DE2250355C3 - Verfahren zum Antreiben des Rotors einer Gasturbinenanlage und Gasturbinenanlage zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Antreiben des Rotors einer Gasturbinenanlage und Gasturbinenanlage zur Durchführung dieses VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Antreiben eines Rotors einer Gasturbinenanlage durch Kompression
und Expansion von Gasen, bei dem zunächst kaltes Gas mit relativ geringem Druck in Zellen des Rotors
eingeführt wird, bei dem dann an der Austrittsöffnung der Zellen eine erste Druckwelle in Richtung deren
Eintrittsöffnungen erzeugt wird, durch welche das Kaltgas in den Zellen einer ersten Verdichtung
ausgesetzt wird, bei dem dann in den Zellen durch deren Eintrittsöffnung ein Heißgas relativ höheren Druckes
eingeleitet wird und dadurch eine zweite Druckwelle in Richtung der Austrittsöffnungen der Zellen erzeugt
wird, welche das Kaltgas in den Zellen einer zweiten Verdichtung aussetzt, und bei dem eine dritte reflektierte
Druckwelle in Richtung der Eintrittsöffnungen erzeugt wird, die das Kaltgas weiter und das Heißgas
verdichtet.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Gasturbinenanlage zur Durchführung des Verfahrens mit auf einem
Rotor angeordneten Zellen zur Kompression und Expansion von Gasen im Laufe eines Zyklus und mit
Kammern und Leitungen für die Zu- bzw. Abfuhr der Gase.
Ein derartiges Verfahren und eine solche Gasturbinenanlage sind aus der US-PS 28 67 981 bekannt.
Wesentliches Ziel hierbei ist die Erzeugung von Heißgasen hohen Druckes, die zur Verrichtung von
Arbeit, z. B. Expansion in einer nachgeschalteten Düse verwendet werden können. Im einzelnen sind hier die
Rotorschaufeln im Bereich der Austrittsöffnungen der Zellen leicht gekrümmt. Weiter ist beschrieben, daß an
diesen gekrümmten Bereichen eine Verlangsamung bzw. Verzögerung der Gase auftritt, wodurch Energie
der strömenden Gase extrahiert wird, d. h. es kann Leistung von der Rotorwelle abgenommen werden, die
zum Antrieb von Hilfsaggregaten, wie z. B. einem Kompressor verwendbar ist. Aus diesen Merkmalen
läßt sich folgern, daß die Krümmung der Rotorschaufeln als »Impulsbeschaufelung« dienen, d. h. die auf die
Schaufeln auftreffenden Gasmoleküle übertragen ihren Impuls auf die Schaufeln. Eine solche Impulsbeschaufelung
ist allgemein bekannt und hat die wesentliche Eigenschaft, daß trotz der Umlenkung des Gasstromes
keine Veränderung des wirksamen Strömungsquerschnittes auftritt. Die Enden der Schaufeln verlaufen
daher etwa »sichelförmig«.
Die eingangs erwähnte dritte reflektierte Druckwelle ist daher auch nicht eine einzige Druckwelle sondern
vielmehr eine »Druckwellenfamilie«, deren Hauptkomponente zwar zur Eintrittsöffnung der Zellen gerichtet
ist, deren einzelne Druckwellen jedoch auch diffus gestreute Komponenten aufweisen.
Die GB-PS 8 03 659 zeigt einen Druckaustauscher mit einem Rotor, dessen Zellen im Auslaßbereich ebenfalls
leicht gekrümmt sind. Der Stator dieses Druckaustauscher besitzt Auslaß- bzw. Expansionsöffnungen, die
über eine Kaskade von Rückführleitungen mit Einlaßbzw. Kompressionsöffnungen verbunden sind. Die über
die Kompressionsöffnungen zugeführten Gase finden die Auslaßöffnungen der Zellen durch eine Wand
verschlossen vor, an welcher reflektierte Druckwellen entstehen, die stufenweise in kleinen Schritten für eine
Druckerhöhung sorgen.
Wesentliches Ziel dieses Drucktauschers ist es, die Strömungsgeschwindigkeit der Gase in einem weiten
Drehzahlbereich des Rotors klein zu halten. Da somit keine nennenswerte Gasströmung auftritt, haben die
Krümmungen am Auslaß der Rotorzellen auch keine merkliche Wirkung auf das Entstehen von Druckwellen
bzw. auf die Extraktion von Arbeit an dem Rotor. Generell soll ein Drucktauscher ja keine Leistung an der
Rotorwelle erzeugen.
Schließlich zeigt die DE-PS 8 79 344 einen ähnlichen Drucktauscher, allerdings mit Umkehrspülung, der
ebenfalls mit mehrfacher Kompression der Gase durch entsprechende mehrfache Rückführung der Gase
arbeitet. Die Rotorzellen sind an ihren den Rückführleitungen zugewandten Enden leicht gekrümmt, wobei
diese Krümmungen in bezug auf die Expansion der Gase von den Rotorzellen zu den Rückführleitungen als
Reaktionsbeschaufelung und in bezug auf die von den Rückführleitungen zu den Rotorzellen rückgeführten
Gase als Impulsbeschaufelung dienen sollen. Hiermit soll erreicht werden, daß die zwangsläufig beim
Übergang der Gase von den Rotorzellen zu den Rückführleitungen auftretende freie Expansion, die
einen Leistungsverlust verursacht, zur Verrichtung von Arbeit abgezweigt werden kann. Diese Arbeit kann zum
Drehen des Läufers und gegebenenfalls zum Abgeben von Leistung an der Rotorwelle herangezogen werden.
Da andererseits auch bei diesem Drucktauscher die Strömungsgeschwindigkeit der Gase in den Rotorzellen
und in den Rückführleitungen sehr gering ist, ist die als Nebenprodukt abgegebene Arbeit ebenfalls gering.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs genannten Art und die Gasturbinenanlage zur
Durchführung dieses Verfahrens dahingehend auszubilden, daß eine ausgesprochene flexible Arbeitsweise bei
hoher mechanischer Leistung erhalten wird, so daß eine Anwendung als Antriebsmotor für Automobile möglich
ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die dritte reflektierte Druckwelle innerhalb der
Rotorzelle vor der Expansion an einem Strömungshindernis am Übergang zu einer Düse erzeugt wird, daß die
Gase von der Düse ausgehend nach Art der Arbeitsweise einer Reaktionsturbine expandiert werden
und den Rotor antreiben und daß die heißen Gase in aufeinanderfolgenden Stufen innerhalb der Rotorzellen
entspannt werden.
Die Gasturbinenanlage zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß so ausgebildet, daß jede
Zelle des Rotors am Übergang zu einer Düse ein Strömungshindernis aufweist, das derart ausgebildet ist,
daß an ihm beim Auftreffen einer Druckwelle eine reflektierte Druckwelle erzeugt wird, daß der an dem
Strömungshindernis in Richtung der Auslaßöffnung anschließende Bereich der Zelle als Düse einer
Reaktionsturbine ausgebildet ist und daß das den Rotor aufnehmende Gehäuse eine Anzahl von als Expansionsstufen ausgebildeten Hochdruckheißgasexpansionsöffnungen
aufweist.
Durch die Erfindung werden folgende Vorteile gegenüber den bekannten Verfahren bzw. Gasturbinenanlagen
erzielt, wobei besondere Vorteile noch im Vergleich mit den üblichen Kolben-Verbrennungsmotoren
erreicht werden. Zunächst sei erwähnt, daß sämtliche Verdichtungen und Expansionen auf einem
einzigen Rotor durchführbar sind, der die nutzbare mechanische Leistung liefert. Wegen der besonderen
Form der Rotorzellen und des den Rotor umgebenden Gehäuses kann bei der Gasturbinenanlage während der
Verdichtungsphase eine kräftige reflektierte Druckwelle erzeugt werden — im Gegensatz zu der Druckwellenfamilie
bei der US-PS 28 67 981. Diese reflektierte Druckwelle erhöht zunächst den Druck des in den
Rotorzellen befindlichen Gases erheblich und ermöglicht eine Arbeitsweise mit hohem Wirkungsgrad bei
großer Drehgeschwindgkeit des Rotors. Die große Drehgeschwindigkeit des Rotors ermöglicht weitere
Erhöhungen des Arbeitsdruckes im Vergleich mit den bekannten Vorrichtungen. Die sehr hohen Drücke und
Temperaturen, die in den Gasen in den Rotorzellen erzeugt werden, bilden die Grundlage für ein höheres
Drehmoment und folglich eine größere spezifische Leistung für die Gasturbinenanlage. Durch die Expansion
der Gase in aufeinanderfolgenden Stufen an den Düsen innerhalb der Rotorzellen wird die verfügbare
Energie dieser Gase in bestmöglichem Ausmaß in nutzbare mechanische Energie umgewandelt, ehe die
Gase in einem offenen Zyklus ausgestoßen oder in einem geschlossenen Zyklus dem Kreislauf wieder
zugeführt werden.
Bei im offenen Zyklus arbeitenden, Brennstoff verbrennenden Versionen der erfindungsgemäßen
Gasturbinenanlage kann der außerhalb des Rotors stattfindende Verbrennungsvorgang mit derartig hohem
Wirkungsgrad durchgeführt werden, daß die Abgase im wesentlichen kein Kohlenmonoxyd oder
unverbrannten Brennstoff enthalten. Beim Außenverbrennungsverfahren können mit hohem Wirkungsgrad
einfache Brennstoffe ohne nachteilige Zusätze, wie beispielsweise Bleiverbindungen, verwendet werden.
Ferner kann Brennstoff niedriger Flüchtigkeit verwendet werden, wodurch in erheblichem Maße die aus dem
Verdampfen des Brennstoffes während des Transportes, der Lagerung oder in den Brennstofftanks von
Kraftfahrzeugen herrührende Umweltbelastung verringert oder vermieden werden kann.
Wegen der im einzelnen in den Unteransprüchen 5 bis 9 erwähnten beweglichen Wandungsabschnitte für die
Einlaß- und Auslaßöffnungen des Gehäuses kann die Gasturbinenanlage mit gutem Wirkungsgrad bei verschiedenen
Drehzahlen arbeiten. Die Erzielung einer wirksamen Betriebsweise bei verschiedenen Geschwindigkeiten
stellt eines der größeren Probleme dar, die bei dem Versuch, Turbinen bei Automobilen oder anderen
beweglichen Anlagen zu verwenden, auftreten.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten sind den Unteran-
Sprüchen zu entnehmen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der
Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische
Ansicht eines Teils einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage,
F i g. 2 eine Abwicklung eines Sektors einer einfachen
Ausführungsform der Gasturbinenanlage mit feststehenden Steueröffnungen, wobei eine reflektierte Druckwelle
bei deren Entwicklung zusammen mit anderen Druckwellen und Gastrennfronten, die für die Verdichtung
relevant sind, veranschaulicht ist,
F i g. 3 eine schematische abgewickelte Ansicht einer Gasturbinenanlage ähnlich Fig. 1, wobei jedoch mehr
Teile des Gesamtsystems dargestellt sind, und die eine bevorzugte Ausführungsform beweglicher Wandungsabschnitte
zur Steuerung der Größen und mittleren Stellungen bestimmter Einlaßöffnungen und Auslaßöffnungen
in dem Rotorgehäuse zeigt,
F i g. 4 eine abgewickelte Ansicht eines Teils einer alternativen Ausführungsform nach der Erfindung, bei
der in skizzenhafter Darstellung eine vollständige Gasturbinenanlage angedeutet ist und bei der ebenfalls
bewegliche Wandungsabschnitte vorgesehen sind, mittels derer die Größen und mittleren Stellungen
bestimmter Einlaß- und Auslaßöffnungen in dem Rotorgehäuse gesteuert veränderbar sind,
F i g. 5 eine abgewickelte Ansicht eines Teils des Aufbaus der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage,
welche insbesondere dazu dient, eine Anzahl von der Rückführung dienenden Strömungsphasen zu zeigen,
die dazu dienen, die Rotorzellen wieder mit Heißgasen zu füllen, um dadurch zusätzliche Reaktionsstufen zu
schaffen,
F i g. 6 eine weitere abgewickelte Ansicht eines Teils der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage, welche eine
Anzahl von der Rückführung dienenden Strömungsphasen mit dazugehörigen, durch die Rotorzellen gebildeten
Reaktionsstufen veranschaulicht sowie die grafische Darstellung einiger der darin erzeugten Expansionswellen,
ferner zeigen die
Fig.7A, 7B und 7C drei Ansichten eines Abschnitts
des Rotors, wobei die Rotorzellen schraubenlinienförmig ausgebildet sind,
F i g. 8A, 8B und 8C drei Ansichten eines Abschnitts
des Rotors, bei dem die Rotorzellen helikoidal geformt sind,
F i g. 9A, 9B und 9C drei Ansichten eines Abschnitts
des Rotors, wobei die Rotorzellen spiralförmig ausgebildet sind,
F i g. 1OA und 1OB alternative Ausführungsformen des
als Expansionsdüse ausgebildeten Bereiches der Rotorzellen und die
Fig. HA bis HF beispielhafte Anordnungen von
Arbeitssektoren der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage bezüglich der Drehachse.
Aus den F i g. 1 bis 3 und insbesondere aus F i g. 4, in der mehr Einzelheiten veranschaulicht sind, ist ersichtlich,
daß die Gasturbinenanlage eine Einlaßkammer 11 aufweist, über welche durch die durch Leitflügel 13 in
Einlaßöffnungen 14 unterteilte Kaltgas-Einlaßöffnung 12 Frischgas vergleichsweise niedriger Temperatur und
niedrigen Druckes zugeführt wird. Obwohl verschiedene Typen und Mixturen von Frischgas insbesondere in
Systemen mit geschlossenem Kreislauf verwendet werden können, wird angenommen, daß bei im offenen
Kreislauf arbeitenden Systemen das Frischgas niedriger Temperatur und niedrigen Druckes normalerweise Luft
sein wird, welche von der umgebenden Atmosphäre angesaugt wird. Die Luft wird der Einlaßkammer 11
durch ein Gebläse oder einen Verdichter 15 zugeführt.
Das Gebläse 15 ist durch eine Welle 16 angetrieben, die entweder direkt oder über ein Getriebe oder ähnliche
Einrichtungen an den Rotor 17 angeschlossen ist.
Auch kann das Gebläse über einen Antrieb variabler Drehzahl (stufenweise oder kontinuierlich variabel)
ίο oder durch ein unabhängiges Turbinenrad oder andere
ähnliche Einrichtungen angetrieben sein, welche es ermöglichen, daß die Zufuhr von Luft oder anderem
Kaltgas unabhängig von der Rotorgeschwindigkeit gesteuert werden kann. Das Gebläse 15 kann durch
jegliche Art von Pumpeinrichtungen gebildet sein, welche Luft von der Atmosphäre oder kaltes, im
Kreislauf rückgeführtes Gas bei Ausführungsformen, die im geschlossenen Kreislauf arbeiten, ansaugt und die
Einlaßkammer 11 füllt. Die Leitflügel 13 sind vorgesehen, um den einströmenden Kaltgasen den richtigen
Grad an Vordrall mitzuteilen. Diese Leitflügel können bei Anwendungsfällen konstanter Umfangsgeschwindigkeit
feststehend ausgebildet sein oder in ihrer Stellung variabel sein, um entsprechende Vordrallwinkel
über einen Bereich von Betriebsumfangsgeschwindigkeiten bei Anwendungsfällen variabler Geschwindigkeit
zu ermöglichen. Das Frischgas niedriger Temperatur und niedrigen Drucks in der Einlaßkammer 11
strömt durch die öffnung 12, wobei Öffnungen 14 durch die den Vordrall erzeugenden Leitflügel 13 gebildet
sind, um die verbrauchten Gase aus den Rotorzellen durch die Auspufföffnung 19 in die Auspuffkammer 20
auszuspülen. Dieser Spülvorgang erfolgt in dem Moment, in dem jede Rotorzelle mit ihrer entsprechenden
Einlaßöffnung, wie beispielsweise die Öffnung 21 bezüglich der Einlaßöffnung 12 freiliegt und ihr Auslaß
zur Auspufföffnung 19 offen ist.
In den F i g. 1 bis 4 ist ferner eine Heizkammer 22 dargestellt, deren Einzelheiten in F i g. 4 mit einer
Brennstoffeinspritzeinrichtung 24 und einem Zündmechanismus 25 zum Starten dargestellt ist. Es sei jedoch
darauf hingewiesen, daß jede bekannte Wärmequelle bei der Gasturbinenanlage verwendbar ist; beispielsweise
können die Gase in der Heizkammer 22 durch Verbrennung erhitzt werden. Jedoch kann die Wärmequelle
ebenso ein Kernreaktor, eine radioaktive Heizung, eine Sonnenenergieheizeinrichtung oder jede
andere bekannte Einrichtung zum Erhitzen von Gasen in einer Kammer sein. Bei dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel sei angenommen, daß das Erhitzen der Gase durch eine Verbrennung eines Öles,
beispielsweise Dieselöl in Luft erfolgt.
