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Gasturbine
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Die Erfindung betrifft eine Gasturbine, mit einem kreiszylindrischen
Gehäuse mit darin drehbarem Turbinenlaufer, der auf einer Antriebswelle befestigt
ist, mit einer externen Brennkammer, die eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung aufweist
und mit Ein- und Auslaßventilen versehen ist, sowie einem Luftverdichter.
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Bei Gasturbinen ist der Wirkungsgrad um so höher, je höher die Temperatur
der in den Turbinenläufer eintretenden Verbrennungsgase ist. Herkömmlich Gasturbinen
arbeiten mit Turbinenschaufeln, die für eine möglichst günstige Umsetzung der thermischen
Energie in mechanische Energie sorgen sollen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine neuartige Gasturbine zu schaffen,
die einen robusten Aufbau hat und mit sehr hohen Gastemperaturen betrieben werden
kann, um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verdichter
aus mehreren radial zur Antriebswelle angeordneten Kompressionszylindern mit von
dieser Antriebswelle angetriebenen Kolben besteht und daß die einzelnen Zylinder
zur mehrstufigen Verdichtung luftseitig hintereinander geschaltet sind.
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Während bei bekannten Gasturbinen Kreiselverdichter verwendet werden,
um die zur Verbrennung notwendige Luft vorzukomprimieren, benutzt die Erfindung
Kolbenkompressoren, von denen erfindungsgemäß drei Kompressoren in einer Ebene parallel
zur Laufebene des Turbinenlaufers angeordne-t sind.
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Diese Kolbenkompressoren gestatten eine Vorkomprimierung der Luft
auf etwa 80 at bis 100 atü. Diese hochkomprimierte Luft wird der Brennkammer zugeführt,
in welche flüssiger Kraftstoff, wie Benzin oder Dieselöl eingespritzt wird. Dabei
ist wesentlich, daR eine Fremdzündanlage entfällt, da aufgrund der hochkomprimierten
Luft und der hohen Kompressionsendtemperatur eine sofortige Selbstzilndung des eingesprtzten
Kraftstoffes eintritt. Durch die Verbrennung findet eine weitere Druckerhöhung auf
das Drei- bis Vierfache statt. Die Brenngase stehen damit unter einer sehr hohen
Temperatur und
einem entsprechend hohen Arbeitsdruck zur Verfügung
und werden nach Öffnen des Auslaßventils den Beaufschlagungsflächen des Läufers
zugeführt. Herkömmliche Turbinenschaufeln würden die hohen Abgastemperaturen nicht
aushalten. Deswegen besteht ein wesentliches Merkmal der Erfindung darin, daß der
Läufer aus einem scheibenförmigen einstückigen Drehkörper besteht, dessen Umfangswand
mit über de ganze Breite des Drehkörpers reichenden und längs des Umfangs verteilten
Beaufschlagungsflächen versehen ist. Diese Benufschlagungsflächen sind im wesentlichen
radial angeordnet und es ist wichtig, daß diese Beaufschlagungsflächen keine separaten
befestigten Elemente darstellen, sondern am einteiligen Drehkörper ausgebildet sind.
Der Läufer hat zu diesem Zweck eine sägezahnartige Umfangskontur bzw. eine entsprechende
Kontur, die eine Vielzahl von einzelnen Arbeitskammern ergibt, die außen vom Gehäuseumfang
geschlossen sind. Diese Arbeitskammern werden von etwa radial angeordneten Beaufschlagungaflächen
und im Winkel dazu stehenden Begrenzrngsflächen des Läufers begrenzt. Bei den Beaufschlagungsflachen
handelt es sich nicht um glatte ebene Flächen, sondern um konkav gewölbte Flächen,
wobei für eine optimale Strömung der Gase bei der Umwandlung von thermischer Energie
in mechanische Arbeit Sorge getragen ist.
