DE2654118A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines gerichteten hochgeschwindigkeitsstroms eines kompressiblen fluids - Google Patents

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DIPL.-iNG. KLAUS DEHN

DIPL-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER

PATENTANWÄLTE

WIDENMAYERSTRASSE 6 D-8000 MÜNCHEN 22 TEL (089) 22 25 30 - 29 51 92

A 28576 Ml/ib * 29. November 1976

Herr Charles Stuart BAGLEY, 1314 Ohio Avenue, Alamogordo, New Mexico 88310, USA

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines gerichteten HochgeschwindigkeitsStroms eines kompressiblen Fluids

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung gerichteter Hochgeschwindigkeitsströme eines kompressiblen Fluids und ist speziell auf dem Gebiet von Gasturbinen verwendbar- Bei den bekannten Turbinen wird zur Erzeugung gerichteter Hochgeschwindigkeitsströme kompressibler Fluids der Brayton-Zyklus verwendet. Dieser Zyklus besteht aus einer adiabatischen Kompression des Fluids, in welchem die Enthalpie durch mechanische Arbeit erhöht wird, Erhitzen bei konstantem Druck, wobei die Enthalpie des Fluid weiter ansteigt und adiabatische Expansion, bei der ein Teil der im Fluid enthaltenen Enthalpie in Geschwindigkeit umgewandelt wird. Das Erhitzen wird üblicherweise durch Verbrennen eines flüssigen Brennstoffs im Fluid erzielt.

Der Brayton-Zyklus hat den Nachteil, daß ein wesentlicher Teil der zugeführten Wärmeenergie für die Umwandlung in kinetische Energie nicht zur Verfügung steht, wenn die Wärmeenergie dem Fluid zugeführt wird, ohne daß eine entsprechende Druckerhöhung vor dem EinBankhaus Merck. FInck a Co.. München. Nr.25464 I Bankhaus H. Aufhäuser. München, Nr.261300 Postscheck: München 20904-800 ^

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tritt in den Expansionsabschnitt des Zyklus vorgenommen wird. Das hängt damit zusammen, daß die entsprechende Düse auf einen beträchtlichen Druckunterschied zwischen ihrer Eintritts- und ihrer Austrittsseite angewiesen ist, damit das Fluid expandieren und dabei die thermische Energie in kinetische Energie umsetzen kann. Im Brayton-Zyklus ist der Druck am Einlaß zur Düse normalerweise der des komprimierten Fluid, wie es vom Kompressor zugeführt wird. Jede Zufügung von Wärmeenergie innerhalb der Drossel, wodurch der Druck ansteigt, führt zu einer entsprechenden Erhöhung in der Arbeitsleistung des Kompressors und steht folglich dem Vorteil entgegen , der sonst durch die Wärmezufuhr erreicht wird.· Deswegen wird im Brayton-Zyklus die Wärmeenergie so zugeführt,, daß der Druck konstant gehalten wird.

Adiabatische Kompression ist thermodynamisch ein reversibler Vorgang, das heißt isentrop, und die Kompressorarbeit kann im wesentlichen als äquivalente kinetische Energie während der Expansion des komprimierten Fluid in einer entsprechenden Düse zurückgewonnen werden. Dies gilt nicht für die dem Fluid bei konstantem Druck zugeführte thermische Energie. Diese Energiezufuhr ist ein "weitgehend irreversibler Prozeß und der Hauptgrund für schlechten thermodynamischen Wirkungsgrad bei den bekannten Verfahren zur Erzeugung gerichteter Hochgeschwindigkeitsströme von kompressiblen Fluids. In solchen Fällen, wo Druckverhältnisse konvergent - divergente Düsentypen zur vollständigen Expansion des Fluid erfordern würden, wird der rückgewinnbare Teil der Enthalpie des Fluid nahezu vollständig für die Kompressorarbeit aufgebraucht, das heißt nicht produktiv, soweit man das Gesamtergebnis betrachtet. Der produktive Anteil des Fluidzyklus kommt von dem begrenzten Vorteil, der durch Erhöhen