Dieses Öl wird über die Brennstoffeinspritzeinrichtung 24 zerstäubt oder verdampft, wobei der Zündmechanismus
25 die Zündflamme liefert. Der Zündmechanismus wird durch eine Steuereinrichtung 26 gesteuert.
Die Zündeinrichtung kann auch eine elektrische Heizeinrichtung oder eine Art Heizung aufweisen, die
den Brennstoff vorheizt, um die Verbrennung zu erleichtern.
Aus den F i g. 1 bis 9 ist ersichtlich, daß der Rotor eine Anzahl von Schaufeln 27 aufweist, die eine Anzahl von
verschiedenen Formen haben können. Wie weiter unten unter Bezugnahme auf die F i g. 7 A bis 7C, 8A bis 8C und
9A bis 9C näher erläutert, können diese Schaufeln oder Unterteilungen derart geformt sein, daß eine Strömungsmaschine
mit Axialströmung, Radialströmung oder mit anders gerichteter Strömung erzeugt wird.
Die Hohlräume zwischen den Rotorschaufeln werden im folgenden als Rotorzellen 18 bezeichnet.
Jede Rotorzelle 18 wird durch zwei Rotorschaufeln 27 auf beiden Seiten und durch eine Rotornabe 28 auf der
dritten Seite begrenzt. Die Rotornabe ist am besten aus den Fig. 1, 7A bis 7C, 8A bis 8C und 9A bis 9C
ersichtlich und bildet den Boden jeder Rotorzelle. Die Rotornabe 28 ist für schraubenlinienförmige Zellen
zylindrisch, scheibenförmig für spiralförmige Zellen und konisch für helikoidal geformte Zellen ausgebildet, wie
in den F i g. 7A bis 7C, 8A bis 8C und 9A bis 9C zu erkennen ist.
Wie insbesondere aus den F i g. 1 bis 6 ersichtlich, ist der die Kompressions- und die Expansionsstufe
bildende Rotor 17 in einem Gehäuse 29 eingeschlossen, dessen Wandungen im Bereich des Bewegungsweges
der Einlaßöffnungen und Auslaßöffnungen der Rotorzellen liegen. Jede Rotorzelle wird auf der Außenseite,
d. h. auf der Seite, die der Rotornabe gegenüberliegt, mittels entweder einer weiteren Wandung des Gehäuses
29 oder durch ein drehbares Schaufeldeckband 30, welches an den Schaufeln befestigt ist, begrenzt. Dieses
Schaufeldeckband ist in den Fig. 1, 2, 3 oder 4 nicht dargestellt, ist jedoch aus den F i g. 7A bis 7C, 8A bis 8C
und 9A bis 9C ersichtlich. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden die öffnungen in dem Gehäuse,
welche die verschiedenen Gaskammern mit den Rotorzellen verbinden, als »öffnungen« bezeichnet. Die
öffnung 12, welche die Einlaßkammer 11 mit den Rotorzellen verbindet, wurde bereits oben erläutert.
Aus den Fig. 1 bis 6 ist ferner ersichtlich, daß eine
Heißgaseinlaßöffnung 31, die von der Heizkammer 22 ausgeht, eine Auspufföffnung 19, welche zu der
Auspuffkammer 20 führt, eine Hochdruckkaltgasauslaßöffnung 32, die zu der Kammer 33 für verdichtetes
Kaltgas führt, mehrere Hochdruckheißgasexpansionsöffnungen 34E, 35E, 36E und 37£* und mehrere
Heißgasrückführöffnungen 34R, 35R, 36/? und 37R vorgesehen sind.
Das Spiel zwischen dem Rotor 17 einschließlich der Rotorschaufeln 27 und des möglicherweise vorgesehenen
Schaufeldeckbandes 30 und dem Gehäuse 29 ist auf allen Seiten klein genug, um zu verhindern, daß
zwischen benachbarten Rotorzellen oder von den Rotorzellen radial nach innen an der Nabe 28 vorbei
oder von den Rotorzellen radial nach außen an dem möglicherweise vorgesehenen Schaufeldeckband 30
vorbei eine merkliche Gasströmung auftritt. Dennoch reicht das Spiel zwischen dem Rotor 17 und dem
Gehäuse 29 aus, um eine unbehinderte Drehung des Rotors bei sämtlichen Betriebstemperaturen zu ermöglichen.
In den F i g. 5 und 6 ist das Spiel zwischen dem Rotor und dem ortsfesten Gehäuse als einzige Linie
dargestellt, um anzudeuten, daß das Spiel ausgesprochen klein ist.
Jeder Einlaß 21 einer Rotorzelle 18 weist im allgemeinen etwa denselben Querschnitt auf wie der
Hauptteil der Rotorzelle. Der Auslaß jeder Rotorzelle 18 ist als konvergierende Düse 38 ausgebildet. Der
Übergang zwischen der Rotorzelle 18 und der Düse 38 bildet ein Strömungshindernis 39, worauf sich dann ein
erweiterter Abschnitt 40 anschließt, wodurch sich eine zunächst konvergierende, dann divergierende Düse 41
bildet. Die minimale Querschnittsfläche der Düse in der Rotorzelle ist geringer als die des Hauptabschnitts der
Rotorzelle. Das Verhältnis von Querschnittsfläche der Düse zur Querschnittsfläche der Rotorzelle ist so klein
gewählt, daß an dem Strömungshindernis eine reflektierte Druckwelle erzeugt wird. Der Rotor 17 dreht im
Bereich der Einlaßkammer 11, der Heizkammer 22, der Auspuffkammer 20 und der Kammer 33 für verdichtetes
Kaltgas. Die Rotorzellen des Rotors nehmen Kaltgase aus der Einlaßkammer auf, welche zunächst als Spülgas
wirken, worauf heiße Gase aus der Heizkammer folgen. Die Gasturbinenanlage kann so aufgebaut sein, daß pro
Umdrehung des Rotors nur ein Zyklus durchfahren wird. Andererseits können die geschilderten Öffnungen
gruppenweise auch mehrfach um den Umfang des Rotors angeordnet sein, so daß bei einer vollen
Rotorumdrehung mehrere Zyklen durchfahren werden (vgl. die bogenförmigen Arbeitssektoren der Fig. HA
bis 11 F). Diese bogenförmigen Arbeitssektoren können
gleiche oder ungleiche Bogenabschnitte um den Umfang des Rotors einnehmen und sie können
symmetrisch oder asymmetrisch zu dessen Achse liegen.
Die Stufen, die bei einem Arbeitszyklus auftreten, d. h.
diejenigen, die während der Zeit auftreten, in der eine Rotorzelle des die Kompressions- und Expansionsstufe
bildenden Rotors einen Sektor durchläuft, werden im folgenden bei einer Betriebsweise im Auslegungspunkt
beschrieben, d. h. bei optimaler Drehzahl, bei bestimmten Brennstoffverbrauch, Heißgastemperatur und äußer;r
Last. Bei anderen Drehzahlen oder Temperaturen kann sich hinsichtlich des unten beschriebenen zeitlichen
Ablaufs die Ankunft und das Ablaufen der Druckwellen, reflektierten Druckwellen und Expansionswellen
unterscheiden. Diese Zustände werden als »Zwischenzustände« bezeichnet. Die sich ergebende
Folge von Ereignissen bleibt jedoch im wesentlichen dieselbe, obwohl Strömungen, Drücke, Temperaturen
und erzeugte Kraft von den charakteristischen Parametern der Arbeitsweise im Auslegungspunkt abweichen
können. Es treten eine Vielzahl von Druckwellen (direkte und reflektierte) und Expansionswellen in den
Rotorzellen als Folge des Öffnens und Schließens der Öffnungen während des Kompressionsvorganges und
während des anschließenden Expansionsvorganges der Heißgase auf. Bei der folgenden Diskussion jedoch
werden lediglich die wichtigsten Druckwellen und Expansionswellen, welche direkt die Betriebsweise und
die zeitliche Folge der Einlaß- und Auslaßöffnungen und der Rotorzellen bestimmen, beschrieben.
Bei Betriebsweise im Auslegungspunkt ist die Folge von Ereignissen am besten unter Bezugnahme auf
F i g. 2 ersichtlich. F i g. 2 stellt eine Bauweise dar, welche einfacher ist als die in den Fig.3 und 4
veranschaulichte Bauweise, was jedoch dazu dient, die Phänomene der primären und der reflektierten Druckwellen
zusammen mit einer frühen Stufe einer Expänsionswelle eindeutiger zu erläutern. Aus diesem
Grund sind bei der in Fig.2 veranschaulichten Bauart
keine beweglichen Blöcke in den Einlaß- und Auslaßöffnungen vorgesehen, welche notwendig sind, um eine
Arbeitsweise höheren Wirkungsgrads über einen Bereich verschiedener Drehzahlen zu ermöglichen. Aus
Gründen der Klarheit jedoch sind, wo immer möglich, in F i g. 2 dieselben Bezugszeichen wie in den F i g. 3 und 4
verwendet.
Es wird für den Moment angenommen, daß Heißgas durch die letzte Heißgasrückführöffnung 37R fließt.
Das Heißgas fließt in die Rotorzellen 18 und die Expansion aus diesen durch die Düse 38 erzeugt den
letzten Schub des Zyklus. Bei der hier beschriebenen Anordnung sind die Schaufeln 27 der Rotorzellen
tatsächlich um den gesamten Rotor 17 herum vorgesehen, jedoch wurden in den Zeichnungen auf der
230 261/81
Strecke der Kaltgaseinlaßöffnungen 12 und der Heißgasöffnung 31 die Schaufeln 27 weggelassen, um
diesen Bereich zur Erläuterung der Phänomene der primären und reflektierten Druckwelle freizulassen.
Abgesehen von den Wirkungen der Reibung an den Wandungen zeigt das fortschreitende, nicht plötzliche
Freigeben der Einlasse und Auslässe jeder Rotorzelle bezüglich der verschiedenen Einlaß- und Auslaßöffnungen
die Neigung, die Gastrennfronten, Druckwellen, reflektierten Druckwellen und Expansionswellen in
jeder Rotorzelle parallel zu den in den F i g. 2 und 6 veranschaulichten Richtungen auszubilden.
Es wird zunächst angenommen, daß die Rotorzellen 18 expandiertes oder restliches Heißgas enthalten,
welches am Ende des vorausgehenden Arbeitszyklus zurückbleibt. Während sich der Rotor 17 dreht (oder
sich in der abgewickelten Ansicht gemäß F i g. 2 scheint nach oben zu bewegen), werden die Einlaßöffnungen
der Rotorzellen 18 zur Einlaßkammer 11 über die Kaltgaseinlaßöffnung 12 geöffnet, und folglich wird das
Kaltgas in die Rotorzellen 18 geleitet. Aus der oben stehenden Beschreibung soll in Erinnerung gebracht
werden, daß die Einlaßkammer 11 durch das Gebläse 15 beschickt wird und folglich den gleichen oder einen
geringfügig höheren Druck als das in den Rotorzellen verbleibende restliche Heißgas aufweist. Die kalte Luft
tritt in die Rotorzellen ein und löst einen Spülvorgang aus, welcher die restlichen Heißgase durch die Düsen 38
der Rotorzellen und nach außen durch die Auspufföffnung 19 in die Auspuffkammer 20 austreibt.
Die Trennfront zwischen dem von der Einlaßkammer eindringenden Kaltgas und den restlichen Heißgasen in
den Rotorzellen ist durch die strichpunktierte Linie 42 dargestellt und wird im folgenden als Kaltgas/Heißgas-Trennfront
42 bezeichnet. Es ist ersichtlich, daß die Trennfront 42 einen Richtungswechsel aufweist, der am
Eingang zu den Düsen 38 der Rotorzellen beginnt. Dieser Richtungsv/echsel der Kaltgas/Heißgas-Trennfront
42 am Eingang der Düse beruht auf der größeren Geschwindigkeit der Gase durch die Düsen 38 im
Vergleich mit ihrer Geschwindigkeit durch den Hauptabschnitt einer Rotorzelle 18. Die in F i g. 2
veranschaulichte Trennfront 42 zeigt die offensichtliche stationäre Stellung der Trennfront vom Standpunkt
eines Beobachters am Rotorgehäuse 29. Trotz der offensichtlich festgelegten Stellung der Trennfront
bewegen sich die Gase auf beiden Seiten der Trennfront und die Trennfront 42 selbst mit hoher Geschwindigkeit
durch die Rotorzellen und die Düsen der Rotorzellen. Trotz der hohen Geschwindigkeiten dieser Gase durch
die Rotorzellen und die Düsen der Rotorzellen kann die Trennfront 42 durch die Drehung des Rotors stationär
erscheinend gemacht werden.
In dem Moment oder kurz nachdem die Trennfront 42 den Ausgang der Düse erreicht, ist der Spülvorgang und
Ansaugvorgang des Arbeitszyklus beendet und eine fortgesetzte Drehung des Rotors 17 bewirkt, daß die
Ausgänge der Düsen durch die Wandung 43 des Gehäuses 29 geschlossen werden. Das Schließen der
Düsen des Rotors bringt das Kaltgas, welches durch die Einlaßöffnung 12 aus der Einlaßkammer 11 eingetreten
ist, zur Ruhe. Durch dieses Anhalten des Kaltgasstroms wird eine Druckwelle 44 erzeugt, welche stromaufwärts
in Richtung des Einlasses der Rotorzelle fortschreitet. Das Kaltgas strömt jedoch weiter von der Einlaßkammer
11 in die Rotorzellen, während in jeder Rotorzelle, die durch die Wandung 43 verschlossen wurde, sich eine
Druckwelle dem Einlaß der Rotorzelle nähert. Wenn die Druckwelle 44 in einer Rotorzelle den Einlaß der
Rotorzelle erreicht, ist die zeitliche Abstimmung der Drehung des Rotors 17 derart, daß der Einlaß der
Rotorzelle durch die Wandung 45 verschlossen wird. Durch dieses Schließen wird die umgekehrte Strömung
von Kaltgas 46 höheren Druckes (komprimiert durch die Druckwelle 44) zurück in die Einlaßkammer 11
verhindert, und es wird gleichzeitig verhindert, daß eine nachteilige Expansionswelle in die Rotorzelle reflektiert
ίο wird. Durch dieses zeitlich gut abgestimmie Schließen
wird die Menge des in der Rotorzelle eingeschlossenen Kaltgases beim Höchstwert gehalten. An diesem
Arbeitspunkt ist das Kaltgas in der Rotorzelle teilweise komprimiert und der Druck des teilweise komprimierten
Kaltgases 46 liegt höher als der des Frischgases 47, welches von der Einlaßkammer 11 eintritt.
Bei einer im offenen Zyklus arbeitenden Gasturbinenanlage sehr einfacher Bauart, bei der sowohl die
Einlaßkammer als auch die Auspufföffnungen atmosphärischen Druck führen, kann dafür gesorgt werden,
daß die oben beschriebenen Spül- und Ansaugphasen als Resultat der Pumpwirkungen der sich bewegenden
schraubenlinienförmigen, spiralförmigen oder helikoidalen Kammern des Rotors auftreten. Diese Pumpwirkung
kann mit besonders gutem Wirkungsgrad in Verbindung mit der Ausführungsform der konvergierenden-divergierenden
Düsen (die im folgenden noch näher erläutert wird) angewandt werden, wobei der divergierende Abschnitt der Düse während des
Spülvorganges als mit Unterschallgeschwindigkeit arbeitender Diffusor wirkt. Bei komplexeren Ausführungsformen
der Gasturbinenanlage kann der Druck in der Einlaßkammer erheblich über den Druck in der
Auspufföffnung erhöht werden, und zwar mittels des oben erwähnten mechanisch getriebenen Gebläses 15,
eines Turboladers, einer Staudruck- oder Kompressionseinrichtung, wie sie bei Flugzeugen verwendet
wird, oder Kombinationen obenstehender Einrichtungen.
Bisher wurde der Spülvorgang der restlichen Heißgase wie auch das Ansaugen und die teilweise
Kompression des Kaltgases, d. h. der Ansaugluft, im Falle von Ausführungsformen, die im offenen Zyklus
arbeiten, beschrieben. Nach Abschluß der Spül- und Ansaugphase des Arbeitszyklus öffnet die fortgesetzte
Drehung des Rotors 17 die Einlasse der Rotorzellen über die Heißgaseinlaßöffnungen 31 von der Heizkammer
22. Durch dieses Öffnen wird eine Trennfront oder Grenzfläche 48 zwischen dem Heißgas 49 hoher
Temperatur und hohen Druckes aus der Heizkammer 22 und dem vergleichsweise kalten, teilweise verdichteten
Gas 46, welches in den Rotorzellen eingeschlossen ist, erzeugt. Wie bereits oben in Verbindung mit der
Trennfront 42 erläutert, ist die Trennfront 48 als strichpunktierte Linie veranschaulicht, welche eine
stationäre räumliche Beziehung in einer Anzahl von Rotorzellen darstellt. Dies stellt die Lage der Trennfront
48 dar, welche beobachtet werden könnte, falls die Trennfront markierbar wäre und der Betrachter
oberhalb des Gehäuses bezüglich F i g. 2 befindlich wäre. Die Trennfront 48 bleibt in der gleichen Stellung
bezüglich des Gehäuses 29. Diese Trennfront bewegt sich jedoch tatsächlich schnell durch die Rotorzellen,
wobei die Orientierung der Trennfront bezüglich des Gehäuses durch die anfängliche Richtung des Einströmens
heißer Gase (in diesem Falle axial) durch die öffnung 31 das Druckverhältnis zwischen Heißgas 49
und teilweise verdichtetem Gas 46 und die Eigenge-
schwindigkeit der Rotorzelle bestimmt ist.
