in den höheren Temperaturregionen möglich, ebenso ₌ wie auch die Angliederung einer die Temperaturgrenzen nach unten erweiternden Kaltdampfmaschine (z. B. mit schwefliger Säure) und die Einfügung einer Niederdruckturbine, welche der Dampf zu passieren hat, bevor er auspufft oder in den Kondensator entweicht. Endlich kann auch Zwischen- oder mehrfache Überhitzung, Heizung der Zylinder und Receiver sehr hohe Glühdampftemperaturan (1000 bis 1600 ° C.) und auch die sonstigen möglichen, hier nicht besonders angeführten Verbesserungen des Dampfmaschinenbetriebes angewendet werden. Mit dem Wesen des neuen Arbeitsverfahrens hat die Anordnung und Verwendung der Dampfturbinen 3 und 4 und der Kolbendampfmaschinen 5 und 6 an sich nichts zu tun. Namentlich ist es gleich, ob diese jede besonders eine Arbeitsmaschine betreiben (z. B. Dynamo, Pumpe) oder aber ob sie eine gemeinsame Hauptwelle besitzen, oder mittels geeigneter Transmission miteinander verbunden sind. Auch ist es unwesentlich, ob der ' Kondensator 7 mit der Dampfmaschine6 unmittelbar verbunden sei. Dieser kann auch von einer besonderen Energiequelle betrieben werden, oder auch einer entlegenen anderen Maschinengruppe angehören (z. B. Zentralkon- ■ densationsanlage).

Es ist ferner darauf zu achten, daß ein möglichst geringer oberster Teil des Druck- und Temperaturgefälles in der eirifachen Dampfturbine von reiner Aktionswirkung (s. Fig. ι und 3, z. B. System Laval, Riedler-Stumpf, Elektra, oder einfache Curtis) verbraucht wird, die zwar die höchste Pressung und Temperatur verträgt und die ·. Fähigkeit besitzt, die Pressung und die Temperatur in einer einzigen Stufe beträchtlich herabsteigen zu lassen, die aber die Energieumwandlung mit verhältnismäßig geringem Nutzeffekt bewirkt. Es müssen vielmehr, namentlich bei größeren Maschineneinheiten, womöglich schon in der ersten, jedenfalls aber mindestens in der zweiten Stufe vier Dampfturbinen besten Wirkungsgrades, wenn auch von zusammengesetzterer Bauart (mit vielen Druckstufen, z.B. System Rateau, Zölly, Hamilton, Parsons oder vielstufige Curtis) verwendet werden.

Schließlich muß die Arbeit zwischen Türbinen und Kolbenmaschinen richtig verteilt Werden. Drei Hauptfälle sind möglich:

•1. Man benötigt nur hin- und hergehende *■;, Bewegung (z. B. zum Betriebe von Kolbenpumpe oder Kompressor, bei umsteuerbarer Lokomotiv-, Automobil-, Schiffs-, Förderoder Walzwerksmaschine, oder aber man wünscht aus anderen, z. B/-aus Fabrikationsrücksichten die Hauptmaschine als Kolbendampfmaschine anzufertigen). In diesem Falle werden wir die erste Stufe, die Dampfturbine (s. in Fig. 2 und 8), auf das unumgänglich notwendige Minimum reduzieren, und wir werden die rotierende Bewegung der Dampfturbine für sekundäre Zwecke verwenden, oder aber mittelst geeigneter Transmission mit der Kolbenhauptdampfmaschine 9 in Verbindung bringen.

2. Man benötigt nur drehende Bewegung (z. B. zum Betriebe einer elektrischen Zentrale, von Rotationspumpen, von Fabrikstransmissionen), oder es sprechen Platzmangel oder ökonomische Rücksichten für die Verwendung rein rotierender Motore. In diesem Falle wird die Hauptmaschine aus Dampf- ns turbinen bestehen (s. Fig. 3: 10 und 11), und wenn Umsteuerbarkeit benötigt wird, so müßte hierfür eine besondere, u. U. kleinere rückwärts laufende Dampfturbinengruppe (14 und 15, punktiert) dienen. Die an die no Dampfturbine 11 angeschlossene Kolbendampfmaschine 12 wird jedoch nur in solcher Größe

Claims

angefertigt, daß sie den Antrieb des Kondensators 13 und der übrigen Hilfsmaschinen wirtschaftlich bewerkstelligen kann und auch eine Betriebsreserve gegenüber den Dampfturbinen 10 und Ii darstellt. Sollte auch Umsteuerung notwendig sein, so muß die Kolbenmaschine auch eine besondere rückwärtslaufende Turbinengruppe 14 und 15 ganz oder teilweise ersetzen können.