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der Temperatur und durch Steigerung der kritischen oder akustischen Geschwindigkeit erzielt wird, was in Düsen der konvergenten Typen möglich ist. Dies hat zur ausschließlichen Verwendung von konvergenten Düsentypen bei den derzeit verwendeten Gasturbinen und Strahltriebwerken geführt und zum Trend zu immer höheren Temperaturen, um höhere Geschwindigkeiten und damit günstigere Verhältnisse zwischen produktiver und nicht produktiver Arbeit zu erhalten. Die für das Erreichen einer bestimmten Geschwindigkeit auf diese Weise benötigten Wärmemengen sind jedoch stets größer als die für die äuqivalente kinetische Energie benötigten, denn je höher die Geschwindigkeit ist, die erzielt werden kann, desto höher ist die Austrittstemperatur und folglich um so größer der Wärmeverlust. Es ist üblich bei derzeit verwendeten Gasturbinen, daß der Energieverlust zweimal so hoch ist wie die in Strömungsgeschwindigkeit umgesetzt Energie. Es werden zahlreiche Vorrichtungen eingesetzt, um die Abwärme so gut wie möglich nutzbar zu machen, doch sind derartige Vorrichtungen komnliziert und teuer und

Teil im allgemeinen nur in der Lage, einen kleinen/dieser thermischen

Verlustenergie rückzugewinnen.

Im Gegensatz zum Brayton-Zyklus wird bei Dampfturbinen der Rankine-Zyklus benutzt, bei welchem Dampf in einen geschlossenen Kessel erhitzt wird. Dadurch wird der Druck gemeinsam mit der Temperatur gesteigert. Der Prozeß ist mit der adiabatischen Kompression in Gasturbinen vergleichbar und folglich im wesentlichen isentropisch und deshalb thermodynamisch reversibel. Der überwiegende Teil der zugeführten thermischen Energie kann durch geeignet gestaltete Düsen in kinetische Energie umgewandelt werden. Da jedoch dabei ein Dampfzyklus verwendet wird, enthält der austretende Dampf noch ei-

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ne große Menge an Wärmeenergie für die Verdampfung, die im Kondensator verlorengeht, wo der austretende Dampf seine noch enthaltene Wärmemenge an irgendein Kühlmedium abgibt. Im allgemeinen ist die im Kondensator abgegebene Wärmemenge das zwei- bis dreifache der in kinetische Energie im übrigen Turbinenzyklus umgesetzten Wärmemenge .

Gemäß der Erfindung wird einem expandierenden Fluid auf dem Weg durch ein langgestrecktes Abgabeteil einer Düse, deren wirksamer Querschnitt von einer Düsenengstelle bis zum Düsenaustritt allmählich zunimmt, Wärme zugeführt, wodurch die Austrittsgeschwindigkeit des Fluid gesteigert wird. Dem normalen Abkühlen des Fluid und damit seinem Druckverlust wird durch die Wärmezufuhr entgegengewirkt, wobei der größte Teil der Wärme unmittelbar in kinetische Energie in Form von zusätzlicher Geschwindigkeit des Fluid, das dann austritt, umgesetzt wird.

Um das erfindungsgemäße Verfahren in die Praxis umzusetzen, wird ein kompressibles Fluid auf einen den Atmosphärendruck übersteigenden Druck komprimiert oder im Falle eines geschlossenen Systems auf einen Druck, der größer als derjenige in der Kammer ist, in die das aus der Düse austretende Fluid hineingelangt. Das komprimierte Fluid expandiert bei seinem Durchgang durch den Eintrittsabschnitt, die Engstelle und die Austrittsbereiche der Düse. Wärme wird dem Fluid während seiner Expansion im Austrittsbereich der Düse zugeführt, wodurch eine zusätzliche Expansion und Steigerung der Fluidgeschwindigkeit erzielt wird. Das Fluid wird durch den Auslaß der Düse als ein gerichteter Hochgeschwindigkeitsstrahl ausgestoßen.

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ΛΟ

Die Vorrichtung hat eine langgestreckte Düse mit einem Kanal für den Fluidstrom, der sie von ihrem Einlaß am einen Ende der Düsenkonstruktion zum Auslaß am gegenüberliegenden Ende durchzieht, wobei nahe dem Einlaß in einem Zwischenbereich eine Engstelle vorhanden ist, die die Düsenkonstruktion in einen relativ kurzen Einlaßabschnitt und einen relativ langen Auslaßabschnitt unterteilt. Der wirksame Querschnitt des Strömungskanals für das Fluid durch den Auslaßabschnitt der Düse nimmt von der Engstelle bis zum Austritt zu. Es sind darüberhinaus Vorkehrungen getroffen, über die das Fluid dem Düseneinlaß mit einem den Atmosphärendruck, in den der Fluidstrom ausgestoßen wird, übersteigenden Druck zugefürt wird, so daß das Fluid bei seinem Weg durch den Einlaßbereich, die Engstelle und den Abgabebereich der Düse expandiert und dann an der Auslaßöffnung der Düse abgegeben wird. Außerdem sind Vorrichtungen vorhanden, um dem Fluid während des Expandierens innerhalb des Abgabebereichs der Düse Wärme zuzuführen.