Wegen des anfänglichen Druckunterschiedes bezüglich dieser Trennfront, welche bei Betriebszuständen des
Auslegungspunktes dem Geschwindigkeitsunterschied zwischen dem eingeschlossenen, teilweise verdichteten
Kaltgas 46 in den Rotorzellen und dem Heißgas 49 hoher Temperatur, welches durch die Heißgaseinlaßöffnung
31 strömt, entspricht, wird eine zweite Druckwelle 50 erzeugt, welche sich, ausgehend vom Rotorzelleneinlaß,
durch das teilweise verdichtete Kaltgas fortpflanzt. Diese Druckwelle 50, die sich schneller bewegt als die
Trennfront 48 zwischen Heißgas und verdichtetem Kaltgas, durchläuft die Länge der Rotorzelle und erhöht
hierbei nochmals den Druck des teilweise verdichteten Kaltgases in der Rotorzelle. Die Druckwelle 50 ist in
F i g. 2 in einer räumlichen Beziehung oben beschriebener Darstellungsweise veranschaulicht. Die Druckwelle
50 ist bezüglich des Gehäuses 29 ortsfest, bewegt sich jedoch mit hoher Geschwindigkeit bezüglich der
Rotorzellen 18.
Wenn die Druckwelle 50 das Strömungshindernis 39 der Rotorzelle erreicht, welches den Eingang zu der
konvergierenden Düse 38 der Rotorzelle (oder der konvergierenden-divergierenden Düse 41 bei einer
abgewandelten Ausführungsform) bildet, wird eine reflektierte Druckwelle 51 erzeugt. Die Stärke der
reflektierten Druckwelle hängt von der verringerten Querschnittsfläche der Düsenöffnung im Vergleich mit
der Querschnittsfläche der Rotorzelle, von der Rotorgeschwindigkeit, der Temperatur der Heißgase und dem
Anstellwinkel der Rotorschaufeln ab. Die reflektierte Druckwelle 51 bewegt sich schnell durch das nunmehr
verdichtete Kaltgas 52 und durch die einströmenden Heißgase 49 zu diesem stromaufwärts in Richtung des
Einlasses der Rotorzellen. Es soll darauf hingewiesen werden, daß, was auch für die Beschreibungen der
anderen bereits erwähnten Wellen und Trennfronten zutrifft, die reflektierte Druckwelle 51 in einer
räumlichen Beziehung dargestellt ist, d. h. ortsfest bezüglich des Rotorgehäuses, obwohl sie sich mit hoher
Geschwindigkeit durch die Rotorzellen 18 bewegt. Addiert man die Eigengeschwindigkeit der Rotorzellen
zu der Geschwindigkeit der Druckwelle durch die Zellen, so wird der Vektor der reflektierten Druckwelle
in die in F i g. 2 veranschaulichte Stellung gedreht, wo er als ein konstanter Vektor bezüglich des Rotorgehäuses
erscheint.
Die reflektierte Druckwelle 51 vergrößert beim Durchlaufen der Rotorzelle nochmals den Druck der
Kaltgase 53 und der Heißgase 54, die hinter der reflektierten Druckwelle liegen. Es ist zu sehen, daß eine
Änderung der Orientierung der reflektierten Druckwelle 51 an der Trennfront 48 zwischen Heißgas und kaltem
verdichteten Gas auf Grund der im Vergleich mit der Geschwindigkeit der reflektierten Druckwelle in dem
verdichteten Kaltgas 52 größeren Geschwindigkeit der reflektierten Druckwelle in dem Heißgas 49 auftritt.
Ferner tritt eine Änderung der Orientierung der Trennfront 48 zwischen Heißgas und verdichtetem
Kaltgas an deren Schnittpunkt mit der reflektierten Druckwelle 51 auf. Diese Änderung der Orientierung
erfolgt auf Grund der verringerten Strömungsgeschwindigkeit des verdichteten Kaltgases 53 und des
Heißgases 54 durch die Rotorzelle nach dem Durchgang der reflektierten Druckwelle 51. Es ist ferner zu sehen,
daß auf Grund der größeren Geschwindigkeit der Gase durch die Düse 38 im Vergleich mit der Geschwindigkeit
durch die Rotorzelle 18 eine "weitere Änderung der Orientierung der Trennfront 48 zwischen Heißgas und
verdichtetem Kaltgas am Eingang zur Düse auftritt.
Als Ergebnis der Wirkungen der Druckwellen 44 und 50 und der reflektierten Druckwelle 51 wird der Druck
des vergleichsweise kalten Gases 53 in der Rotorzelle auf den im Arbeitszyklus der Antriebsturbine erreichten
Maximaldruck erhöht. Der Druck des Heißgases 54 in der Rotorzelle, welches ebenfalls der reflektierten
Druckwelle 51 ausgesetzt wurde, liegt, obwohl er durch die reflektierte Druckwelle erheblich erhöht wurde,
etwas unter dem Druck des Kaltgases 53, da die reflektierte Druckwelle 51 in ihrer Stärke etwas
verringert ist, nachdem sie die Trennfront 48 zwischen Heißgas und verdichtetem Kaltgas durchlaufen hat und
ihre Bewegung in Richtung der Ansaugöffnung der Rotorzelle fortsetzt. An diesem Punkt im Arbeitszyklus
jedoch ist der Druck des Heißgases 54 hinter der reflektierten Druckwelle 51 auf ein Niveau angehoben,
welches erheblich höher liegt als das Heißgases 49 in der Heizkammer 22, wobei es jedoch gleichzeitig unter dem
Druck des verdichteten Kaltgases 53 in der Rotorzelle bleibt.
In dem Zeitpunkt oder nahe dem Zeitpunkt, in dem die Druckwelle 50 eine Düse 38 einer Rotorzelle
erreicht, bringt die fortgesetzte Drehung des als Kompressions- und Expansionsstufe dienenden Rotors
17 jeden Auslaß einer Düse der Rotorzelle in Flucht mit der Hochdruckkaltgasauslaßöffnung 32, die in die
Hochdruckkaltgaskammer 33 und von hier (über die Leitung 55 um den Rotor) auf die Einlaßseite der
Heizkammer 22 führt. Dies ist unter Bezugnahme auf Fig.4 besser ersichtlich, wo die Öffnung 32, die
Kammer 33, die Leitung 55 und die Heizkammer 22 sämtlich veranschaulicht sind und der Strömungsweg
des Hochdruckkaltgases 53 aus der Düse 38 der Rotorzelle auf die Einlaßseite der Heizkammer 22
dargestellt ist. Bei einer Ausführungsform der Gasturbinenanlage ist wahlweise ein Wärmetauscher 56
vorgesehen und derart angeordnet, daß die ausgespülten oder verbleibenden Heißgase zum Vorheizen der
Hochdruckkaltgase, die durch die Leitung 55 strömen, verwendet werden, ehe diese in die Heizkammer 22
eintreten.
Wie ferner aus F i g. 4 ersichtlich, kann das überschüssige Hochdruckkaltgas 53 (oder Luft), welches nicht von
der Heizkammer 22 gebraucht wird, um den Betrieb der erfindungsgemäßen Antriebsturbine aufrechtzuerhalten,
durch ein Rückschlagventil 57 und eine Leitung 58 in einen Hochdruckspeichertank 59 geleitet werden, um
in Verbindung mit einem Hochdruckgas- (oder Luft-)System verwendet zu werden.
Ein wichtiger Gesichtspunkt der Expansion und des Ausstoßens des Hochdruckkaltgases 53 liegt in der bei
diesem Vorgang getanen Arbeit. Die Expansion und das Ausstoßen des Hochdruckkaltgases 53 aus den Rotorzellen
18 durch die Düsen 38 der Rotorzellen erfolgt in einer Richtung, die eine relative Geschwindigkeitskomponente
aufweist, welche der Bewegungsrichtung des die Kompressions- und Expansionsstufe bildenden
Rotors 17 entgegengerichtet ist. Das Ausstoßen der vergleichsweise kühlen, im Höchstmaße verdichteten
Gase 53 ist eine arbeitserzeugende Expansion hohen Wirkungsgrades und liefert über einen großen Bereich
von Rotorgeschwindigkeiten einen Beitrag zu dem erzeugten positiven Drehmoment, wobei ebenfalls mit
hohem Wirkungsgrad der durch die reflektierte Druckwelle 51 in dem Kaltgas 53 erzeugte Druck
genutzt wird. Dieser Beitrag ist dadurch möglich, daß
die Düsen 38 in den Rotorzellen vorgesehen sind, welche gleichzeitig die reflektierte Druckwelle 51
erzeugen und die Strömung des Hochdruckkaltgases 53 aus der Rotorzelle steuern. Diese Reaktionswirkung
wird durch die konvergierenden Düsen 38 oder, wie dies im folgenden noch näher erläutert wird, durch
konvergierende-divergierende Düsen 41 erzeugt, welche wirksam sind, die Geschwindigkeit der ausströmenden
Hochdruckkaltgase über deren Geschwindigkeit in den Rotorzellen hinaus zu erhöhen.
Wie aus F i g. 2 ersichtlich, ist das Rotorgehäuse ferner derart ausgebildet, daß zum oder nahe am
Zeitpunkt, wo die reflektierte Druckwelle 51 den Einlaß der Rotorzelle erreicht, dieser Einlaß durch die
Wandung 60 verschlossen wird. Dieses Verschließen erfolgt, da der die Kompressions- und Expansionsstufe
bildende Rotor 17 kontinuierlich dreht und seine Drehung unter den Betriebsbedingungen des Konstruktionspunktes
derart ist, daß, wenn die reflektierte Druckwelle 51 die Einlaßöffnung 21 der Rotorzelle (in
welcher das Phänomen auftritt) erreicht, sich diese Einlaßöffnung in den Bereich oder gegenüber der
Wandung 60 bewegt hat. Da die Einlaßöffnung der Rotorzelle durch die Wandung 60 des Gehäuses
verschlossen wird, wird eine Verringerung des Druckes der durch die Druckwelle verdichteten Heißgase in der
Rotorzelle verhindert. Während des Zeitabschnitts, in dem die reflektierte Druckwelle 51 eine Rotorzelle 18
durchläuft, setzen die Heißgase 49 ihre Strömung durch die Öffnung 31 in die Rotorzelle 18 fort, wodurch die
Füllung an in die Rotorzelle eingespeisten Heißgasen maximiert wird. Im oder nahe am Zeitpunkt, in dem die
Trennfront 48 zwischen Heißgas und verdichtetem Kaltgas den Auslaß der Düse der Rotorzelle erreicht,
wird dieser Auslaß der Düse durch die Wandung 61 verschlossen, wodurch eine Druckwelle 62 erzeugt wird.
Dieses Verschließen erfolgt wiederum wegen der fortgesetzten Drehung des Rotors 17. In F i g. 2 ist
ferner eine Expansionswelle (oder Fächer) 63, 64 veranschaulicht, welche durch die ursprünglich ausgelöste
Welle 63 und die endgültige Welle 64 begrenzt wird. Über den Expansionsfächer erfolgt ein kontinuierlicher
Abfall des Gasdruckes von der Welle 63 zur Welle 64. Der Expansionsfächer 63 wird dadurch erzeugt, daß sich
die Gase in der Rotorzelle bei einer bestimmten Geschwindigkeit in Richtung der Düse der Rotorzelle
bewegen und zu dem Zeitpunkt, an dem der Einlaß der Rotorzelle verschlossen wird, plötzlich angehalten
werden. Die Druckwelle 62 wird in der gleichen Weise wie die ursprüngliche Druckwelle 44 erzeugt, d. h. indem
die Gasströmung aus der Düsenöffnung plötzlich abgeschaltet wird, was in diesem Fall durch die
Wandung 61 erfolgt. Die Druckwelle 62 zeigt die Neigung, den Expansionsfächer 63,64 zu versetzen oder
zu beenden. Die kombinierte Wirkung des Expansionsfächers 63, 64 und der Druckwelle 62 liegt darin, die
Gase in der Rotorzelle zeitweilig in Ruhe zu versetzen.
Während der Expansion oder des Abblasens der hochverdichteten Kaltgase 53 aus dem Rotor, stellt der
Vorgang der Expansion oder des Abblasens der hochverdichteten Heißgase 54 normalerweise den
bedeutsamsten Beitrag zu dem Rotordrehmoment dar und folglich auch zu der durch einen derartigen Motor
erzeugten Leistung.
In diesem Zusammenhang wird auf die F i g. 5 und 6 Bezug genommen. In den Fig.5 und 6 wurden die
Schaufeln 27 wiederum im größten Teil der Zeichnungen weggelassen, um die Erläuterung zu vereinfachen.
In Fig.5 sind vier Stufen der Rückführung und Expansion in einem Sektor der Gasturbinenanlage
gezeigt. Die Hochdruckheißgasexpansionsöffnungen sind durch den Buchstaben E, wie beispielsweise 34£
gekennzeichnet und die Heißgasrückführungsöffnungen sind mit einem R, wie beispielsweise 347? gekennzeichnet.
Die Hochdruckheißgasexpansionsöffnungen 34E bis 37E sind über nicht dargestellte Leitungen, die um
das Äußere des Rotors herumgeführt sind, mit den
ίο entsprechenden Heißgasrückführöffnungen 34/? bis 37R
verbunden. Die Zuordnung ergibt sich durch die Bezugszeichen; so ist beispielsweise die Hochdruckheißgasexpansionsöffnung
35£" mit der Heißgasrückführöffnung 35R verbunden.
Obwohl die Abmessungen der einzelnen Öffnungen der F i g. 5 und 6 gegenüber denen der anderen Figuren
unterschiedich dargestellt sind, sei noch einmal erwähnt, daß gleiche Bezugszeichen in den einzelnen Figuren
auch gleiche Teile, d. h. hier Öffnungen, bezeichnen.
Aus den F i g. 5 und 6 ist zu erkennen, daß die Größe der Hochdruckheißgasexpansionsöffnungen 34E, 35E,
36fund 37EsOWIe der Heißgasrückführöffnungen 34/?,
35 R, 36R und 37R fortschreitend zunimmt. Diese fortschreitende Zunahme erfolgt in Drehrichtung des
Rotors und dient dazu, den fortschreitend größeren Anteil der Heißgase wie auch deren expandiertes
Volumen in jede aufeinanderfolgende Stufe aufzunehmen. Die endgültige Expansion der Heißgase und die
entsprechende Reaktion des Rotors tritt auf, wenn die Gase in die Auspufföffnung 19 abgeleitet werden. An
diese Stufe schließt sich eine Strömung von kaltem Spülgas an, welches durch die Einlaßöffnung 12 in die
Zellen eintritt. Der nächste Arbeitszyklus beginnt dann.
Eine alternative Ausführungsform mit drei Rückführungsstufen ist in Fig.6 gezeigt, die hinsichtlich der
abgewickelten Darstellung der F i g. 5 entspricht. Die Abmessungen und örtliche Lage der Hochdruckheißgasexpansionsöffnungen
34E, 35E und 37E sowie der Heißgasrückführöffnungen 34/?, 35/? und 37/? sind so
gewählt, daß bei Betriebsbedingungen am Auslegungspunkt die zeitlich abgestimmte Ankunft der wesentlichen
Expansionswellen zu der wirksamen Strömung der expandierenden Heißgase beiträgt. Die Öffnungen 36E
und 36/? der F i g. 5 sind in F i g. 6 nicht vorgesehen, da hier lediglich drei Rückführungsstufen vorhanden sind.
Wie bereits erwähnt, kann eine Expansionswelle
entweder durch Beendigung einer bestehenden, nach innen gerichteten Strömung an deren Ausgangspunkt
oder durch Auslösen einer nach außen gerichteten Strömung in einen Bereich niedrigeren Druckes erzeugt
werden. Die erste Art von Expansionswelle bringt das sich bewegende Gas zur Ruhe und beginnt hierbei am
Punkt der nach innen gerichteten Strömung, während die zweite Art von Expansionswelle die Strömung durch
einen Auslaß einleitet oder beschleunigt. Es soll darauf hingewiesen werden, daß eine Druckwelle eine einzige
Welle einer Druckunstetigkeit ist, während eine Expansionswelle ein Bereich von sich kontinuierlich
ändernden Drücken ist. Die durch eine derartige Expansionswelle eingenommene Zone wird manchmal
als Expansionsfächer bezeichnet. In F i g. 5 sind keine Expansionsfächer gezeigt. In F i g. 6 sind die Expansionsfächer
aus Gründen der Einfachheit als einzelne Linien dargestellt, da jeder der durch den Fächer
eingeschlossenen Winkel sehr klein ist.