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Dank der Tatsache, daß der Läufer aus einem kompakten Stück besteht
und keine empfindlichen Schaufeln trägt, die Schaufelflächen
vielmehr
von am Drehkörper selbst ausgebildeten Beaufschlagungsflächen gebildet werden, kann
mit sehr hohen Brenngastemperaturen und Verbrennungsdrücken gearbeitet werden. Weiterhin
ergibt sich eine sehr hohe Drehzahl der Turbine, die durch die hohen Gasgeschwindigkeiten
bestimmt ist. Diese Betriebsweise verlangt einen kompakten Läufer, der höchsten
thermischen und mechanischen Beanspruchungen standhält.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht noch darin, daß die Ein-
und Auslaßventile der Brennkammer über Kurbel- und/ oder Exzentersteuerung von der
Antriebswelle selbst betätigbar sind. Diese Steuerungsart trägt zur Exaktheit der
Ein-und Auslaßperioden der Ventile bei. Schließlich besteht noch ein Merkmal der
Erfindung darin, daß mehrere Brennkammern vorgesehen sind, deren Auslaßleitungen
in gleichen Umfangsabständen in der den Läufer begrenzenden Gehäuseringwand münden.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mit wesentlich höheren
Kompressionsenddrücken und höheren Kompressionsendtemperaturen gearbeitet werden
kann, als dies bisher möglich erschien. Der in den Brennkammern vorhandene Energieinhalt
der Brenngase je kg Brenngas ist somit sehr hoch. Dies führt zu einem sehr günstigen
Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine.
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Aufgrund der hohen Kompression können die Baumaße der Gasturbine
selbst
gering gehalten werden. Bei etwa gleicher Leistung ist der Durchmesser des Läufers
bei der erfindungsgemäßen Turbine wesentlich kleiner als bei bekannten Gasturbinen.
Nicht nur diese Bauweise mit geringen Dimensinnen, sondern auch die einfache Gestaltung
des Läufers und der Wegfall jeglicher Fremdzündeinrichtungen mit zugehöriger Steuerung
führt zu einem einfachen Aufbau mit geringer Störanfälligkeit und hoher Lebensdauer.
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Anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel darstellt, sei die
Erfindung näher beschrieben.
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Die einzige Figur zeigt eine perspektivische, teilweise geschnittene
Ansicht eines schematischen AusfUhrungsbeispieles der neuen Gasturbine.
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In einem kreiszylindrischen Gehäuse 1 wird eine kreiszylindrische
Turbinenkamrner gebildet, in welcher ein scheibenförmiger Läufer 2 umläuft, der
an einer Antriebswelle 3 befestigt ist, die in stirnseitigen Gehäusestutzen 4 gelagert
ist. Das zylindrische Gehäuse 1 ist beidseitig mittels Stirnplatten 5 verschlossen,
die mittels Dichtringen 6, welche nur schematisch veranschaulicht sind, die Seiten
des scheibenförmigen Läufers 2 abdichten. Der Läufer 2 ist an seinem Umfang sagezahnartig
ausgebildet, wobei abwechselnd Beaufschlagungsflächen 8 und dazu etwa rechtwinklig
stehende Begrenzungqflächen
9 gebildet werden. Die Beaufschlagungsflächen
8 verlaufen angenähert radial. wesentlich ist, daß der gesamte Läufer 2 aus einem
Stück besteht und keinerlei an seinem Umfang befestigte Teile, wie l'urbinenschaufeln
u. dgl. aufweist.
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Benachbart einer der Gehäusestirnplatten 5 befinden sich in radialer
Anordnung mehrere Kompressionszylinder 10, 11, in denen Kolben 12 beweglich geführt
und mittels Pleuelstangen von auf der Antriebswelle 3 sitzenden Kurbeln betätigt
werden. In gleicher Weise ist auch alternativ eine Exzenterbetätigung der Kolben
12 möglich. Jeder der Kompressionszylinder 10, 11 weist Ein- und Auslaßöffnungen
auf. Im Fall von zwei hintereinander geschalteten Kompressionszylindern saugt der
Kompressionsyzlinder 10 Luft an und gibt die verdichtete Luft über eine Leitung
13 in den nächsten Kompressionszylinder 11, in welchem beim nächsten Arbeitshub
eine Nachverdichtung erzielt wird, so daß hochkomprimierte Luft durch eine Auslaßleitung
14 der Brennkammer 15 bei geöffnetem Einlaßventil 16 zugeführt werden kann.
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Im Ausführungsbeispiel sind zwei Kompressionsyzlinder 10, 11 dargestellt.