Um den Fluidstrom zusammenzufassen und eng zu richten, wird der Auslaß der Düse vorzugsweise nicht größer als die Engstelle oder gar kleiner als diese gemacht. Dafür wird dann eine langgestreckte und sich nach hinten im Abgabebereich der Düse verjüngende Inneneinheit verwendet, deren stärkeres Ende im Bereich der Düsenengsteile oder des Düseneinlasses liegt, während das dünne Ende dieser Inneneinheit sich am Düsenauslaß befindet. Auf diese Weise wird einer normalerweise als konvergierend betrachteten Düse die Eigenschaft einer divergierenden Düse vermi-ttelt. Der wirksame Querschnitt dieser Düse, das heißt die QuerSchnittsfläche, durch die das Fluid strömt, wächst von der Düsenengstelle zur Düsenauslaßöffnung hin an, obgleich die Düse die Fähigkeit behält, den Fluidstrom eng gebündelt zu führen und scharf zu konzentrieren.

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Die Düse kann einen Kreisquerschnitt haben, innerhalb dessen die Inneneinheit konisch gestaltet untergebracht ist. Die Düse kann aber auch einen davon abweichenden, beispielsweise rechtekkigen Querschnitt haben, wobei dann die Inneneinheit eine entsprechende, z.B. keilförmige Gestalt hat. Es ist im allgemeinen vorteilhaft, wenn die Inneneinheit für die Erwärmung des durch den Abgabebereich der Düse streichenden Fluidstroms verwendet wird. Unter diesen Umständen wird die Inneneinheit auf eine Temperatur angeheizt, die erheblich höher ist als die Temperatur des kompressiblen Fluids, so daß von der Inneneinheit ein guter Wärmeübergang auf das Fluid im Abgabeabschnitt der Düse möglich ist und stattfindet. Das Aufheizen der Innenein^heit kann auf einfache Weise elektrisch oder mit einem zirkulierenden Heizfluid erfolgen. Dieses Fluid kann durch einen Kernreaktor, einen gewöhnlichen Verbrennungsofen oder irgendeine sonstige Heizquelle erhitzt werden. Auch kann die Inneneinheit als Halter für einen Brenner gestaltet sein, dem ein Brennstoff zugeführt wird, der dann darin verbrannt wird.

Oft ist es wünschenswert, nicht nur die Inneneinheit sondern auch die Innenwandflächen des Abgabebereiches der Düse zu erhitzen, so daß die Wärme dem durchströmenden Fluid dann sowohl von innen als auch von den Düsenwänden erteilt wird, was eine Steigerung der übertragenen Wärmemenge je Zeiteinheit ermöglicht. Wahlweise können auch die Düsenwände allein als Quelle für die zu übertragende Wärme benützt werden. Dies gilt unabhängig davon, ob eine Inneneinheit verwendet wird-;oder nicht. Somit können in Düsen, deren Austrittsöffnung größör als ihre Engstelle sind und die allgemein als divergierende Düsen bekannt sind, Inneneinheiten verwendet werden, was jedoch nicht unbedingt erforderlich ist. Bei derarti-

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gen Düsen muß, wenn keine Inneneinheit vorhanden ist, die Düsenwandung als Heizeinrichtung dienen.

Die Erfindung ist vornehmlich mit Erfolg verwendbar in Verbindung mit einem Kernreaktor, dessen Kühlmedium durch die Heizelemente
der Trubinendüsen in erfindungsgemäßer Weise geleitet wird, nachdem es vom Reaktor Wärmeenergie aufgenommen hat. Die Turbine selbst ar-beitet dann vorzugsweise auf einen Strom erzeugenden Generator.

Die Erfindung wird nun an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt in axialer Richtung durch eine Düse

einer Gasturbine gemäß der Erfindung mit einer als Heizvorrichtung ausgebildeten konischen Inneneinheit;

Fig.iA: einen Schnitt nach der Linie 1A-1A in Fig. 1;

Fig. 2: eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1 einer veränderten Ausführungsform mit einer Düse mit Rechteckquerschnitt, bei der die Heizeinrichtungen in der Düsenwand und in den Inneneinheiten vorgesehen sind;

Fig. 3: das Schemabild einer elektrischen Stromerzeugungsanlagedie mit einer Turbine mit erfindungsgemäßen Düsen versehen ist, wobei ein Kernreaktor für den Heizfluidzustrom
zu den Düsen sorgt;