In F i g. 6 ist der in Verbindung mit F i g. 2 beschriebene Expansionsfächer 63,64 aus Gründen der
Einfachheit als einzelne Linie 63 dargestellt. Diese
Expansionswelle wurde durch Beendigung der vorhandenen Heißgasströmung durch die Öffnung 31 ausgelöst,
als die Zelle durch die Wandung 60 verschlossen wurde. Folglich ist der Expansionsfächer 63 von der
ersten der obenerwähnten Arten. Die in F i g. 6 gezeigten Expansionsfächer oder -wellen sind nicht mit
Knickstellen an den Düsen dargestellt, da die Zeichnung in verkleinertem Maßstab vorliegt, obwohl derartige
Wellen eine Knickstelle an den Eingängen der Expansionsdüsen haben, ähnlich wie in F i g. 2 dargestellt.
Wie aus F i g. 2 ersichtlich, wird, wenn die Expansionsdüse der Zelle durch die Wandung 61
verschlossen wird, eine Druckwelle 62 erzeugt, welche die Neigung zeigt, die Wirkung der Druckverringerung
des Expansionsfächers 63 aufzuheben. Die kombinierte Wirkung dieser beiden liegt dann darin, die Heißgase in
der Rotorzelle zu einem zeitweiligen Halt zu bringen. Unmittelbar nachdem der Auslaß der Düse der
Rotorzelle zur Expansionsöffnung 347J geöffnet wird, wird hierdurch eine Expansionswelle 65 (vergleiche
F i g. 6) der zweiten Art ausgelöst. Dadurch tritt eine nach außen gerichtete Strömung von Heißgasen durch
die Hochdruckheißgasexpansionsöffnung 347J in einem Bereich geringeren Druckes auf. Wie ferner aus F i g. 6
ersichtlich, wandert die Expansionswelle 65 stromaufwärts in Richtung der Wandung 60 zu einer Stelle
zwischen der Heißgaseinlaßöffnung 31 und der ersten Heißgasrückführöffnung 347?. Da die Heißgase eine
Bewegung in Richtung der Düse der Rotorzelle aufweisen, setzen sie ihre Strömung in dieser Richtung
selbst dann fort, wenn die Expansionswelle 65 die Wandung 60 erreicht und erzeugen dadurch eine
reflektierte Expansionswelle 66. Die Gase jedoch, die durch die Wandung 60 begrenzt werden, die reflektierte
Expansionswelle 66 und die Expansionswelle 67 müssen bezüglich der Rotorzelle zur Ruhe kommen, während
die Gase, die zwischen der reflektierten Expansionswelle 66 und der Düse der Rotorzelle sind, ihre Strömung
nach außen durch die Düse fortsetzen, bis die reflektierte Expansionswelle 66 die Düse erreicht. Da
der Rotor 17 seine Drehung fortsetzt, werden die Auslässe der Düsen der Rotorzellen zur Hochdruckheißgasexpansionsöffnung
35E geöffnet und folglich wird eine weitere Expansionswelle 67 erzeugt. Die
Expansionswelle 67 durchläuft die Rotorzelle und kommt im Idealfall am Einlaß der Rotorzelle dann an,
wenn der Einlaß der Rotorzelle zur Heißgasrückführöffnung 347? geöffnet wird. Die Wirkung der Expansionswelle 67 liegt darin, den Druck der Rotorzelle auf ein
niedrigeres Niveau zu senken. Das teilweise entspannte Heißgas, welches aus der Hochdruckheißgasexpansionsöffnung
34Ein Leitungen geführt wird, fließt somit durch die Heißgasrückführöffnung 347? und tritt in die
zur Heißgasrückführöffnung 347? geöffneten Rotorzellen ein.
Die Heißgase höheren Drucks (jedoch teilweise entspannt) aus der Heißgasrückführöffnung 347? können
beim Eindringen in die Rotorzellen, falls eine Fehlanpassung von Druck und Geschwindigkeit mit den darin
befindlichen Gasen vorliegt, eine Druckwelle oder eine Expansionswelle erzeugen, welche sich in die Rotorzellen
fortpflanzt, während die Strömung durch die Rotorzelle in Richtung der zweiten Hochdruckheißgasexpansionsöffnung
35E fortgesetzt wird. Mittlerweile wird durch die fortgesetzte Drehung des Rotors der
Einlaß der Rotorzelle durch die Wandung 68 geschlossen und hierdurch eine Expansionswelle 69 erzeugt, die
aus dem plötzlichen Anhalten der nach innen gerichteten Strömung des Heißgases herrührt. Die Expansionswelle 69 durchläuft die Rotorzelle und kommt am
Auslaß der Düse der Rotorzelle zum gleichen Zeitpunkt an, an dem die Düse der Rotorzelle zur Hochdruckheißgasexpansionsöffnung
37E geöffnet wird. Wenn die Düse der Rotorzelle zur Hochdruckheißgasexpansionsöffnung
37£ geöffnet wird, wird eine Expansionswelle 70 der zweiten Art erzeugt und die Expansionswelle 70
wandert stromaufwärts durch die Rotorzelle. Im
ίο Idealfall wird zu dem Zeitpunkt, zu dem die Expansionswelle 70 an der Wandung 68 anlangt, der Einlaß der
Rotorzelle zur Heißgasrückführöffnung 357? geöffnet, welche das in Leitungen von der Hochdruckheißgasexpansionsöffnung
35E zugeführte, zum zweiten Mal entspannte Gas führt. Die Wirkung der Expansionswelle
70 verringert wiederum den Druck in der Rotorzelle und ermöglicht es, daß das doppelt entspannte Heißgas
aus der Heißgasrückführöffnung 357? in die Rotorzellen einströmt. Diese einströmenden Heißgase erzeugen
ebenfalls eine Druckwelle oder eine Expansionswelie in die Rotorzelle hinein in der für die vorangehende
Rückführungsstufe beschriebenen Weise. Die Heißgase strömen durch die Rotorzellen in die Hochdruckheißgasexpansionsöffnung
3775. Als Folge jeder Expansion und des Ausströmens der Heißgase aus der Rotorzelle durch
die Düsen der Rotorzelle erzeugt die Reaktion ein Drehmoment am Rotor. Die Strömung der doppelt
entspannten Heißgase in die Rotorzellen für eine dritte Expansion durch die Hochdruckheißgasexpansionsöffnung
37 E wird fortgesetzt. Wenn sich der Rotor 17 zu einem Punkt bewegt, wo der Einlaß der Rotorzelle
durch eine Wandung 71 verschlossen wird, wird eine weitere Expansionswelle 72 der ersten Art erzeugt,
welche die Rotorzelle in Richtung des Auslasses der Düse der Rotorzelle durchläuft. Die Expansionswelle 72
kommt an dem Auslaß der Düse zu dem Zeitpunkt an, in dem dieser Auslaß zur Auspufföffnung 19 geöffnet ist.
Das Öffnen des Düsenauslasses der Rotorzelle zur Auspufföffnung 19 erzeugt eine Expansionswelle 73 in
einer Weise ähnlich der Erzeugung der Expansionswellen 65,67 und 70. Die Expansionswelle 73 durchläuft die
Rotorzelle stromaufwärts und kommt im Idealfall an der Kante der Wandung 71 gleichzeitig zu dem Zeitpunkt
an, in dem der Einlaß der Rotorzelle zur Heißgasrückführöffnung 377? geöffnet wird. Die Expansionswelle 73
bewirkt, daß die Gase in der Rotorzelle nochmals in ihrem Druck verringert werden, so daß die Gase (die
bereits dreimal entspannt wurden) aus der Heißgasrückführöffnung 377? in die Rotorzelle eindringen und ihre
Strömung durch die Rotorzelle fortsetzen. Im Verlauf der Endstufe der Expansion und Reaktion strömen die
Heißgase durch die Düsen der Rotorzelle in die Auspufföffnung 19. Nach der endgültigen Expansion der
Heißgase in die Auspufföffnung 19 tritt Kaltgas aus der Einlaßkammer 11 in die Rotorzelle durch die Öffnung 12
mit den Öffnungen 14 ein und löst hierdurch den nächsten oben beschriebenen Arbeitszyklus aus.
Je nach Abmessungen des Rotors und der Anzahl der vorgesehenen Heißgasrückführöffnungen können zwisehen
den Expansionswellen Druckwellen auftreten. Der Grund dafür liegt darin, daß der Druck der wieder
eintretenden Heißgase verschieden gegenüber dem Druck der bereits in der Rotorzelle befindlichen
Heißgase ist. Die rückgeführten Gase halten eine Füllung von Heißgasen in den Rotorzellen aufrecht und
erzeugen ein zusätzliches Drehmoment durch wiederholte Reaktion der Heißgase an den Düsen der
Rotorzellen an den verschiedenen Ausgängen, wobei
230 261/81
gleichzeitig Impulse durch die wieder eintretende Strömung der Heißgase auf die Rotorschaufeln
ausgeübt werden.
Die oben beschriebenen Expansionsvorgänge, bei denen mehrere Rückführungsstufen verwendet werden,
nutzen einen einzigen Rotor mit hohem Wirkungsgrad, um sämtliche Arbeitsphasen der Gasturbinenanlage
durchzuführen, die auch als integrierter Turbokompressor-Wellenmotor
bezeichnet werden könnte.
Unter bestimmten Umständen kann es erforderlich sein, die Gesamtabmessungen des Rotors zu begrenzen.
In einem derartigen Fall kann es vorteilhaft sein, lediglich die erste Expansionsstufe und/oder die erste
oder die ersten paar Rückführungsstufen an dem Rotor vorzusehen. Die restlichen Expansionsstufen für das
teilweise entspannte Heißgas, welches an diesem Punkt eine niedrigere Temperatur aufweist, können leicht auf
einem getrennten Turbinenrad anstelle der wiederholten Expansionen durch den Rotor selbst durchgeführt
werden. Ein derartiges Zusatzturbinenrad kann die gleiche Beschaufelung haben, wie der die Kompressionsstufe
und Expansionstufe bildende Rotor, wobei die Rückführungs- und Expansionsstufe in der gleichen
Weise wie oben beschrieben arbeiten; alternativ dazu kann das Zusatzturbinenrad eine übliche Schaufelbestückung
einer Reaktionsturbine aufweisen. Nach Beendigung der Expansion mittels irgendwelcher der
oben beschriebenen Einrichtungen läßt das Öffnen der Einlaßöffnungen der Rotorzellen zu der Kaltgaskammer
11 über die Öffnung 12 eine nach innen gerichtete Strömung von Kaltgas zum Spülen ein, wodurch der
nächste Arbeitszyklus beginnt. Die Wiederholung der aufeinanderfolgenden Phasen des Arbeitszyklus, nämlich
Ansaugen und Spülen (Auspuff), Kompression und Expansion (Leistung) können als Ergebnis aufeinanderfolgender
Durchgänge der Rotorzellen durch den gleichen Sektor auftreten, nämlich im Fall einer
Antriebsturbine mit lediglich einem Sektor oder als Ergebnis des Durchganges der Rotorzellen durch die
entsprechenden Phasen aufeinanderfolgender Sektoren, wie dies bei einer Antriebsturbine mit vielen Sektoren
der Fall ist.
Die Rolle, die die Düsen 38 und 41 der Rotorzellen bei der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage spielen, ist
von besonderer Wichtigkeit. Die Heißgase aus der Heizkammer 22 werden als Energiequelle wirksam, die
den oben beschriebenen Kompressionsvorgang auf dem Rotor bewirkt. Nach Auslösen der Druckwelle 50
(vergleiche F i g. 2) an der Trennfront 48 zwischen Heißgas und Kaltgas haben das Heißgas 49 und das
Kaltgas 52 die gleiche Geschwindigkeit und denselben statischen Druck auf beiden Seiten der Trennfront.
Folglich weist das Kaltgas einen höheren Staudruck als das Heißgas auf, und zwar auf Grund der höheren
Dichte und der höheren Machzahl des Kaltgases im Vergleich mit der geringeren Dichte und kleineren
Machzahl des Heißgases. Bei den hohen Umfangsgeschwindigkeiten, die für die beschriebene Gasturbinenanlage
charakteristisch sind, ist die Geschwindigkeit des Heißgases und die Geschwindigkeit des Kaltgases in
den Rotorzellen hoch. Je höher die Geschwindigkeit des Heißgases und des Kaltgases ist, desto größer ist auch
der Unterschied zwischen dem Staudruck des Kaltgases und dem Staudruck des Heißgases. Lediglich ein Teil
dieser Staudruckdifferenz ist erforderlich, um die Strömung des Kaltgases zurück um die Strömungsschleife herum hervorzurufen, welche den Durchgang
durch den Wärmetauscher 36 (Fig.4) und durch die Heizkammer 22, welche das Heißgas erzeugt, einschließt.
Der Rest dieser Staudruckdifferenz kann verwendet werden, um den Druck des Heißgases in der
Rotorzelle zu erhöhen, so daß das Druckverhältnis der Antriebsturbine angehoben wird. Dies erfolgt mit sehr
gutem Wirkungsgrad mittels der konvergierenden Düsen 38 (oder konvergierenden-divergierenden Düsen
41 bei der abgewandelten Ausführungsform) an der Auslaßseite der Rotorzellen. Der Übergang zwischen
Rotorzelle und Düse wirkt als Strömungshindernis an dem die reflektierte Druckwelle 51 erzeugt wird, die sich
stromaufwärts durch das Kaltgas 52 und das Heißgas 49 in der Rotorzelle fortpflanzt. Gleichzeitig beschleunigen
die Düsen 38 oder 41 das ausströmende Kaltgas und richten die Strömung zum größten Teil entgegengesetzt
zur Richtung der Rotordrehung, so daß der Rotor über einen großen Bereich von Umfangsgeschwindigkeiten
nutzbare Arbeit abgibt. Selbst bei geringeren Austrittsgeschwindigkeiten des Gases bezüglich der Drehung
der Rotorzellen beschleunigen die Düsen die Kaltgase, wodurch ein Drehmoment auf dem Rotor erzeugt wird.
Durch die reflektierte Druckwelle 51 erzeugen die Düsen gleichzeitig einen höheren Staudruck in dem
Heißgas 54 (d. h., nachdem die reflektierte Druckwelle durch das Heißgas 49 hindurchgelaufen ist), falls dieser
ohne die reflektierte Druckwelle erzielbar wäre, d. h., falls das Kaltgas ohne das durch den Eingang der Düsen
gebildete Strömungshindernis expandieren würde. Der durch die Wirkung der reflektierten Druckwelle 51 in
den Heißgasen erzeugte höhere Druck führt zu einer größeren Dichte des Heißgases. So kann durch einen
Rotor gegebener Größe eine größere Masse an Heißgasströmung durchgesetzt werden und bei einer
gegebenen Geschwindigkeit mehr Kraft erzeugt werden als dies bei bekannten Antriebsturbinen möglich ist.
Die Düsen der Rotorzellen erlauben gleichzeitig eine
höhere Eigengeschwindigkeit der Rotorzellen, da sie Mittel darstellen, um die Strömung mit einer größeren
Austrittsgeschwindigkeit und einer größeren Tangentialkomponente abzugeben, so daß mit hohem Wirkungsgrad
der durch die reflektierte Druckwelle 51 in dem Kaltgas 53 und dem Heißgas 54 erzeugte
Hochdruck nutzbar gemacht wird.
Nach Eintritt in die Ausgangsöffnung 32 für Hochdruck-Kaltgas in dem Gehäuse weist das Kaltgas eine vergleichsweise niedrige Absolutgeschwindigkeit (bezüglich des Gehäuses) auf, jedoch gleichzeitig einen Druck, der hoch genug ist, um eine Strömung durch die Hochdruckkaltgaskammer 33, durch die Leitung 55, durch bedarfsweise vorgesehene Wärmetauscher 56 und in die Heizkammer 22 zu erzeugen. Nachdem das Kaltgas durch Zufuhr von Wärme in Heißgas umgewandelt ist, tritt das resultierende Heißgas 49 in die Rotorzellen 18 ein, wo der oben beschriebene Arbeitszyklus abläuft.
Nach Eintritt in die Ausgangsöffnung 32 für Hochdruck-Kaltgas in dem Gehäuse weist das Kaltgas eine vergleichsweise niedrige Absolutgeschwindigkeit (bezüglich des Gehäuses) auf, jedoch gleichzeitig einen Druck, der hoch genug ist, um eine Strömung durch die Hochdruckkaltgaskammer 33, durch die Leitung 55, durch bedarfsweise vorgesehene Wärmetauscher 56 und in die Heizkammer 22 zu erzeugen. Nachdem das Kaltgas durch Zufuhr von Wärme in Heißgas umgewandelt ist, tritt das resultierende Heißgas 49 in die Rotorzellen 18 ein, wo der oben beschriebene Arbeitszyklus abläuft.