Durch diese Hilfskolbendampf maschine ' (s. Fig. 4 und 12) wird u.U. auch nicht . die gesamte Dampfmenge hindurchgeleitet,; sondern nur ein Teil, und zwar mittels eines an das Ende des zwischenliegenden Turbinen- , teiles 16 anschließenden Rohres 17, während der andere Teil des Dampfes am Ende des Nicderdruckturbinenteiles 18, der der geringen Dampfmenge entsprechend dimensioniert ist, unmittelbar auspufft oder aber in den Konden-

ao sator 13 der Hilfskolbendampfmaschine entweicht.

Schließlich wird auch der Frischdampf vorerst in mehrere gesonderte Dampfturbinengruppen (s. Fig. 5: 19 und 20 bezw. 21 und 22) geleitet, an deren einem Teil 19 und 20 eine Kolbendampfmaschine 12 angegliedert ist, während aus dem anderen Teile 21 und 22 der Dampf unmittelbar in den Kondensator 13 entweicht.

3. Es wird hin- und hergehende und auch drehende Bewegung benötigt (Kombination des i. und 2. Falles, z. B. elektrische Zentrale vereint mit Wasserwerksanlage oder Grubenanlage, umfassend Pumpen, Kompressoren,:

Ventilatoren und Dynamos, vereint in einem'

Maschinenhause). ■ .' I

In solchem Falle bestimmt der Bedarf'

selbst das Verhältnis der Energieverteilung

: zwischen Dampfturbinen und Kolbendampf-

maschinen. j

Die Erfindung kann auch bei solchen bestehenden Dampfanlagen verwendet werden,; deren Wirkungsgrad bezw. Arbeitsleistung erhöht werden soll, in der Weise, daß die Teile der vorhandenen Dampfkessel- und Dampfmaschinenanlage womöglich auch im. neuen Betriebe nutzbar gemacht werden, und' daß die Umänderung mit möglichst geringen. Kosten und Betriebsstörungen vor sich geht.

Diese Umänderung kann in zweierlei Weise bewerkstelligt werden.

a) In den vorhandenen Kessel 1 (s. Fig. i) wird ein neuer Überhitzer 2 eingebaut oder der vorhandene vergrößert, oder es \yhd ein'

neuer Überhitzer mit eigener Feuerung aufgestellt und der stark überhitzte, z. B. 400⁰ C. heiße Frischdampf, dessen Druck jedoch, z. B.

■ 6 Atm., nicht geändert wurde, vorerst in einer neu aufgestellten Dampfturbine bezw.

in deren Serie 3 und 4 bis auf so niedrigen Druck, z. B. 3 Atm., und so niedrige Tempe-i ratur, z. B. 250⁰ C. (namentlich das letztere ist maßgebend), expandiert, wie die alte Dampfmaschine bezw. Dampfmaschinenserie 5 und 6, welche z. B. eine Flachschieberkondensations-Compounddampfmaschine ist, gerade noch verträgt (bei Flachschieber etwa 250⁰C, bei Corlißhähnen etwa 280⁰C, bei Kolbenschiebern mit Dichtungsringen etwa 3O0⁰ C., eingeschliffenen Kolbenschiebern etwa 400⁰G, bei Ventilmaschinen etwa 450⁰C). Die alte Dampfmaschine 5 wird nun mit verringerter Eintrittspressung, z. B. 3 Atm., jedoch mit verhältnismäßig hoher Anfangstemperatur, z. B. 250⁰ C, und verhältnismäßig großer Füllung arbeiten. Sie wird u. U. eine kleinere Diagrammfläche aufweisen als vor der Umänderung, aber infolge der Überhitzung werden die Kondensationsverluste in der Rohrleitung und im Zylinder verringert. Deshalb wird sie im Verein mit der Dampfturbine ebensoviel oder sogar noch mehr effektive Arbeit leisten können, und zwar bei besserem thermischen Nutzeffekte. Aus diesen Gründen darf man auch auf beträchtliche Brennmaterialersparnis rechnen. Bei dieser Durchführung dieser Turbo-Compoundisierung wurde nicht der Dampfdruck erhöht, sondern das Wärmegefälle vergrößert.

b) Der bestehende Kessel 1 (von z. B. go 10 Atm., s. Fig. 1) wird für höheren Druck (z. B. 25 Atm.) verstärkt oder ein neuer Kessel aufgestellt; ferner wird ein Überhitzer 2 eingebaut oder ein solcher mit eigener Feuerung aufgestellt, der Dampf von bedeutend höherer Temperatur (z.B. 600⁰C.) liefern kann, als der alte Kessel bezw. Überhitzer. Der stark überhitzte Frischdampf expandiert in einer neu aufgestellten Dampfturbine bezw'. Dampfturbinengruppe 3 und 4 too und nur der Abdampf der Turbine, der jedoch noch immer hoch überhitzt (z.B. 350⁰ C.) Dampf von hoher Spannung ist, (z. B. 8 Atm.) wird in die alte Dampfmaschine (z. B. Auspuffdampfmaschine mit Kolben-Schiebern, welche mit Dichtungsringen versehen sind) geleitet, und zwar mit jener Spannung und Temperatur, welche sie gerade noch vertragen kann. Die alte Dampfmaschine und die vorgeschaltete Dampfturbine werden jetzt bedeutend mehr effektive Arbeit leisten können als vorher die alte Dampfmaschine, und weil der thermische Nutzeffekt und die Kondensationsverhältnisse sehr, ausgiebig verbessert wurden, kann auch auf ganz bedeutende Ersparnis an Brennmaterial gerechnet werden.