Fig. 4: eine Teildarstellung im vertikalen Schnitt durch einen

typischen Turbinendüsenblock, wobei der Schnitt nach der Linie 4-4 in Fig. 5 geführt ist und Düsen verwendet sind, wie sie die Fig. 2 zeigt;

Fig. 5: einen horizontal geschnittenen Ausschnitt nach der Linie 5-5 in Fig. 4;

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Fig. 6: den Düsenblock der Fig. 4 und 5 zum Teil im Schnitt zum Teil in Ansichtsdarstellung, erstere nach 6A-6A, letztere nach 6B-6B in Fig. 4, wodurch dargestellt ist, daß der Düsenblock 60° am Turbinenradumfang einnimmt;

Fig. 7: eine Ansicht ähnlich der Darstellung der Fig. 1 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8: in vergleichbarer Darstellung zu Fig. 1 ein wiederum ananderes Ausführungsbeispiel;

Fig. 9: ein Druck-Volumen-Diagramm;

Fig.10: ein Strömungsdiagramm des Kühlmittelstroms eines Kernreaktors in Halbgegenstromschaltung und auf den gesamten Umfang gegebener Verteilung des Kühlmittels an Düsenblökke nach der Erfindung; und

Fig.11: eine Schnittdarstellung, die der Fig. 5 entspricht, jedoch mehrere Düsenblöcke in Hintereinanderschaltung bei einer Mehrstufenturbine zeigt.

In den Fig. 1 und 1A ist eine konvergierende Düse 10 dargestellt, deren Strömungskanal Kreisquerschnitt hat und die eine konische Inneneinheit 11 aufweist, die in der Düse eine ringförmige Engstelle 12 hervorruft. Die Düse hat einen relativ kurzen Einlaßabschnitt 13, der sich ζar Engstelle hin von einem Düsenkanal 14, der als Einlaß dient, verengt, und einen langgestreckten Auslaßbereich 15, der sich zwischen der Engstelle und dem Auslaß 16 erstreckt. Wenngleich die Düse selbst zur konvergierenden Art zählt, ist der wirksame Querschnitt des ringförmigen Strömungskanals 17 so, daß er sich von der Engstelle 12 zum Auslaß 16 hin stetig erweitert, da die Inneneinheit 12 mit ihrem dickeren Ende 11a zur Engstelle 12 und mit ihrem kleineren Ende (der Spitze 11b) zum Auslaß 16 hin angeordnet ist. Damit erhält die Düse 10 die physikali-

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ist, so daß ständig Hitze auf das sich expandierende Fluid einwirkt. Diese zusätzliche Wärmemenge wirkt der Abkühlung des Fluid entgegen und vermindert die Geschwindigkeit, mit der der Druck abfällt, während dagegen die weitere Expansion unterstützt wird. Dadurch erhöht sich die Geschwindigkeit des am Auslaß 16 der Düse ausströmenden Fluid. Es können so sehr hohe Geschwindigkeiten erreicht werden, obgleich der Fluidstrom bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur gehalten wird. Im wesentlichen wird sämtliche zusätzlich zugeführte Wärmemenge in Strömungsenergie umgesetzt und nicht als Wärme zur Temperaturerhöhung des Fluidstroms benutzt.

Die Düse 10 ist nur eine von vielen möglichen Ausführungsarten von Düsen für eine Turbine. In jedem Fall sind die Auslaßöffnungen 16 auf Turbinenradschauffein 21 gerichtet, so daß der Hochgeschwindigkeitsfluidstrom auf die Schauf/eln auftrifft und das Turbinenrad in üblicher Weise dreht.

Die Düse in Fig. 2 ist rechteckig und nicht kreisförmig, hat breite parallele Wände 22 und 33 und eine ähnlich breite, keilförmige Inneneinheit 24, deren dickeres Ende 24a im Eintrittsbereich 25 der Düse liegt und damit eine Düse mit zwei Engstellen 26 schafft, die in ihrer Breite von einer Seite zur anderen der Düse verlaufen, während divergierende Kanäle 27 den Abgabebereich 28 der Düse ausmachen bis zur Auslaßöffnung 28a. Bei diesem Ausführungsbeispiel muß die Inneneinheit 24 nicht, kann jedoch als Heizquelle dienen. Dient sie als Heizeinheit, dann wird ihr innerlich in geeigneter Weise, wie z.B. in Fig. 6 dargestellt, Wärme zugeführt. Auf jeden Fall aber sind die Düsenwände 22, 23 über den gesamten Bereich der Abgabezone 28 durch einen zirkulierenden Heizfluid-

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sehen Eigenschaften einer divergierenden Düse und behält gleichzeitig die Vorteile, daß-sie nämlich in der Lage ist, den Fluidstrom scharf zu bündeln. Um einen sich stetig erweiterenden Querschnitt zu erzielen, läuft die konische Inneneinheit 11 in Richtung auf die Spitze in stärkerem Maße sich verjüngend zu als die Wände des Abgabebereiches 15 der Düse in Richtung auf den Auslaß 16. Der Einlaßbereich 13 und ein Teil des Einlaßkanals 14 bilden eine Vorkammer unmittelbar vor der Düsenengstelle 12.