Die Düsen der Rotorzellen (vergleiche Fig. 1OA und 10B), die bei der auf dem reflektierten Druckwellenprinzip
arbeitenden Gasturbinenanlage verwendet werden, können nach Art einer konvergierenden Düse 38 oder
nach Art der konvergierenden-divergierenden Düse 41 ausgebildet sein. In jedem Fall weist der das
Strömungshindernis bildende Düsenhals 38A (konvergierende Düse) oder 39 (konvergierende-divergierende
Düse) beider Düsenarten eine kleinere Querschnittsfläehe als der Hauptabschnitt der Rotorzelle auf. Der
Ausgang 40 einer konvergierenden-divergierenden Düse kann jedoch eine Querschnittsfläche haben, die
kleiner, gleich oder größer als die Querschnittsfläche
der Rotorzelle ist. Bei Verwendung einer konvergierenden-divergierenden
Düse hängt die Wahl des Verhältnisses zwischen der Querschnittsfläche des Düsenausgangs
und der Querschnittsfläche der Rotorzelle von den Druckverhältnissen, der angestrebten Austrittsgeschwindigkeit
der Heißgase und den Diffusoreigenschaften ab, welche während der Strömung mit Unterschallgeschwindigkeit in dem divergierenden
Abschnitt angestrebt werden. Die besondere Bedeutung einer konvergierenden-divergierenden Düse liegt darin,
daß sie mit gutem Wirkungsgrad eine Strömung von Hochdruckkaltgasen und Hochdruckheißgasen aus den
Rotorzellen während bestimmter Teile der Expansion mit Überschallgeschwindigkeit erlauben, ohne die mit
Unterschallgeschwindigkeit ablaufenden Phasen des Arbeitszyklus wesentlich zu behindern. Die mit Unterschallgeschwindigkeit
fließende Strömung der Gase tritt normalerweise während der Spülung (Auspuff) auf,
kann jedoch auch während der Abgabe der Hochdruckkaltgase aus den Rotorzellen in die zu der Heizkammer
22 führende Hochdruckkaltgasauslaßöffnung 32 auftreten. Ebenso kann während einiger Stufen der Expansion
und des Abblasens der Heißgase eine Strömung mit Unterschallgeschwindigkeit auftreten. Das Auftreten
von Überschall- oder Unterschallströmung hängt jeweils von der Bauart und den Betriebsbedingungen ab.
Konvergierende-divergierende Düsen haben den Vorteil, daß sie sich während der Spülphase des
Arbeitszyklus als Diffusor verhalten, und bei einigen Ausführungsformen das Erfordernis der Vorverdichtung
des kalten Frischgases (Spülgases) verringern oder sogar überflüssig machen. Konvergierende-divergierende
Düsen können in Verbindung mit Leitflügeln oder Leitschaufeln (nicht dargestellt) in der Auspufföffnung
19, die als Diffusor dienen, verwendet werden, um den statischen Druck der Abgase zu vergrößern, wodurch
ein ausreichender Druck zum Austreiben der Abgase zur Atmosphäre erzeugt wird.
Während der Hochdruckphase des Arbeitszyklus verhalten sich die konvergierenden-divergierenden
Düsen als Strömungsbeschleuniger und Strömungsblenden sowohl für das durch Druckwellen verdichtete
Kaltgas 53 (F i g. 2) als auch für das druckwellenverdichtete Heißgas 54 und erfüllen allgemein die gleiche
Funktion wie die oben beschriebenen konvergierenden Düsen 38. Der Nachteil von konvergierenden-divergierenden
Expansionsdüsen 41 liegt darin, daß bei ihnen ein geringer Verlust des Staudruckes in jeder der
Rotordüsen während des Durchganges durch einen Teil eines jeden Arbeitssektors auftreten kann. Dieser
Staudruckverlust tritt in demjenigen Teil eines Sektors auf, wo die Druck-Temperaturbeziehungen derart sind,
daß die konvergierende-divergierende Düse nicht als Überschalldüse voll entspannter Strömung arbeitet und
der Druck nicht niedrig genug ist, um es zu erlauben, daß der divergierende Abschnitt der Düse vollständig als mit
Unterschallgeschwindigkeit arbeitender Diffusor arbeitet. Im Ergebnis wird dann eine Druckwelle in dem
divergierenden Teil der Düse erzeugt, da eine vollständige Expansion auf Überschallgeschwindigkeiten
am Düsenausgang nicht erreicht wird. Der Ort in jedem Arbeitssektor, an welchem dieser Staudruckverlust
auftreten kann, ändert sich mit der Rotorgeschwindigkeit, Heißgastemperatur und dem Druckverhältnis.
Die Gesamtwirkung dieser Druckstörwellen, welche im divergierenden Teil der Düse 41 auftreten können, auf
den Gesamtwirkungsgrad der Turbine kann jedoch auf einem derartig niedrigen Wert gehalten werden, daß sie
für die meisten Anwendungsfälle ohne Bedeutung ist. Bei den mit einigen Expansionsstufen und dem
Spülvorgang verbundenen niedrigeren Druckverhältnissen wirkt der divergierende Teil der Düse 41 der
Rotorzelle als Diffusor, so daß hierdurch der für die Strömung durch wahlweise vorgesehene Wärmetauscher
und Auspuffkanäle erforderliche Druck wieder aufgebaut werden kann.
In der folgenden Beschreibung wird das Prinzip der Steuerung der Steueröffnungen näher erläutert, wie es
bei dem Verdichtungsvorgang über einen Bereich verschiedener Drehzahlen und Gastemperaturen angewandt
wird, wobei jedoch darauf hingewiesen wird, daß das gleiche Prinzip auf die Steuerung der örtlichen
Beziehung und der Größe jeder der Einlaß- oder Auslaßöffnungen der Antriebsturbine anwendbar ist.
Die Druckwellen 44 und 50, die reflektierte Druckwelle 51, die Trennfront 42 zwischen Kaltgas und Heißgas und
die Trennfront 48 zwischen Heißgas und Kaltgas müssen sich, wie bereits zuvor unter Bezugnahme auf
F i g. 2 näher erläutert, bewegen. Mit anderen V/orten bedeutet dieses, daß die Druckwellen zunächst in der
Rotorzelle enthalten sein müssen und sich die Gastrennfronten bewegen müssen, um bei der Trennfront
42 ein zu großes Ausströmen des Niederdruckkaltgases 47 aus den Rotorzellen in die Auspufföffnung zu
vermeiden und bei der Trennfront 48 die Strömung von Heißgas durch die Hochdruckkaltgasöffnung 32 zu
minimieren oder die Menge an kaltem verdichteten Gas zu minimieren, die in die erste Hochdruckheißgasexpansionsöffnung
34£ der Turbine gefördert wird. Der Zweck der Steuerung der öffnungen, wie sie für den
Verdichtungsvorgang in F i g. 3 und 4 gezeigt sind, liegt darin, die richtigen räumlichen Beziehungen zwischen
den Vorderkanten und Hinterkanten der entsprechenden Öffnungen (Heißgasöffnung 31 und Kaltgasöffnung
32 in diesem Fail) herzustellen, so daß die Druckwelle 50, die reflektierte Druckwelle 51 und der Expansionsfächer
63, 64 sowie die Heißgas/Kaltgas-Trennfront 48 sich in einer derartigen Weise bewegen, daß so genau
als möglich die in Fig.2 gezeigte Konfiguration verdoppelt wird, und zwar unabhängig von Rotorgeschwindigkeiten
und Temperaturen der Arbeitsgase.
In der folgenden Beschreibung wird die Kante jeder Einlaß- oder Auslaßöffnung, die zunächst zu einer
Rotorzelle, die sich in der normalen Drehrichtung
bewegt, geöffnet wird, als »Vorderkante« der Öffnung bezeichnet. Gleichermaßen wird diejenige Kante jeder
Öffnung, die zuletzt zu der sich in der normalen Drehrichtung bewegenden Rotorzelle geöffnet wird, als
»Hinterkante« der öffnung bezeichnet.
Die Gasturbinenanlage weist auf Grund der Verwendung beweglicher Steuerblöcke 75, 76 und 77 für die
öffnungen, die in einer bevorzugten Ausführungsform in F i g. 3 gezeigt sind, und ähnlicher beweglicher Blöcke
78,79 und 80, die bei einer abgewandelten Ausführungsform in Fig.4 gezeigt sind, eine Einrichtung auf, um
eine Arbeitsweise hohen Wirkungsgrades bei verschiedenen Drehzahlen und stetige Betriebsbedingungen
während der beim Starten der Turbine ablaufenden Folge von Vorgängen zu erreichen. In beiden Fällen
werden mittels der Steuerblöcke die gleichen Ziele erreicht, jedoch stellt die Ausführungsform gemäß
F i g. 3 auf Grund praktischer Konstruktionsüberlegungen die bevorzugte Ausführungsform dar. Wenn der
Bewegungsbereich und der Einbauort der Steuerblöcke gemäß den F i g. 3 und 4 miteinander verglichen werden,
sind einige Unterschiede erkennbar, von denen einige
besonders bedeutsam sind, da sie die bevorzugte Wahl einer Ausführungsform gegenüber den anderen beeinflussen.
Beispielsweise muß bei der in Fig.4 veranschaulichten Ausführungsform der Steuerblock 78 an
der Hinterkante der Heißgasöffnung für einen gegebenen Geschwindigkeits- und Temperaturbereich einen
größeren Bewegungsbereich aufweisen als ein Gegenstück, der Steuerblock 76 gemäß F i g. 3. Dies bedeutet,
daß die durch Lager 81 bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 gebildeten Führungen kürzer als die entsprechenden
Führungslager 81 der Ausführungsformen gemäß F i g. 4 sein können, was den Vorteil bietet, daß
diese Bauteile, nämlich der bewegliche Steuerblock und die Führungslager, die in einem Bereich der Turbine
hoher Temperatur angeordnet sind, mechanisch einfacher und leichter ausgebildet sein können, den
Temperaturwirkungen weniger unterliegen und darüber hinaus weniger in den Expansions- und Rückführungsabschnitt der Turbine reichen. Ähnliche Vorteile werden
bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 dadurch erreicht, daß der Steuerblock an der Hinterkante der
Hochdruckkaltgasöffnung 32 vollständig weggelassen ist, da wiederum dieser Steuerblock den Wirkungen der
Gase hoher Temperatur ausgesetzt wäre. Dies ist der Fall, da die dazugehörige Lagerung notwendigerweise
einen gewissen Raum zwischen der Hochdruckkaltgasöffnung 32 und der ersten Hochdruckheißgasexpansionsöffnung
37 einnehmen müßte, wobei diese Anordnung den Beginn der Expansion des Heißgases durch die
Hochdruckheißgasexpansionsöffnung 34£" zeitlich verzögern
würde, woraus gleichzeitig eine Vergrößerung der Leckverluste aus der Rotorzelle vor der Expansion
folgen würde.
Die mechanische Bewegung dieser zusammenarbeitenden Steuerblöcke dient dazu, die Größen und die
mittleren Stellungen der Heißgaseinlaßöffnung 31 und der Hochdruckkaltgasauslaßöffnung 32 zu verändern.
Das direkte Ergebnis der richtig koordinierten Bewegung dieser Steuerblöcke besteht in der Abstimmung
der Strömung der Heißgase durch die Heißgaseinlaßöffnung 31 und der Strömung von verdichtetem Kaltgas
durch die Hochdruckkaltgasöffnung 32 in die Hochdruckkaltgaskammer 33 und in die Leitung 55. Die
beweglichen Steuerblöcke ermöglichen es darüber hinaus, die Druck- und/oder Expansionswellen örtlich
richtig bezüglich der Öffnungen bei jeder Drehzahl und jeder Heißgastemperatur im Arbeitsbereich der Turbine
zu positionieren.
Die Stellungen der Steuerblöcke 75, 76 und 77 in der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig.3 sind
mechanisch über Kurbeln 82,83 bzw. 84 in Verbindung mit Nocken, Zahnstangengetrieben oder anderen, nicht
dargestellten Mechanismen gesteuert. Bei beiden Ausführungsformen gemäß Fig. 1, 3 und 4 erfolgt die
Bewegung der Blöcke auf einem Kreisbogen.
Dem Fachmann auf diesem Gebiet ist offensichtlich, daß die Stellungen der Kanten der verschiedenen
Öffnungen zum Betrieb bei verschiedenen Drehzahlen und Gastemperaturen alternativ durch Steuerblöcke
steuerbar sind, welche zwangsgeführt entweder auf dem Umfang, axial oder radial in und aus den verschiedenen
Steueröffnungen beweglich sind. Ferner kann entweder ein einzelner beweglicher Steuerblock mit jeder Kante
verbunden sein oder es können eine Anzahl derartiger Steuerblöcke vorgesehen sein, um eine stufenweise
Einstellung der Lage der jeweiligen Kante der Steueröffnung durchzuführen. Jeder bestimmte Steuerblock
dieser Art kann ferner Bewegungskomponenten in mehr als einer Richtung, beispielsweise einer
Kombination von Umfangsbewegung, Axialbewegung und Radialbewegung, aufweisen.
Es ist ferner offensichtlich, daß irgendeine Form automatischer Steuerung vorteilhaft ist, um die Bewegungen
der Steuerblöcke in dem Fall zu koordinieren, daß eine derartige Turbine beispielsweise bei einem
Straßenfahrzeug verwendet wird, da die Reaktionen eines Menschen zu langsam wären, um getrennte
ίο Einstellungen vorzunehmen, um die Einstellung der
Steuerblöcke bei jeder der vielen Drehzahländerungen, die notwendig sind, wenn ein Fahrzeug im Verkehr
bewegt wird, zu optimieren. Der Haupteingangsparameter der Steuerung für die Steuerblöcke ist die
Drehzahl oder Umfangsgeschwindigkeit der Turbine, so daß ein Servosystem erforderlich ist, welches eine
festgelegte Grundstellung für jeden Steuerblock als Funktion der Turbinendrehzahl herstellt. Derartige
Systeme werden als Folgesteuerungen oder Lagesteuerungen bezeichnet und werden allgemein in industriellen
Steuersystemen verwendet.
Abweichungen der Grundeinstellung können erforderlich sein, um einen großen Temperaturbereich der
Hochdruckheißgase auszugleichen. Beispielsweise ist es möglich, daß eine Form der vorliegenden Gasturbinenanlage
unter Bedingungen verwendet werden kann, bei denen ein Leistungsbereich bei einer oder mehreren
bestimmten Drehzahleinstellungen angestrebt ist. Die Änderung der Leistungsabgabe bei einer bestimmten
konstanten Drehzahl wird durch Erhöhen oder Verringern der Temperatur oder des Druckes der Hochdruckheißgase
49 erreicht, die aus der Heizkammer 22 in den Rotor 17 eintreten. Wiederum ist eine Fahrzeugturbinenanlage
ein gutes Beispiel einer derartigen Situation.
Der dem Temperaturausgleich dienende Teil des Steuersystems würde daher in derartigen Fällen die
Stellung der Steuerblöcke 75, 76 und 77, die grundsätzlich durch die Drehzahlsteuerung festgelegt
wurde, weiter abwandeln, um für eine gegebene Heißgastemperatur das maximale Drehmoment zu
erreichen.
Es wurde nun gefunden, daß die richtigen Stellungen der Steuerblöcke 75, 76 und 77 gemäß Fig.3 und
gleichermaßen die richtigen Stellungen der Steuerblökke 78, 79 und 80 gemäß F i g. 4 eine annähernd lineare
Beziehung zueinander als Funktion der Turbinendrehzahl haben. Folglich können die Kurbeln 82, 83 und 84
gemäß Fig.3 oder ähnliche Kurbeln 85, 86 und 87 gemäß F i g. 4, welche die Steuerblöcke bewegen, in den
meisten Fällen auf mechanischem Wege miteinander derart verbunden sein, daß die Wirkung eines einzelnen
Stellers, wie beispielsweise eines hydraulischen oder pneumatischen Zylinders (nicht dargestellt) oder eines
Elektromotors (nicht dargestellt), sämtliche Steuerblökke bei einem entsprechenden Stellsignal von der
Drehzahlsteuerung mit Temperaturausgleich betätigen kann.
Es gibt selbstverständlich auch Anwendungsfälle, wo eine manuelle Einstellung der Steuerblöcke entweder in
irgendeiner koordinierten Weise oder getrennt voneinander möglich ist, um die Leistung der Turbine bei einer
bestimmten Geschwindigkeit zu optimieren, so daß keine automatischen Steuerungen notwendig sind.