Paten T-A ν Sprüche:

i. Verbindung von Dampfturbinen mit Kolbendampfmaschinen mit hin- und her-

gehendem Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Dampfkessel (i) bezw. aus dem Überhitzer (2) kommende frische Heißdampf zuerst in eine Dampfturbine (3) oder in eine Gruppe derselben (3 und 4) geleitet wird, und der hier austretende Dampf, welcher nun einen kleineren Druck und eine geringere Temperatur besitzt, durch eine Kolbendampf-'maschine-(5) mit hin- und hergehendem Kolben oder durch eine Gruppe derselben (5 und 6) geleitet wird.
2. Ausführungsform der im Anspruch 1 ■,;■■ gekennzeichneten Verbindung, dadurch ge- , kennzeichnet, daß behufs stufenweiser Aufzehrung des sehr großen Druck- und Temperaturgefälles der Dampf zuerst in eine einfache Dampfturbine von reiner

; Aktionswirkung geleitet wird, welche

weniger empfindlich ist, wenn sie auch einen geringeren Wirkungsgrad besitzt und erst nachher in zusarnmengesetzicre¹ Aktions- oder Reaktionsturbinen von höherem Nutzeffekte Und schließlich in¹ die Kolbendampfmaschine geleitet wird.

3. Ausführungsform der im Anspruch 1 gekennzeichneten Verbindung, dadurch gekennzeichnet, daß bei Maschinen, welche nur eine hin-und hergehende Bewegung haben sollen oder umsteuerbar sein sollen, oder aus anderen Gründen als Kolbendampfmaschinen gebaut werden sollen, die erste Stufe, die Dampfturbine' auf das unbedingt notwendige Minimum beschränkt und die Drehbewegung der Dampfturbine für nebensächliche Zwecke nutzbar gemacht oder mittels geeigneter! Transmission auf die Kolbendampfmaschine übertragen wird.

4. Ausführungsform der im Anspruch 1 gekennzeichneten Verbindung, gekennzeich-, net dadurch, daß bei Maschinen, welche; nur eine drehende Bewegung haben sollen, die an die Dampfturbine angeschlossene Kolbendampfmaschine nur so groß bemessen wird, daß sie den Betrieb des Kondensators und sonstiger Hilfsmaschinen ökonomisch bewerkstelligen kann und auch eine gewisse Betriebsreserve darstellt, und wenn ein Umsteuern notwendig ist,- auch eine besondere rückwärtslaufende Dampfturbine ersetzen kann.

5. Ausführungsform der im Anspruch 1 gekennzeichneten Verbindung, dadurch gezeichnet, daß von der Dampfturbine an einer zwischenliegenden Stelle ein Teil des Dampfes mittels eine Rohres (17) zur Speisung einer Kolbendampfmaschine (12) weggeleitet wird, deren Kondensator (13) so groß ist, daß er den gesamten, also auch den von der Turbine unmittelbar kommenden Dampf zu verdichten imstande ist.

6. Ausführungsform der im Anspruch 1 gekennzeichneten Verbindung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Turbinen (21, 22) unmittelbar mit dem Kondensator (13) in Verbindung steht, in jenen also der Dampf bis zum Kondensatordruck expandiert, während hinter den übrigen Turbinen (19, 20) auch noch eine oder mehrere Kolbendampfmaschinen (12) geschaltet sind, deren Kondensator (13) die gesamte Dampfmenge zu verdichten hat.

7. Ausführungsform der im Anspruch 1 gekennzeichneten Verbindung' bei schon vorhandener Maschinenanlage unter Verwendung des alten Kessels und der alten Dampfmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kessel und der Dampfmaschine ein neuer Überhitzer und neue Dampfturbinen eingeschaltet werden, und der aus der Dampfturbine tretende Dampf von niedriger Spannung, jedoch hoher Temperatur, in die alte Dampfmaschine geleitet wird.

8. Ausführungsform der im Anspruch 1 gekennzeichneten Verbindung bei schon vorhandener Maschinenanlage unter Ver-' wendung nur der alten Dampfmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kessel von bedeutend höherer Betriebsspannung, ein Überhitzer und eine Dampfturbine neu aufgestellt werden und der aus der Turbine tretende Dampf von noch erheblicher Spannung und Temperatur ,in die alte Dampfmaschine geleitet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.