Die konische Inneneinheit 11 dient als Erhitzer und ist zu diesem Zweck hohl und in Strömungskanäle 18, 19 eingeteilt, durch die ein Heizmedium von irgendeiner geeigneten Quelle her zirkuliert, wie dies die Pfeile in Fig. 1 andeuten. Außenrippen 20 auf der Inneneinheit vergrößern die Wärmeübertragungsfläche.

Im Betrieb wird komp imiertes Fluid wie etwa Luft vorzugsweise mit einem den Druck der Atmosphäre, in die der Fluidstrom ausgestoßen wird, um das zweifache übersteigenden Druck der Eintrittssammelkammer über den Einlaßkanal 14 zugeführt, die dann durch die Engstelle 12 hindurchströmt. Wenn sie durch den divergierenden Ringkanal 14 im Abgabebereich 15 der Düse strömt, expandiert die Luft stetig bis zu dem Punkt, wo sie am Auslaß 16 die Düse verläßt. Während der Expansion wird ein beträchtlicher Teil der inne-

Der. ren thermischen Energie aufgrund adiabatischer "kompression des Fluid in kinetische Strömungsenergie umgewandelt. Die Temperatur des Fluid fällt dabei mit dem fallenden Druck, während die Strömungsgeschwindigkeit sich erhöht. Dies ist für im elastischen Bereich arbeitende Fluiddüsen das übliche. Im vorliegenden Fall wird nun das Heizelement 11 auf einer Temperatur gehalten, die wesentlich höher als die Temperatur des an ihm vorbeistreichenden Fluid

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strom geheizt, der über entsprechende Kanäle 29, 30 strömt. Das Heizfluid kommt in diese Kanäle von irgendeiner Quelle, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, und strömt quer durch die Düse als von einem (nicht gezeigten) Kompressor kommendes Fluid.

Die Innenbereiche 22a und 23a der Düsenwände 22, 23 bestehen aus einem gut wärmeleitfähigen Werkstoff, während die Außenzonen 22b und 23b ein Material geringer Wärmeleitfähigkeit aufweisen, um Wärmeverluste so klein wie möglich zu halten. Auch bei der Inneneinheit 24 ist das breitere Ende 24a aus einem Werkstoff mit schlechter Wärmeleitfähigkeit gestaltet, wenn die Inneneinheit geheizt wird, um zu vermeiden, daß das an der Einlaßöffnung 25 der Düse eintretende komprimierte Fluid bereits erhitzt wird.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen eine Düse gemäß Fig. 2 in einem Düsenblock, wie er in den meisten Gasturbinen herkömmlicher Konstruktion verwendet wird. Der Düsenblock ist so gebaut, daß er vor einem Umfangsabschnitt des Schau-felbereiches eines Turbinenrades 33 steht. Wie die Fig. 6 erkennen läßt, erstreckt sich der Düsenblock über einen Winkel von 60° oder ein Sechstel des Umfangs des Turbinenrades. Im Turbinenrad befinden sich zwei Schau-feisätze 34, die voneinander einen Abstand haben, wobei diese Schaufelsätze mit einem Außenring 35 fest verbunden sind und auf einem inneren Tragring 36 sitzen, der seinerseits wieder mit einer Schwalbenschwanzverbindung mit dem Teller des Turbinenrades 33 verbunden ist. Die Art der Beschaufelung,ob für konstante Geschwindigkeit oder konstanten Druck,ist belanglos. Es können auch mehrere Turbinenstufen hintereinander geschaltet sein, wie es schematisch in der Fig. 11 angedeutet ist. Bei einer mehrstufigen Turbine ist für jede Turbinenstufe ein Düsenblock 36 mit zugehörigem Schaufelrad

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37 vorgesehen.