Die Stellungen der Steuerblöcke 75,76 und 77 gemäß F i g. 3 sind derart festgelegt, daß für eine gegebene Rotordrehzahl und eine gegebene Heißgastemperatur die Heißgas/Kaltgas-Trennfront 48 den Auslaß der Düse 38 einer Rotorzelle im oder nahe am Zeitpunkt
Die Stellungen der Steuerblöcke 75,76 und 77 gemäß F i g. 3 sind derart festgelegt, daß für eine gegebene Rotordrehzahl und eine gegebene Heißgastemperatur die Heißgas/Kaltgas-Trennfront 48 den Auslaß der Düse 38 einer Rotorzelle im oder nahe am Zeitpunkt
erreicht, in welchem die Düse 38 der Hinterkante der Hochdruckkaltgasöffnung 32 gegenüberliegt. Diese
Stellung der beweglichen Blöcke verhindert das Ausströmen des Heißgases durch die Hochdruckkaltgasöffnung
32 in die Hochdruckkaltgaskammer 33 und in die Leitung 55. Bei einigen Kombinationen von
Rotordrehzahl und Heißgastemperatur fließt nicht das gesamte Hochdruckkaltgas von dem Rotor in die
Hochdruckkaltgaskammer 33, sondern wird durch den Rotor in den Expansionsabschnitt der Turbine getragen.
Diese Situation tritt immer dann auf, wenn der Expansionsfächer 63, 64, der durch das Schließen der
Heißgaseinlaßöffnung 31 durch die Kante 88 des Steuerblocks 76 ausgelöst wurde, die Trennfront 48
kreuzt, ehe letztere die Kaltgasöffnung 32 erreicht.
Bei der in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform dient die Kante 89 des Steuerblocks 75 als Bezugskante, so
daß die Kante 90 des Steuerblocks 77 die Vorderkante der Hochdruckkaltgasöffnung 32 bildet und derart
eingestellt werden muß, daß das Kaltgas, welches zuvor durch die Druckwelle 44 verdichtet wurde, gehalten
wird, bis die Druckwelle 50 zumindest das stromaufwärts liegende Ende der Düse 38 der Rotorzelle erreicht
hat. Unmittelbar danach muß der Ausgang der Düse zur Hochdruckkaltgasöffnung 32 geöffnet werden, da die
reflektierte Druckwelle 51 nun das Kaltgas auf den Höchstdruck in dem Arbeitszyklus verdichtet hat, der
dem höchsten Gesamtwirkungsgrad der Turbine entspricht. Das verdichtete Kaltgas entspannt nun durch
die Düse der Rotorzelle, gelangt durch die Hochdruckkaltgasöffnung
32 und tritt in die Hochdruckkaltgaskammer 33 und Leitung 55 ein, durch welche es strömt
und schließlich die Heizkammer 22 erreicht.
Es ist offensichtlich, daß die Funktion dieser beispielhaft genannten Steuerblöcke darin liegt, die
Vorderkante und die Hinterkante der öffnungen 31 und 32 derart zu verstellen, daß die zeitliche Abstimmung
der Druckwelle 50, der reflektierten Druckwelle 51 und der Heißgas/Kaltgas-Trennfront 48 für alle Kombinationen
von Rotordrehzahlen und Heißgastemperaturen im wesentlichen die gleiche bleibt, wie in F i g. 2 gezeigt,
so daß die Turbine mit dem größtmöglichen Wirkungsgrad bei allen Einstellungen der Drehzahl und Leistung
arbeitet. Die richtige Einstellung der Steuerblöcke gewährleistet ein minimales Vermischen der Heiß- und
Kaltgase in den Rotorzellen oder in der Hochdruckkaltgaskammer 33. Somit ermöglicht die Einstellung der
Steuerblöcke eine Arbeitsweise höchsten Wirkungsgrades der Turbine über einen weiten Drehzahlbereich
aufrechtzuerhalten, in welchem die Steuerung der Druckwelle 50, der reflektierten Druckwelle 51 und der
Heißgas/Kaltgas-Trennfront 48 aufrechterhalten werden kann.
Um den größtmöglichen Wirkungsgrad unter Vernachlässigung mechanischer Komplexität zu "erreichen,
können ähnliche bewegliche Steuerblöcke an den Vorderkanten und Hinterkanten sämtlicher Einlaß- und
Auslaßöffnungen vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein derartiger beweglicher Steuerblock (nicht dargestellt)
an der Hinterkante der Auspufföffnung 19 oder an der Hinterkante der Einlaßöffnung 12 (mit den
Öffnungen 14) oder an den Hinterkanten beider Öffnungen verwendet werden, um die Relativlage der
Druckwelle 44 einzustellen, um dadurch eine Rückströmung in die Einlaßkammer zu vermeiden. Ein ähnlicher
beweglicher Steuerblock an der Vorderkante der Einlaßöffnung 12 (öffnungen 14) gewährleistet darüber
hinaus eine Flexibilität bei der Steuerung des Spülvorgangs, indem die Kaltgas/Heißgas-Trennfront 42 im
Zyklus der Turbine später oder früher ausgelöst werden kann, so daß ein Überspülen (übermäßige Strömung von
Kaltgas in den Auspuff) und ein Unterspülen (unvollständiges Austreiben der Abgase durch die Auspufföffnung
19) vermieden werden kann.
Gleichermaßen können bei denjenigen Ausführungsformen, bei denen die Abmessungen des Stators
genügend Raum hierfür bieten, derartige bewegliche
ίο Steuerblöcke an den Vorderkanten und Hinterkanten
der Hochdruckheißgasexpansionsöffnungen 34£, 35E, 36£, 37 £ und der Heißgasrückführöffnungen 34/?, 35/?,
36/? und 37/? sowie den Vorder- und Hinterkanten der
Auspufföffnung 19 vorgesehen sein, die es ermöglichen, wahlweise die Heißgasströmung während der Expansionsstufen
zu steuern, um dadurch den Expansionsprozeß über einen großen Bereich von Rotordrehzahlen
und Gastemperaturen zu optimieren. Die Steuerblöcke in den Rückführungsöffnungen, den Expansionsöffnun-
gen und den Öffnungen 12 und 19 sind nicht dargestellt, wobei deren Herstellung und Rolle jedoch so ähnlich
derer der Blöcke, die in den Öffnungen 31 und 32 dargestellt sind, ist, daß keine weitere Erläuterung
notwendig ist. Die Zeichnungen sind dann zweckdienlieh vereinfacht.
In F i g. 3 und 4 sind zwei Extremstellungen der Steuerblöcke gezeigt, wobei die eine in durchgezogenen
Linien dargestellte Stellung die Einstellung für die höchste Rotordrehzahl und die andere in gestrichelten
Linien veranschaulichte Stellung die Einstellung für die niedrigste Rotordrehzahl und Leerlaufbedingungen
anzeigt. Bei diesen beiden Ausführungsformen, bei denen eine Umfangsbewegung der Steuerblöcke angewandt
wurde, ist die Stellung jedes der Steuerblöcke stufenlos zwischen diesen beiden Extremstellungen
veränderbar. In den Fig.3 und 4 sind die definierten Stellungen lediglich angenähert, zeigen jedoch den
notwendigen Bewegungsbereich bezüglich der Größe der Heißgaseinlaßöffnung31 und der Hochdruckkaltgasöffnung
32 an. Während des Startens sind die Steuerblöcke 75, 76 und 77 in F i g. 3 oder die
Steuerblöcke 78, 79 und 80 in F i g. 4 in der durch die gestrichelten Linien angezeigten Stellung, die der
niedrigen Geschwindigkeit entspricht.
Die Kante 89 des Steuerblocks 75 bei der bevorzugten Ausführungsform der F i g. 3 kann als
Bezugskante zum Auslösen der Druckwelle 50 und der Trennfront 48 aufgefaßt werden und folglich dient die
feststehende Vorderkante der Heißgaseinlaßöffnung 31 bei der abgewandelten Ausführungsform gemäß F i g. 4
dem gleichen Zweck. Es ist offensichtlich, daß beim Verdichtungsprozeß die Relativlage der Steuerblöcke
von besonderer Bedeutung ist, so daß die Wahl der vier Kanten der Öffnungen 31 und 32 die für eine spezielle
Ausführungsform der Turbine festgelegt werden soll, im großen Maße von Überlegungen der mechanischen
Auslegung der Turbine abhängt.
Bei der in Fig.3 gezeigten Bauweise sind drei Steuerblöcke verwendet worden. Der Block 76 an der
Hinterkante der Heißgaseinlaßöffnung 31 bewegt sich jedoch um eine sehr geringe Strecke im Vergleich mit
den übrigen Steuerblöcken 75 und 77. Folglich wäre es möglich, den Steuerblock 76 bei einer Antriebsturbine
einfacherer Bauart wegzulassen, wobei jedoch etwas der Leistung aufgegeben wird. In diesem Fall kann die
Hinterkante der Heißgaseinlaßöffnung 31 als Bezugskante für das Einstellen der anderen Steuerblöcke
aufgefaßt werden.
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Es soll jedoch nicht unterstellt werden, daß eine feststehende Bezugskante einer Steueröffnung für den
Betrieb der Antriebsturbine erforderlich ist. Es ist ebenso möglich, vier Steuerblöcke zu verwenden, um
sowohl die Vorderkanten als auch die Hinterkanten der Öffnungen 31 und 32 einzustellen. Bei einer derartigen
Situation gibt es eine Bezugsstellung für jeden der Steuerblöcke bei einer festgelegten Drehzahl und
Heißgastemperatur, welche als Ausgangspunkt für alle anschließenden Bewegungen dient, die durch das
Steuersystem beim Betrieb der Turbine erforderlich werden.
Die gesamte vorstehende Diskussion der Gasturbinenanlage hat sich mit der Arbeitsweise bei einer
speziellen Drehzahl und Leistungseinstellung innerhalb von Grenzen annehmbarer Wirkungsgrade befaßt. In
sämtlichen Fällen wurde angenommen, daß Gleichgewichtsbedingungen in der Niederdruckkaltgaskammer
11, der Heizkammer 22, der Hochdruckkaltgaskammer 33 und der Auspuffkammer 20 erreicht wurden. Ein
Gleichgewicht wird in diesen Kammern bezüglich Druck und Temperatur der Gase erreicht, und wenn die
Steuerblöcke entsprechend eingestellt sind, arbeitet die Antriebsturbine wie oben beschrieben. Es gibt jedoch
Übergangszustände während Drehzahländerungen oder Leistungsänderungen (oder beide gleichzeitig), bei
denen Druck und Temperatur der Gase in den Kammern nicht in einem Gleichgewichtszustand sind.
Es wird nun angenommen, daß die Gasturbine bei einer einem Gleichgewichtszustand entsprechenden Drehzahl
und Leistungsabgabe läuft und daß plötzlich Wärme zugeführt wird (beispielsweise wird Brennstoffströmung
vergrößert). Dann treten momentan verschiedene Ungleichgewichtszustände auf:
1. Die Gastemperatur in der Heizkammer 22 steigt an und Kompressionswellen pflanzen sich stromaufwärts
und stromabwärts fort. Als Folge hiervon wird das Druckniveau in der den Kreislauf
darstellenden Strömungsschleife, welche die Heizkammer 22, die Heißgaseinlaßöffnung 31, die
Hochdruckkaltgasöffnung 32 und die Hochdruckkaltgaskammer 33 umfaßt und in den geöffneten
Rotorzellen erhöht.
2. Dieser Druck vergrößert die Stärke der Druckwelle 21 und der reflektierten Druckwelle 51, welche
das Kaltgas in den Rotorzellen auf einen höheren Druck verdichten und bewirken, daß sich die
Heißgas/Kaltgas-Trennfront 48 schneller bewegt.
3. Der Druck der Heißgase 49 und 54 und der Kaltgase 52 und 53 in geöffneten Rotorzellen 18
des Rotors 17 steigt an, das Drehmoment wird auf Grund der höheren Geschwindigkeit der Ausströmung
der Gase durch die Expansionsdüsen 38 größer, und die Rotordrehzahl zeigt die Neigung,
zuzunehmen, bis ein neuer Gleichgewichtszustand bezüglich der Wärmezufuhr und der an der Turbine
hängenden Last erreicht wird.
Die Zustände in der Heizkammer, der Kaltgaskammer und den geöffneten Rotorzellen können in analoger
Weise für eine Situation beschrieben werden, in welcher die Turbine bei irgendeiner bestimmten Drehzahl und
Leistungsabgabe läuft und plötzlich die Wärmezufuhr zu der Heizkammer 22 verringert wird (beispielsweise
Verringerung der Brennstoffströmung). Die momentan instabilen Zustände, die auf Grund der verringerten
Wärmezufuhr auftreten, führen zu der folgenden Kette von Ereignissen:
1. Expansionswellen in der Heizkammer pflanzen sich stromaufwärts und stromabwärts fort und verringern
so den Druck in der den Kreislauf darstellenden Strömungsschleife, welche die Heizkammer
22, die Heißgaseinlaßöffnung 31, die Hochdruckkaltgasöffnung 32, die Kaltgaskammer
33, die Leitung 55 und die geöffneten Rotorzellen 18 einschließt.
2. Dieser Druckabfall führt zu einer Verringerung der Stärke der Druckwelle 50 und der reflektierten
Druckwelle 51, eine Herabsetzung der Drücke der Heißgase 49 und 54 und der Kaltgase 52 und 53 in
den Rotorzellen, woraus dann eine Verringerung der Geschwindigkeit der Trennfront 48 folgt.
3. Der verringerte Druck und die geringere Temperatur der Heißgase führt zu niedrigeren Austrittsgeschwindigkeiten
der Gase und einem kleineren Drehmoment. Folglich nimmt die Rotordrehzahl ab, bis ein neues Gleichgewicht bezüglich der
Wärmezufuhr und der an der Turbine hängenden Last erzielt ist.
Die erfindungsgemäße Gasturbinenanlage arbeitet in der unter Bezugnahme auf F i g. 2 beschriebenen Weise,
unabhängig davon, ob die beweglichen Steuerblöcke richtig eingestellt sind. Die Einstellung der Steuerblöcke
beeinflußt lediglich den Wirkungsgrad. Beispielsweise besteht, falls die Rotordrehzahl auf Grund der
angehängten Last herabgesetzt wird und die Brennstoffzufuhrmenge nicht erhöht wird, die Wahrscheinlichkeit,
daß Anteile verdichteter Heißgase 54 in die Hochdruckkaltgaskammer 33 ausgestoßen werden, was
einen schlechteren Wirkungsgrad zur Folge hätte. In gewissermaßen ähnlicher Weise besteht, falls der Rotor
auf Grund der Verringerung der Last beschleunigt wird, die Brennstoffzufuhr konstant bleibt und die Steuerblökke
nicht verstellt werden, die Wahrscheinlichkeit, daß ein Teil der Hochdruckkaltgase in die Expansionsöffnung
34£" ausgestoßen wird, was wiederum einen schlechten Wirkungsgrad hervorruft. Was auch immer
für Umstände der obengenannten Art oder andere Kombinationen von Temperatur und Brennstoffzufuhr
auftreten, wird die oben beschriebene Antriebsturbine dennoch auf dem oben beschriebenen Prinzip der
Kompression und Reaktion weiterarbeiten. Spezielle Werte der Turbinenparameter wurden im Rahmen der
vorliegenden Beschreibung nicht angeführt, da es hierfür ebenso viele Gruppen von Werten gibt, wie
Anwendungsfälle oder Verwendungen der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage möglich sind und sich
folglich die jeweils speziellen Abmessungen entsprechend ändern würden. Im folgenden wird jedoch eine
Gruppe von Werten beispielhaft angegeben.
Für eine vergleichsweise kleine Antriebsturbine, die in dem Bereich von etwa 66 m/sec bis 320 m/sec mit
einem Auslegungspunkt von 264 m/sec arbeitet, wobei die Umfangsgeschwindigkeit längs der Teilkreislinie der
Rotorschaufeln 27 gemessen ist, können unter Bezugnahme auf F i g. 6 folgende Abmessungen verwendet
werden:
Rotordurchmesser über die
mittlere Höhe der Schaufeln 355,6 mm
Schaufelhöhe und Höhe der
Steueröffnungen 25,4 mm
Steueröffnungen 25,4 mm
Querschnittsfläche der
Rotorzelle
Querschnittsfläche der Düse
Öffnung 12
(Teilkreislinienlänge)
Öffnung 31
(Teilkreislinienlänge)
(Minimalöffnung)
Wand 60
Öffnung 34/?
Wandung 68
Öffnung 35/?
Wandung 71
Öffnung 37/?