Da erfindungsgemäß die Gasturbine mit sehr .ohren Kompressionsenddrücken in der
Größenordnung von 80 atü bis 100 atü arbeiten soll, werden mindestens drei Kompressionszylinder
in der beschriebenen Weise radial und sternförmig angeordnet und hintereinander
geschaltet, um so durch
-dreistufige Verdichtung den hohen Kompressionsenddruck
zu erreichen.
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Die Brennkammer hat ein Einlaßventil 16 und ein Auslaßventil 17 und
eine Brennstoffeinspritzdüse 18. Beide Ventile 16, 17 sind als Drehschieber ausgebildet
und werden jeweils über ein Steuergestänge 19 von einem Exzenter 20 betätigt, der
auf der Antriebswelle 3 befestigt ist. Aus Gründen der besseren Klarheit ist in
der Zeichnung schematisch nur die Steuerung des Auslaßventiles 17 dargestellt.
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An das Auslaßventil 17 schließt sich eine Auslaßleitung 21 an, die
etwa tangential in der inneren Umfangsfläche des Turbinengehäuses 1 mündet.
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Die Arbeitsweise der Gasturbine ist folgende. In mindestens zwei Kolbenverdichtern
wird die angesaugte Luft vorverdichtet und nachverdichtet und gelangt dann durch
das geöffnete Einlaßventil 16 in die Brennkammer Das Einlaßventil wird dann geschlossen
und wahrend das Auslaßventil 17 noch geschlossen ist, wird flüssiger Kraftstoff
18 in die Brennkammer eingespritzt. Wegen des hohen Kornpressionsenddruckes in der
Brennkammer findet eine sofortige Selbstzündung des Brennstoffes statt. Der Kraftstoff
verbrennt. Der Gasdruck und die Gastemperatur im Brennraum steigen weiterhin erheblich
an. ueber die dargestellte Steuerung wird dann das Auslaßventil 17 geöffnet und
die extrem heißen hochkomprimlerten
Brenngase verlassen die Kammer
durch die Auslaßleitung 21 und strömen auf die Beaufschlagungsflächen 8 des Turbinenläufers
2. Die Beaufschlagungsflächen 8 sind strömungsgünstig geformt, so daß thermische
Energie der Brenngase mit günstigem Wirkungsgrad in mechanische Energie umgewandelt
wird. An einem, von der Mündung des Auslaßrohres 21 entfernten Umfangsbereich ist
ein Austrittsrohr für die Brenngase vorgesehen, das in der Zeichnung aus Gründen
der besseren Klarheit nicht dargestellt ist. Dieses Auslaßrohr kann en-tweder die
Brenngase ins Freie ausströmen lassen oder zu einem Wärmeaustauscher führen, in
welchem die angesaugte oder besser komprimierte Luft noch Wärme aus dem Abgas aufnehmen
kann, um so den thermischen Wirkungsgrad weiter zu erhöhen.
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Es versteht sich, daß mehrere Bnnnkammern in gleichen Umfangsabständen
verteilt am selben Turbinengehäuse angeordnet werden können, wie es auch möglich
ist, mehrere Turbinenläufer nebeneinander auf derselben Antriebswelle vorzusehen,
wenn eine Erhöhung der Leistung gefordert wird.
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Während bekannte Gasturbinan mit einem Kompressionsenddruck von etwa
bis 4 - 5 atü arbeiten, wird mit der erfindungagemäßen Kompressionsanordnung ein
Enddruck in der Größenordnung von 80 atü bis 100 atü erreicht. Dieser Kompressionsenddruck
steigert sich noch einmal in der Brennkammer auf
das Drei- bis
Fünffache, so daß die Brenngase unter außerordentlich hohem Druck von mehreren 100
atü stehen und eine entsprechend hohe Verbrennungstemperatur aufweisen. Der Energieinhalt
der Brenngase liegt damit wesentlich höher als bei bekannten Turbinen, was den Wirkungsgrad
maßgeblich verbessert. Diese hohen Temperaturen der Brenngase erfordern aber eine
thermisch hochbelaatbare mechanische Ausbildung des Läufers, insbesondere im Bereich
der Beaufschlagungsflächen. Zu diesem Zweck werden keine Turbinenschaufeln vorgesehen,
vielmehr die Beaufschlagungsflächen durch entsprechende Gestaltung des Läufers selbst
gebildet.
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L e e r s e i t e