Jeder Düsenblock des Ausführungsbeispiels nach den Fig. 4 bis 6 weist einen Haupttragabschnitt 38 auf, der mehrere einzelne Düsen trägt, die der Düse 2 ähnlich sind, wobei die Düsen so angeordnet sind, daß sie ihren Hochgeschwindigkeitsfluidstrom auf die Turbinenschaufeln 34 abgeben, so daß das Turbinenrad umläuft. Führungsschaufeln 40, die von einem Tragring 41 gehalten werden, greifen zwischen die beabstandeten Laufschaufelkränze in üblicher Weise hinein. Der Tragring 41 ist am Abschnitt 38 des Düsenblocks mit Bolzen 42 befestigt. Ein gewöhnlicher Haltering 4 3 ist mit den freien Enden der Führungsschaufeln 40 fest verbunden.

Das komprimierte Fluid, üblicherweise Luft, wird einer ersten Eintrittssammelkammer 44 aus einer entsprechenden Quelle zugeleitet und strömt durch eine Öffnung 45, wenn ein Ventil 46 geöffnet ist, in eine zweite Eintrittssammelkammer 47, die sich unmittelbar in die Düseneintrittsöffnungen 48 der Düsen 39 öffnet. Die Eintrittssammelkammern und der Ventilsitz 46a sind im Blockabschnitt 49 ausgebildet, der mit Bolzen 50 mit dem Abschnitt 38 verbunden ist. Das Ventil 46 steuert die Fluidmenge, die den Düsen zuströmen soll, wodurch wiederum die Geschwindigkeit des Turbinenrades gesteuert wird bis zum Stillstand der Turbine, wenn das Ventil völlig geschlossen ist.

Jede Düse hat einen keilförmigen Innenkörper 51 als Heizelement, durch dessen Kanal 52 Heizfluid von einer geeigneten Quelle zuströmt. Die Düse ist mit einem konvergierenden Einlaßbereich, einer Engstelle und einem langgestreckten Auslaßbereich ausgestattet mit einem divergierenden Strömungskanal 53, was alles bereits

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in Verbindung mit der Fig. 2 beschrieben ist. Heizkanäle 54, sind in den Außenwänden 56, 57 der Düse vergleichbar mit den Kanälen 29 und 3 0 in der Fig. 2 vorgesehen. Durch einen Einlaßkanal 58 werden diese äußeren Heizkanäle und der Kanal 52 im Innenkörper mit demireizfluid versorgt, während die Abgabe über den Außenkanal 5 9 erfolgt. Der langgestreckte Auslaßbereich der Düse schließt mit der Achse des Turbinenrades einen Winkel ein, damit durch den Hochgeschwindxgkeitsfluidstrom aus der Auslaßöffnung der Düsen auf die Turbinenschaufeln 34 der maximale Druck ausgeübt wird.

Die Kanäle 52, 54 und 55 ziehen sich über die gesamte Länge des Blocks in Fig. 6 quer zu den Düsenkanälen 53 hin. Durch diese Kanäle strömt ein heißes Fluid, damit der Innenkörper 51 und die Innenbereiche der Düsenwände 56 und 57 auf eine Temperatur gebracht werden, die höher liegt als die Temperatur des durch die Düsen strömenden kompressiblen Fluids. Zur Verminderung des Wärmeübergangs und der Verluste sind wärmeisolierende Schichten unmittelbar um die Bereiche der Kanäle 54, 55 herum angeordnet.

Ein den Fluß des heißen Fluid wiedergebendes Diagramm, in welcher Weise das Fluid den Düsenblock der Turbine aus einem Kernreaktor bei einem System gemäß Fig. 3 zugeführt werden kann, zeigt die Fig. 10. Sechs Düsenblocks, jeder so wie in der Fig. 6 dargestellt, sind in Vollkreisanordnung so angebracht, daß sie vor dem Düsenrad stehen, und sind so zusammengeschaltet, daß das Heizfluid nicht über 60 sondern insgesamt über 180° strömt. Das Heizfluid wird dem Kanal 52 des Innenkörpers 51 am Eingang 58 zugeführt, von wo es dann über 180° zum Auslaß 59 des nächsten Blockes strömt. Das Heizfluid wird gleichfalls den Kanälen 54 und 55 in den/Düsen-

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wänden zugeleitet, doch sind die Eintrittsstellen, die hier mit 61 und 62 bezeichnet sind, um 90° von der Eintrittsstelle zum Innenkörper versetzt. Auf diese Weise wird das Heizfluid gleichmäßiger in den Düsenblocks verteilt, so daß eine bessere Wärmeübertragung auf das durch die Düsen strömende kompressible Fluid stattfindet.