Wandung 92
Öffnung 32
(Minimalöffnung)
Wandung 93
Öffnung 34 £
Wandung 94
Öffnung 35£
Wandung 95
Öffnung 37£
Wandung %
Öffnung 19
Eingangswinkel der
Schaufeln (Rotorzellen)
gemessen aus der
Drehebene
Ausgangswinkel der
Schaufeln (konvergierende
Expansionsdüsen)
gemessen aus der
Rotationsebene
193,55 mm? 96,77 mm2
109,73 mm
45,72 mm 13,97 mm 56,90 mm 16,76 mm 35,31 mm 39,62 mm 50,55 mm 70,1 mm
27,94 mm 33,53 mm 10,16 mm
6,35 mm 16,76 mm
4,83 mm 39,62 mm
4,83 mm 70,1 mm
4,83 mm 192,02 mm
40°
20°
Im folgenden wird das Starten der Gasturbinenanlage näher erläutert. Einer der Gründe größter Bedeutung
für die Anordnung zusätzlicher beweglicher Steuerblökke an den Vorder- und Hinterkanten der Einlaßöffnungen
12,31,34/?, 35/?, 36/? und 37R sowie an den Vorder-
und Hinterkanten der Auslaßöffnungen 19,32,34 £, 35E,
36£und 37£ liegt darin, das Starten der beschriebenen Gasturbinenanlage bei sehr niedriger Geschwindigkeit,
die erheblich unter der dem Auslegungspunkt entsprechenden Geschwindigkeit liegt, zu erleichtern. Beispielsweise
müssen zum Starten der Gasturbine die beispielhaft veranschaulichten beweglichen Steuerblökke
75, 76 und 77 (F i g. 3) und 78, 79 und 80 (F i g. 4) in Stellungen eingestellt werden, die der oben beschriebenen
Arbeitsweise für niedrige Geschwindigkeiten entsprechen und die in den Zeichnungen durch
gestrichelte Linien veranschaulicht sind. Der in integrierter Bauweise für diesen Typ von System vorgesehene
Anlasser verwendet Energie aus einem Speichertank 59 (vgl. F i g. 4), welcher Hochdruckkaltgas enthält,
das zuvor von der Kaltgasleitung 55 über das Rückschlagventil 57 und die Leitung 58 abgezweigt
wurde, wobei möglicherweise eine zusätzliche Verdichtung durch einen Hilfskompressor 97 erfolgen kann. Bei
einem im offenen Zyklus arbeitenden System mit einer Heizkammer, in der eine Verbrennung stattfindet oder
anderen im offenen Kreislauf arbeitenden Systemen mit einer Wärmequelle ohne Verbrennung, enthält der
Speichertank normalerweise Druckluft. Für Systeme, die im geschlossenen Kreislauf mit Wärmequellen ohne
Verbrennung arbeiten, enthält der Speichertank einen Vorrat des normalen, im Kreislauf umgeführten Gases,
das beim Betrieb der Turbine verwendet wird. Bei der beschriebenen Ausführungsforrh wird das verdichtete
Kaltgas in dem Speichertank 59 durch ein Startventil 98 freigegeben, durch die Leitung 99 zu dem Druckregulator
100 zu strömen, welcher das Kaltgas bei konstantem Druck für eine kurze Zeitspanne abgibt, die ausreicht,
die Turbine zu starten. Eine Öffnung kann zur Druckregulierung verwendet werden, da für den
größeren Teil des Startzyklus das Druckverhältnis über diese Öffnung die Strömung in einer derartigen Weise
drosselt, daß eine ausreichende Druckregulierung
ίο erreicht wird. Die druckgeregelte Strömung des
Kaltgases aus dem Tank 59 gelangt über die Leitung 55 in den Bereich zwischen der Zündeinrichtung 25 und der
Brennstoffzuführungseinrichtung 24. Die Strömung des Startgases wird in die normale Richtung durch das
Rückschlagventil 101 gezwungen, welches durch die Wirkung eines Steuerorgans 26 in die Schließstellung,
die in F i g. 4 in gestrichelten Linien gezeigt ist, gebracht wird. Das Steuerorgan 26 sorgt für die Brennstoffzufuhr
(nicht dargestellt), indem Brennstoff unter Druck durch den Brennstoffeinspritzer 24 eingespritzt wird. Die
Zündflamme reicht in die Heizkammer in den Bereich des nun arbeitenden Brennstoffeinspritzers 24. Der
Brennstoff wird mit einem Druck eingespritzt, der ausreicht, einen Sprühstrahl aus kleinen Tröpfchen zu
erzeugen. Wenn die Zündflamme 102 den eingespritzten Brennstoff von dem Brennstoffeinspritzer 24, der mit
Druckluft aus dem Speichertank 59 vermischt ist, erreicht hat, wird durch kontinuierliche Verbrennung
eine erhebliche Menge an Hochdruckgas hoher Temperatur in der Heizkammer 22 erzeugt. Im Fall
einer nicht auf Verbrennung beruhenden Wärmequelle ist keine Zündeinrichtung erforderlich, und das komprimierte
Gas fließt direkt zu der Wärmequelle der Heizkammer 22 und erzeugt hierdurch eine erhebliche
Menge an Hochdruckheißgas. Das Hochdruckheißgas aus der Heizkammer 22 fließt durch die Heißgaseinlaßöffnung
31, wo es auf die Schaufeln 27 auftrifft und die Drehung des Rotors 17 einleitet. Die Drehung des
Rotors 17 und die entsprechende Betätigung des Gebläses 15 bringt Kaltgas 47 durch die Einlaßkammer
11, die Kaltgasöffnung 12 in die Rotorzellen nach innen
und spült hierbei restliche Auspuffgase eines vorangegangenen Betriebes aus. Die Drehung des Rotors 17
schließt dann die Ausgänge der Düsen 38 (oder 40), so daß das einströmende Kaltgas zur Ruhe gelangt, hierbei
die Druckwelle 44 auslöst (die zunächst schwach ist, jedoch an Stärke während des Anlassens zunimmt). Eine
fortgesetzte Drehung des Rotors setzt das Kaltgas in den Rotorzellen den Heißgasen 49 aus der Heizkammer
aus, wodurch die Heißgas/Kaltgas-Trennfront 48 (F i g. 2) erzeugt wird. Die Druckwelle 50 wird ebenfalls
in der oben beschriebenen Weise ausgelöst, und diese verdichtet das Kaltgas 52 weiter. Die Rotordrehzahl
nimmt auf Grund der Wirkung der Strömung von Heißgas 49, welches auf die Schaufeln 27 und durch die
Reaktion der nach außen gerichteten Gasströmung durch die Expansionsdüsen 38 und durch die Hochdruckkaltgasöffnung
32 in die Hochdruckkaltgaskammer 33 zu. Gleichzeitig wird die reflektierte Druckwelle
51 erzeugt, die den Druck des durch die Druckwelle verdichtenden Kaltgases 53 nochmals erhöht, welches
somit schnell einen höheren Druck als der Druck der Gase in der Heizkammer 22 erreicht. Diese Hochdruckkaltgase
treten durch die Hochdruckkaltgasöffnung 32 aus, wandern durch die Hochdruckkaltgaskammer 33
und die Leitung 55 (Fig.4) und treffen auf das Rückschlagventil 101 auf. Wenn der Druck des
Hochdruckkaltgases hoch genug ist, bewegt sich das
verschwenkbare Rückschlagventil 101 aus seiner geschlossenen Startposition (gestrichelte Linien) in seine
offene Arbeitsstellung (durchgezogene Linien), welche eine freie Strömung des Hochdruckkaltgases 53 aus der
Hochdruckkaltgasöffnung 32, durch die Kammer 33 und durch die Leitung 55 zurück in die Heizkammer 22
erlaubt. Die Verwendung dieses Rückschlagventils 101 ist lediglich beispielhaft angegeben, da es viele andere
bekannte Mittel der Rückströmungssteuerung gibt, die dem Fachmann auf diesem Gebiet allgemein bekannt
sind. Wenn das verschwenkbare Rückschlagventil sich öffnet, um die normale Strömung von durch Druckwellen
verdichtetem Kaltgas 53 in die Heizkammer 22 zu erlauben, ist die den Startvorgang bildende Folge
beendet, und die Rotordrehzahl nimmt zu, obwohl auf Grund der niedrigen Drehzahl die Turbine zu diesem
Zeitpunkt noch nicht mit sehr hohem Wirkungsgrad arbeiten kann. Während die Rotordrehzahl zunimmt,
werden die beweglichen Steuerblöcke 75, 76 und 77 (F i g. 3) oder beweglichen Steuerblöcke 78, 79 und 80
(F i g. 4) neu eingestellt, wodurch die Öffnungen 31 und 32 weiter geöffnet werden. Wenn beabsichtigt ist, die
Drehzahl der Turbine bis zum Auslegungspunkt oder auf die Optimaldrehzahl zu erhöhen, werden diese
beweglichen Steuerblöcke in die in durchgezogenen Linien in Fig.4 gezeigten Stellungen bewegt. Die
Turbine wird mit der Druckluft (oder anderem Gas) gestartet, welches zuvor in dem Tank 59 gespeichert
wurde und dann zum Starten dadurch erwärmt wird, daß es durch die Heizkammer 22 geleitet wird. Während
des Startens ist der Wirkungsgrad der Turbine offensichtlich niedrig, nimmt jedoch zu und erreicht den
maximalen Wirkungsgrad für die genaue Einstellung der beweglichen Steuerblöcke in den Steueröffnungen.
Eine zweite Folge von Ereignissen tritt beim Wiederauffüllen des Vorrats an verdichtetem Kaltgas in
dem Tank 59 auf. Aus Gründen der kompakten Bauweise enthält der Tank normalerweise Gas bei
einem Druck, der über dem maximalen Arbeitsdruck der auf dem reflektierten Druckwellenprinzip arbeitenden
Turbine liegt. Im Verlauf des Startens jedoch kann der Druck des gespeicherten verdichteten Gases in dem
Tank 59 unter den Druck des verdichteten Kaltgases 53 als Arbeitsgas abfallen. Das Rückschlagventil 57
verhindert die Strömung des gespeicherten Gases in dem Tank 59 in die Leitung 55. Wenn jedoch der Druck
in der Leitung 55 den Druck in dem Tank übersteigt, öffnet sich das Rückschlagventil 57, um eine begrenzte
Strömung verdichteten Kaltgases 53 in den Tank 59 zur Wiederauffüllung des Vorrats an Hochdruckgas zu
ermöglichen, welches beim Starten verbraucht worden war. Wenn die Drücke der Gase in der Leitung 55 und
dem Tank 59 gleich sind, schließt sich das Rückschlagventil. Wenn nun zusätzliches Gas bei höherem Druck
als dem Druck in der Hochdruckkaltgaskammer 33 für zukünftige Startvorgänge gespeichert werden soll, kann
ein Hilfskompressor 97 verwendet werden. Der Hilfskompressor 97 ist gleichfalls vorgesehen, um, wenn
erforderlich, den Tank 59 zu einer Zeit wieder zu füllen, wenn die Turbine nicht arbeitet.
Aus Fig.4 ist ersichtlich, daß zusätzlich drehbare Leitflügel 13 vorgesehen sind. Diese dem Vordrall
dienenden Leitflügel in der Einlaßöffnung 12 ermöglichen eine Flexibilität des Eintrittswinkels von Kaltgas
47 aus der Kammer 11, wie sie für eine Arbeitsweise besten Wirkungsgrades bei allen Drehzahlen erforderlich
ist, einschließlich des Leerlaufs und des Startens. Wenn die Leitflügel richtig eingestellt sind, tritt die
Kaltluft in die Rotorzellen in einem Winkel ein, der der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors und der Relativgeschwindigkeit
der Auspuffgase in der Rotorzelle entspricht. Wenn die Leitflügel in der in Fig.4
veranschaulichten Weise ausgerichtet sind, weisen die einströmenden Gase eine Bewegungskomponente in
der Richtung auf, in der sich der Rotor bewegt, so daß die Relativgeschwindigkeit des Gases etwas geringer ist
als die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors. Der Betrag des Vordralls der aus der Kammer 11 eintretenden Gase
ist im Idealfall derart, daß in den Rotorzellen eine Relativgeschwindigkeit erzeugt wird, die gerade mit der
der Heißgase in dem Rotor übereinstimmt, so daß hierbei keine Druckwellen oder Expansionsfächer an
der Gastrennfront 42 ausgelöst werden.
Die Gasturbinenanlage kann auch durch direktes Andrehen des Rotors durch mechanische Einrichtungen,
wie beispielsweise einen Elektromotor gestartet werden, vorausgesetzt, daß die Schaufelanordnung derart
ist, daß eine Gaszirkulation durch den aus der Heißgaskammer 22 dem Rotor 17, der Hochdruckkaltgaskammer
33 und der Leitung 55 bestehenden Kreis erzeugt wird. Diese Zirkulation muß selbstverständlich
in der gleichen Richtung wie die normale Arbeitsströmung erfolgen. Eine derartige Gaszirkulation kann nur
dann erreicht werden, wenn das Gas nach Verlassen des Rotors durch die Expansionsdüsen 38 eine größere
Tangentialkomponente der Geschwindigkeit in Drehrichtung aufweist, als es diese beim Eintreten in den
Rotor aus der Heißgaskammer 22 aufwies. Wenn dieser Zustand nicht erreicht ist, kann der Rotor keine positive
Arbeit auf das zirkulierende Gas ausüben und folglich ist auch keine Druckerhöhung des Gases in der Hochdruckkaltgaskammer
33 gegenüber dem in der Heißgaskammer 22 möglich.
Der Rotor mit schraubenlinienförmiger Schaufelbestückung und Axialströmung, wie er in den Fig. 1, 2, 3
und 4 yeranschaulicht ist, kann die zur Ausbildung der Zirkulation in dem zuvor erwähnten Strömungskreis
notwendigen Zustände nicht erzeugen. Folglich ist es nicht möglich, eine Turbine mit dieser Art Rotor durch
direktes mechanisches Anlassen zu starten, wohingegen eine Turbine mit einem spiralförmigen oder helikoidalen
Rotor mit radialer Strömung oder einer erheblichen radialen Strömungskomponente auf dem Rotor auf
diese Weise gestartet werden kann, vorausgesetzt, daß die tangentiale Gasgeschwindigkeit am Ausgang des
Rotors größer ist als am Eingang. Folglich kann der helikoidale Rotor gemäß F i g. 8 und der spiralförmige
Rotor gemäß F i g. 9, bei denen eine radial nach außen gerichtete Strömung angewandt wird, als Bauteile in
einer Antriebsturbine verwendet werden, die durch mechanisches Anlassen gestartet werden kann.
Dem Fachmann auf diesem Gebiet der Herstellung und Konstruktion von Strömungsmaschinen ist es
offensichtlich, daß es geometrische Grenzen bei dem Verhältnis der Querschnittsflächen der Strömungskanäle
der auf dem Rotor befindlichen Düsen 38 (oder Düsenhals 39) und des Einlasses der Rotorzelle gibt, um
für eine stabile und stetige Gaszirkulation die richtige Rotorreaktion zu erreichen.
Beim Starten durch mechanisches Anlassen kann, nachdem die Zirkulation des Gases stabilisiert wurde,
dieses in der Heizkammer 22 durch Einspritzen und Verbrennen von Brennstoff oder durch andere Mittel im
Fall einer Turbine mit entsprechendem spiralförmigen oder helikoidalen Rotor, die jedoch die anderen
Merkmale ähnlich den in F i g. 4 veranschaulichten
aufweist, erhitzt werden. Zu diesem Zeitpunkt liefern die Heißgase die zusätzliche erforderliche Energie zur
Beschleunigung des Rotors auf die stabile Umfangsgeschwindigkeit und der mechanische Anlasser kann
abgeschaltet werden, da der Rotor der Turbine nun ein ausreichendes Drehmoment oder Leistung abgibt, um
die Betriebsweise aufrechtzuerhalten.
Bei beiden Ausführungsformen der F i g. 3 und 4 können die Zwischenstellungen der beweglichen
Steuerblöcke und der Leitflügel verwendet werden, um bei im Zwischenbereich liegenden Drehzahlen einen
maximalen Wirkungsgrad zu erreichen. Für die automatische Einstellung der beweglichen Steuerblöcke
und der Leitflügel können hydraulische, pneumatische, elektrische oder andere Einrichtungen vorgesehen sein,
welche die beweglichen Steuerblöcke entweder direkt oder durch eine mechanische Verbindung einstellen
können, wie diese durch die Kurbel, die Welle und die Nocken 82, 83 bzw. 84 in F i g. 3 oder 85, 86 bzw. 87 in
F i g. 1 und 4 veranschaulicht ist. Die Verbindungsglieder in den automatischen Steuerungen dieser Steuerblöcke
sind nicht dargestellt, da eine Anzahl von Lösungen, die dem Fachmann auf diesem Gebiet
allgemein bekannt sind, verwendet werden kann, um die Kurbel, die Welle und die Nocken automatisch zu ^5
bewegen. Folglich bilden die Mittel für diese automatische Bewegung nicht einen Teil der vorliegenden
Erfindung. Die beweglichen Blöcke selbst und die hierdurch erzielten Ergebnisse bilden jedoch einen
wichtigen Teil der Erfindung.