Die Düse der Fig. 8 hat einen Kreisquerschnitt mit einem konischen Innenkörper 63 als Heizelement und Heizkanälen 64 und 65 in den Düsenwänden 6 6 und 67. Die Düse hat einen Einlaßabschnitt 68, der eine Eintrittssammelkammer 69 umgibt. Sie besitzt eine Engstelle und einen Auslaßbereich 71, dessen Strömungskanal 72 einen von der Engstelle zur Auslaßöffnung 7 3 hin zunehmenden Querschnitt hat. der konische Innenkörper 63 weist Strömungskanäle 74 und 75 für das Heizfluid ähnlich den entsprechenden Kanälen in Fig. T auf. Das Heizfluid strömt in den Düsenwandkanal 6 4 über einen Zuführkanal 76, der vom Hauptzufuhrkanal 77 abzweigt, welcher außerdem den Kanal 74 des Innenkörper 63 versorgt. Aus dem Innern des Innenkörpers 63 heraustretendes Fluid, das über den Ringkanal 75 austritt, gelangt in den Hauptabgabekanal 78, in den auch das aus dem Düsenwandkanal 65 ablaufende Fluid über einen Kanal 79 hineinströmt. Rippen 80 auf dem Innenkörper und Rippen 81, die von den Düsenwänden abstehen, bilden zusätzliche Wärmeabgabeflächen und können, wenn dies erwünscht ist, so angeordnet sein, daß sie das durch die Düsen strömende Fluid in eine gewisse Turbulenz versetzen.

Es ist nicht erwünscht, das komprimierte Fluid bereits in der Einlaß sammelkammer und bevor es die Engstelle der Düse erreicht hat,

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zu erhitzen, doch schadet eine dem komprimierten Fluid in der Einlaßsammelkammer zugeführte geringe Wärmemenge nicht, wenn das Fluid damit lediglich erwärmt wird, ohne daß der Druck in der Sammelkammer ansteigt oder daß das Volumen des Fluid auf einen Wert wächst, der größer als der jeweilige gleichzeitige Mengenanstieg beim Durchgang durch die Düsenengstelle ist.

Es ist erwünscht, den Wärmeübergang in der Eintrittssammelkammer der Düsen zu verringern oder zu unterbinden, wofür dann eine Konstruktion wie in Fig . 7 verwendet wird mit einem Abschnitt 82a der äußeren Ringwand 82 des konischen Innenkörpers 83, bei dem der Teil, mit dem der Innenkörper die Einlaßsammelkammer 84 und den Eintrittsbereich 85 der Düse durchsetzt, doppelwandig ausgefü-hrt ist mit einem engen Isolierspalt 86, wodurch der Wärmeübergang auf die Einlaßsammelkammer und den Eintrittsteil der Düse vermindert wird. Dieser Isolierspalt endet an der Engstelle 87.

Die Hintereinanderschaltung dreier Düsenblöcke 36 in Fig. 11 abwechselnd mit Turbinenschaufeln 37, wodurch eine Mehrstufenturbine gebildet wird, zeigt, wie die Düsen in ihren Abgabebereichen divergierend ausgeführt sein können. Einander gegenüberstehende innere Wandflächen 88 jeder Düse 89 laufen von den Engstellen der Düse bis zu den Düsenaustrittsöffnungen auseinander. Damit wirkt die Düse divergierend ohne einen konvergierenden Einsatzteil, wobei dennoch ein ausgezeichneter Wärmeübergang erzielbar ist.

Ogleich bei einer divergierenden Düse dieser Art kein Innenkörper erforderlich ist, kann ein Innenkörper verschiedenster Gestaltung zum Erhitzen verwendet werden, solange er die divergierende Natur der Düse nicht aufhebt.

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Da die Geschwindigkeit des Fluidstroms bei seinem Austritt aus der Düse von der Wärmemenge abhängt, die dem expandierenden Fluid während seines Durchgangs durch den Abgabebereich der Düse zugeführt werden kann, und da nur eine sehr kurze Zeitspanne zur Verfugung steht, während der sich das strömende Fluid innerhalb der Düse befindet, ist es wichtig, den Wärmeübergang so stark wie möglich zu machen. Die Düse kann länger als bei gewöhnlichen Turbinendüsen üblich gemacht werden, so daß das strömende Fluid langer Kontakt mit den wärmeabgebenden Flächen hat als dies bei den üblichen Düsenlängen der Fall ist. Außerdem kann durch Rippen zusäztlich Wärmeabgabefläche geschaffen werden. Durch eine entsprechende Beschichtung oder durch Polieren sowie durch SpezLalwerkstoffe mit ungewöhnlidi hohen Wärmeleit- und Übertragungseigenschaften kann der Wärmeübergang weiter verbessert werden.