Es kann vorteilhaft sein, die Überspülung zu vermeiden, die bei niedrigen Drehzahlen auftreten kann,
bei der folglich durch das Pumpen überschüssigen Frischgases in die Rotorzellen, durch die Expansionsdüse
38 der Rotorzellen und nach außen durch die Auspufföffnung 19 Arbeit verlorengeht. Falls das
Kaltgasgebläse 15 mechanisch durch den Rotor 17 oder durch andere Einrichtungen bei einer Drehzahl
proportional zu der des Rotors angetrieben ist, ist die Geschwindigkeit des kalten Frischgases 47 durch die
Einlaßkammer 11, durch die Rotorzellen 18 und durch die Expansionsdüsen 38 (oder 41) der Rotorzellen etwa
proportional zur Rotordrehzahl. Die Geschwindigkeit des restlichen Heißgases, welches in die Auspuffkammer
20 durch die Vorwärtsbewegung des Kaltgases aus der Einlaßkammer 11 ausgetrieben wird, ist ebenso etwa
proportional zu der Drehzahl des Rotors. Folglich ist es bei dieser einfachen Ausführungsform, bei der die
Drehzahl des Gebläses proportional zur Rotordrehzahl ist, möglich, die Vorderkanten und Hinterkanten der
Auspufföffnung 19 festzulegen (d. h. nicht verstellbar), ohne daß bei den verschiedenen Drehzahlen ein
merkbarer Verlust an Wirkungsgrad auftritt. Bei anderen Ausführungsformen, die aufgeladen sind und
bei denen die Drehzahl des Gebläses nicht immer proportional zur Rotordrehzahl ist, ist es bei bevorzugten
Versionen erforderlich, eine einstellbare Hinterkante der Auspufföffnung 19 mittels eines beweglichen
Steuerblocks vorzusehen. Für irgendeine bestimmte Turbinen- oder Rotordrehzahl wird dieser bewegliche
Steuerblock für höhere Gebläsedrehzahlen vorgeschoben und für niedrigere Gebläsedrehzahlen zurückgezogen.
In den F i g. 7A bis 7C, 8A bis 8C und 9A bis 9C sind eine Anzahl von Anordnungen für die geometrischen
Formen der Rotorschaufeln und der geometrischen Formen der zwischen diesen Rotorschaufeln ausgebildeten
Rotorzellen gezeigt. In den F i g. 7A bis 7C sind die Schaufeln schraubenlinienförmig geformt, um eine
Axialströmung des Arbeitsgases zu ermöglichen. Die Schaufelformen der Ausführungsformen gemäß den
F i g. 1 bis 6 sind von dieser Art. In den F i g. 8A bis 8C sind die Schaufeln und folglich auch die Rotorzellen in
helikoidaler Form gezeigt, die eine Strömung ermöglichen, welche.sowohl eine Axialkomponente als auch
eine Radialkomponente aufweist. Die Radialkomponente kann nach innen oder nach außen gerichtet sein, was
entsprechend der Konstruktion und der resultierenden Strömungsrichtung wählbar ist. Die F i g. 9A bis 9C
zeigen Schaufeln und folglich Rotorzellen, welche spiralförmig ausgebildet sind und eine Radialströmung
direkt in Richtung der Drehachse oder direkt von der Drehachse weg ermöglichen, was von der Wahl der
Konstruktion und der daraus resultierenden Strömungsrichtung abhängt. Die in diesen Figuren veranschaulichten
alternativen beispielhaften Ausführungsformen für den Rotor wurden gewählt, um die Anwendbarkeit der
in oben stehenden beschriebenen Prinzipien auf verschiedene geometrische Formen zu zeigen.
Die F i g. 11A bis 11F zeigen in F i g. 11A, 11C und 11E
die Einlaßöffnungen für verschiedene Arten von Gasturbinenanlagen und die F i g. 11B, 11D und 11F die
entsprechenden Anordnungen der Auslaßöffnungen. Die in den Fig. HA und HB gezeigten Einlaß- und
Auslaßöffnungen sind für eine Turbine mit einem einzelnen Sektor gedacht, wie sie oben bereits
beschrieben wurde, die drei Rückführungsstufen verwendet. Die Bezugszeichen in den Fig. HA und HB
sind dieselben wie die beispielsweise in den F i g. 1 bis 6 verwendeten. Die in den Fig. HC und HD gezeigte
Anordnung der Steueröffnungen ist für eine Turbine gedacht, die drei Sektoren pro Umdrehung durchläuft
und die pro Sektor drei Rückführungskanäle verwendet. Dieselben Bezugszeichen wurden verwendet und die
baulichen Einzelheiten sind aus den verwendeten Bezugszeichen ersichtlich. Es ist zu sehen, daß bei der
Anordnung gemäß den Fig. HC und HD die drei •Arbeitssektoren symmetrisch ausgebildet sind, so daß
eine gleichmäßige Verteilung der Arbeitsgänge um die Rotationsachse erzielt wird.
Die in den Fig. 11A und HB (Einzelsektor) und den
F i g. 11E und 11F dargestellten Anordnungen sind für
asymmetrische Einrichtungen gedacht. Die Symmetrie der Anordnung der Sektoren um die Drehachse ist bei
jeder Ausführungsform möglich, die zwei oder mehr Sektoren aufweist. Die freie Wahl einer asymmetrischen
Anordnung der Sektoren (ein oder mehr) bei einer Turbine kann verwendet werden, um als gesamtes oder
teilweise die asymmetrischen Kräfte zu versetzen, die auf Grund äußerer mechanischer Antriebsverbindungen,
wie Getriebe, Ketten, Scheiben oder Riemen, auf die Turbinenwelle wirken. Die Bezugszeichen für
entsprechende Einzelheiten in den Fig. HE und 11F
sind dieselben wie bei den darüberstehenden Figuren und die Anordnung dieser Einzelheiten sollte offensichtlich
sein.
Die Arbeitsweise des Rotors der beschriebenen Gasturbinenanlage unterscheidet sich erheblich von
einer üblichen Turbine, da jede Rotorzelle 18 der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage eine Folge
komplexer Funktionen erfüllt, von denen einige (mit der Ausnahme der Verbrennung) grob betrachtet analog
denen einem Verbrennungsmotor vom Kolben-Zylindertyp sind. Im Gegensatz hierzu erfüllen die Räume
zwischen den Schaufeln einer konventionellen Turbine die Funktion einer einfachen Steuerung der Strömung
230 261/81
und Expansion des Arbeitsgases in einem stetigen Zustand. Die erfindungsgemäße Gasturbinenanlage
unterscheidet sich erheblich von einem Verbrennungsmotor vom Kolbenzylindertyp darin, daß sie keine hin
und her beweglichen Teile, keine Ventile und keine intermittierend arbeitende Zünd- oder Brennstoffeinspritzeinrichtungen
aufweist. Entsprechende Funktionen dieser komplexen Einrichtungen werden statt dessen als Folge der zeitlich abgestimmten Öffnung der
Rotorzellen 18 zu den Einlaßöffnungen 12,31,347?, 35/?,
36/?, 37 R und zu den Auslaßöffnungen 19, 32,34/3", 35£",
36E, 37E erreicht. Diese Funktionen werden als Folge der Drehbewegung des Rotors 17 mit der Erzeugung
von Druckwellen 44,50 und der reflektierten Druckwelle 51, Expansionswellen, reflektierten Expansionswellen,
nach innen und nach außen gerichteten Strömungen in zweckdienlicher Folge erzielt, um dadurch eine
Strömung von verdichtetem Kaltgas zu der Heiz- (oder Brennkammer aufrechtzuerhalten und um durch eine
Expansion des Heißgases aus der Heiz- (oder Brenn-)-kammer mit hohem Wirkungsgrad an der Welle ein
Drehmoment zu erzeugen. Die erfindungsgemäße Gasturbinenanlage erscheint von außen gesehen einer
üblichen Gasturbine ähnlich, indem die Rotorzellen trotz ihrer vielfältigen und komplexen inneren Funktionen
zusammen eine stetige Strömung und wirksame Expansion von Heißgasen gewährleisten. Sie unterscheidet
sich erheblich von der üblichen Gasturbine darin, daß der Rotor abwechselnd Verdichtungs- und
Expansionsphasen verwendet, um beide Funktionen, nämlich die Verdichtung und die Expansion innerhalb
derselben Rotorzelle zu erfüllen. Als Ergebnis dieser abwechselnden Phasen kann die erfindungsgemäße
Gasturbinenanlage insbesondere bei den Ausführungsformen mit den in den F i g. 3 und 4 veranschaulichten
beweglichen Blöcken und beweglichen Leitflügeln mit gutem Wirkungsgrad über einen großen Bereich von
Geschwindigkeiten arbeiten. Wenn verbrennbare Brennstoffe als Wärmequelle verwendet werden, kann
die Turbine eine stetige Verbrennung (ohne Schwallbildung) bei niedrigen Geschwindigkeiten und niedrigem
Brennstoffverbrauch aufrechterhalten und eine erhebliche Leistung (Wellenleistung, Schub oder Kompression)
bis herunter zu vergleichsweise niedrigen Leerlaufgeschwindigkeiten abgeben.
Die größeren Vorteile der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage ergeben sich aus der abwechselnden
Verwendung der Rotorzellen zur Verdichtung des Kaltgases und zur Expansion oder Abblasen des
Heißgases. Die Verdichtung durch Druckwellen, die Verwendung direkter Druckwellen 44, 50 und der
reflektierten Druckwelle 51 von dem durch den Übergang der Düse im Rotor gebildeten Strömungshindernis,
ermöglicht es, hohe Verdichtungsverhältnisse und hohe thermodynamische Wirkungsgrade zu erreichen,
ohne die Größe, das Gewicht, die Kosten oder die Komplexität mehrstufiger Axial-, Zentrifugal- oder
anderer üblicher Verdichter zu benötigen. Hinzu kommt, daß die Verwendung der Rotorzellen für die
Verdichtung der kalten Frischgase durch Druckwellen gleichzeitig eine selbsttätige Kühlung der Rotorzellen
als Teil des grundsätzlichen Arbeitszyklus darstellt, ohne daß spezielle Kühlleitungen, öffnungen oder
Höhlungen erforderlich sind, und ohne daß kraftverzehrende Kühlmittelströmungen in dem Rotor oder den
Rotorschaufeln nötig sind. Die untere Durchschnittstemperatur, die im Rotor und seinen Schaufeln auf
Grund dem abwechselnden Aussetzen zu kaltem und heißem Gas erreicht wird, ermöglicht erstens die
Verwendung einer hohen Spitzentemperatur für das Heißgas zum Erreichen eines größeren thermodynamischen
Wirkungsgrades, zweitens die Verwendung von Materialien geringer Kosten in Verbindung mit üblichen
Spitzentemperaturen des Heißgases oder drittens einen ökonomisch sinnvollen Kompromiß oder Kombination
von höheren Spitzentemperaturen der Heißgase und Materialien geringerer Kosten.
Ein Vorteil besonderer Bedeutung ist der Widerstand der erfindungsgemäßen Antriebsturbine gegen das
Abwürgen bei schnellen Änderungen von Last und Drehzahl. Die Neigung, bei schneller Beschleunigung
abgewürgt zu werden, welche alle bisher bekannten Arten von Gasturbinen aufwiesen, wird wirksam bei der
erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage dadurch unterdrückt, daß das Kaltgas 47 aus dem Gebläse 15 wirksam
gegenüber der Strömung des durch Druckwellen verdichteten Kaltgases 53 und des Heißgases 49 in dem
Hochdruckkreis isoliert ist. Hinzu kommt, daß der in dem Hochdruckkaltgas 53 vorhandene hohe Staudruck
in der Kombination mit der Art und Weise, in der die Druck- und Expansionswellen sich fortpflanzen (stromaufwärts
und stromabwärts), wenn in der Heizkammer 22 die Wärmemenge schnell vergrößert oder verkleinert
wird, eine stabile Strömung in dem Hochdruckkreis unabhängig von schnellen Änderungen der Last und
Drehzahl gewährleistet. Das Obenstehende trifft zu, weil die in der Heizkammer 22 auf Grund schneller
Vergrößerungen der Wärmezufuhr erzeugten Druckwellen die Hochdruckheißgasöffnung 31 erreichen, ehe
die sich in das Kaltgas stromaufwärts fortpflanzenden Druckwellen die Hochdruckkaltgasöffnung 32 erreichen,
so daß über den Rotor die richtigen Gradienten des Übergangsdrucks gewährleistet sind.
Bei der beschriebenen Ausführungsform ist der Stator der Gasturbinenanlage aus rostfreiem Stahl hergestellt,
um den hohen Temperaturen, die im wesentlichen konstant vorhanden sind, zu widerstehen. Es soll darauf
hingewiesen werden, daß andere Materialien, wie beispielsweise Inconel, verwendet werden können,
vorausgesetzt, daß derartige Materialien gegen hohe Temperaturen widerstandsfähig sind. Der Rotor bei der
beschriebenen Ausführungsform kann aus rostfreiem Stahl mit 5%igem Chromgehalt oder sogar aus einigen
Aluminiumlegierungen hergestellt werden, da die mittlere Temperatur des Rotors nicht so hoch ist, wie
die des Stators. Dies stellt einen erheblichen wirtschaftlichen Vorteil dar.
Claims (9)
1. Verfahren zum Antreiben eines Rotors einer Gasturbinenanlage durch Kompression und Expansion
von Gasen, bei dem zunächst kaltes Gas mit relativ geringem Druck in Zellen des Rotors
eingeführt wird, bei dem dann an der Austrittsöffnung der Zellen eine erste Druckwelle in Richtung
deren Eintrittsöffnungen erzeugt wird, durch welche das Kaltgas in den Zellen einer ersten Verdichtung
ausgesetzt wird, bei dem dann in den Zellen durch deren Eintrittsöffnung ein Heißgas relativ höheren
Druckes eingeleitet wird und dadurch eine zweite Druckwelle in Richtung der Austrittsöffnungen der
Zellen erzeugt wird, welche das Kaltgas in den Zellen einer zweiten Verdichtung aussetzt, und bei
dem eine dritte reflektierte Druckwelle in Richtung der Eintrittsöffnungen erzeugt wird, die das Kaltgas
weiter und das Heißgas verdichtet, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte reflektierte
Druckwelle innerhalb der Rotorzelle vor der Expansion an einem Strömungshindernis am Übergang
zu einer Düse erzeugt wird, daß die Gase von der Düse ausgehend nach Art der Arbeitsweise einer
Reaktionsturbine expandiert werden und den Rotor antreiben, und daß die heißen Gase in aufeinanderfolgenden
Stufen innerhalb der Rotorzellen entspannt werden.
2. Gasturbinenanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit auf einem Rotor
angeordneten Zellen zur Kompression und Expansion von Gasen im Laufe eines Zyklus und mit
Kammern und Leitungen für die Zu- bzw. Abfuhr der Gase, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zelle (18)
des Rotors (17) am Übergang zu einer Düse ein Strömungshindernis (39) aufweist, das derart ausgebildet
ist, daß an ihm beim Auftreffen einer Druckwelle eine reflektierte Druckwelle erzeugt
wird, daß der an dem Strömungshindernis (39) in Richtung der Auslaßöffnung anschließende Bereich
der Zelle als Düse einer Reaktionsturbine ausgebildet ist, und daß das den Rotor (17) aufnehmende
Gehäuse eine Anzahl von als Expansionsstufen ausgebildeten Hochdruckheißgasexpansionsöffnungen
(34£bis 37E) aufweist.
3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckheißgasexpansionsöffnungen
(34E bis 37E) über Leitungen mit Heißgasrückführungsöffnungen (34/? bis 37R) im
Bereich der Einlaßseite der Zellen (18) verbunden sind, wobei die Heißgasrückführungsöffnungen (34/?
bis 37R) in Drehrichtung jeweils hinter den entsprechenden Hochdruckheißgasexpansionsöffnungen
(34ZT bis 37E) angeordnet sind, und das teilweise entspannte Heißgas in die Zellen der
nächstfolgenden Expansionsstufe zurückführen.
4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Drehrichtung des Rotors (17)
die Größe der Expansionsöffnungen (34E bis 37E) und die Größe der Rückführungsöffnungen (34R bis
37R) jeweils einander entsprechend stufenweise zunimmt.
5. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstellung
der Größe und örtlichen Beziehung der Heißgaseinlaßöffnung (31) bewegliche Wandungsabschnitte (75,
76,78) vorgesehen sind.
6. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstellung
der Größe und örtlichen Beziehung der Kaltgaseinlaßöffnung (12,14) bewegliche Wandungsabschnitte
vorgesehen sind.
7. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung
der Größe und örtlichen Beziehung der Hochdruckkaltgasauslaßöffnung (32) bewegliche Wandungsabschnitte
(77,79,80) vorgesehen sind.
8. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen
Wandungsabschnitte (75 bis 80) als Steuerschieber oder Steuerblöcke ausgebildet sind.
9. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hochdruckheißgasexpansionsöffnungen
(34£bis 37£)und den Heißgasrückführungsöffnungen (34/? bis 37R)
bewegliche Wandungsabschnitte zur Veränderung deren Größe und örtlicher Beziehung vorgesehen
sind.
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