Laminare Strömung, die normalerweise in herkömmlichen Turbinendüsen angestrebt wird, ist bei den Düsen nach der Erfindung nicht erwünscht. Die vergrößerte Länge der Düse erlaubt eine gewisse Turbulenz imFluidstrom, und es können auch zur Verusachung oder Erhöhung der Turbulenz Spoiler angebracht werden. Die Turbulenz erzeugt Querströmungen und Zusatzverluste, die in erheblichem Maße den Wärmeübergang von den heißen Flächen an das strömende Fluid steigern.

Eine große Temperaturdifferenz zwischen den wärmeabgebenden Flächen und dem sich expandierenden strömenden Fluid sorgt ebenfalls für eine Steigerung der Wärmeübertragung. Diese große Temperaturdifferenz macht den Übergang beträchtlicher Wärmemengen auf das expandierende Fluid schnell und mit guter Wirkung möglich. Das

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in die Eintrittssamme!kammer gelangende komprimierte Fluid enthält vorzugsweise nur die durch die Kompression erzeugte Wärme und hat somit eine Temperatur, die dem adiabatischen Druckanstieg entspricht. Wenn das Fluid in der Düse dann expandiert, fallen Temperatur und Druck, und die äquivalente thermische Energie wird in Geschwindigkeit umgesetzt.Nachdem das Fluid die Engstelle passiert hat, erhält es zusätzlich Wärme, die dann praktisch gleichzeitig in kinetische Energie umgesetzt wird. Abhängig vom Kompressionsverhältnis, kann die Temperatur des Fluid im Augenblick seines Vorbeigangs an der Engstelle nicht mehr als wenige 100° F über der Umgebungstemperatur liegen. Das Heizfluid und die Heizteile können jedoch leicht Temperaturen zwischen 1 000 und

einer Temperatur 15 00⁰F (550 bis 830° C) haben, so daß mit/des Heizfluid von nicht mehr als 830° C eine Temperaturdifferenz zwischen dem sich expandierenden Fluid und den Heizelementen von mehr als 550° C möglich ist. Da die dem expandierenden Fluid zugeführte Wärmemenge seinem Bestreben, sich abzukühlen, entgegenwirkt und die Aufnahme von Wärme durch das expandierende Fluid die Expansion, die normalerweise aus dem sich vermindernden Druck stammt, begünstigt

ist
oder verstärkt,/flamit eine wesentliche Verbesserung zu erzielen.

Diese Verbesserung ist vergleichbar mit einer Düse, in der Dampf expandiert, in dem die umwandelbare Wärmemenge aus der gegenüber dem Fluid einer Gasturbine größeren inneren Wärmekapazität stammt. In diesem Fall jedoch kommt die Wärme aus einer äußeren Wärmequelle auf das Fluid. Nichtsdestoweniger ist die thermische Energie im selben Verhältnis von Wärme in Geschwindigkeit umsetzbar, wie dies üblicherweise bei Dampfdüsen der Fall ist. Weil die zusätzliche Wärme proportional zu einer Geschwindigkeitssteigerung beiträgt, ist zwar die Steigerung der Fluidtemperatur nur gering, wäh-

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rend der Anstieg der kinetischen Strömungsenergie proportional groß ist. Die Temperatur am Düsenaustritt, die die Turbineneintrittstemperatur ist, ist niedrig, so daß Probleme in Verbindung mit den hochbeanspruchten kritischen Bauteilen bei hohen Temperaturen nicht auftreten.

Fig. 9 ist ein p-v-Diagramm des gewöhnlichen Brayton-Zyklus ABCDA und des Zyklus nach der vorliegenden Erfindung ABEFA. Im Brayton-Zyklus bildet die Strecke AB die Kompression des Fluid und die Strecke BC die Zugabe von Wärmemenge bei konstantem Druck. Die Expansion in der Düse ist durch den Kuventeil CD dargestellt, während die Strecke DA das Abkühlen bei konstantem Druck des Fluid auf die Umgebungstemperatur darstellt. Die Strecke DA ist ein Maß für den Unterschied zwischen der Düsenabgabetemperatur und der atmosphärischen Temperatur und zeigt den Verlust an thermische Energie aufgrund hoher Austrittstemperaturen im Brayton-Zyklus an. Bei der Erfindung ist wiederum die Strecke AB der Kompressionsabschnitt des Fluid, während der Streckenteil BEF die Expansion in der Düse darstellt. Der Abschnitt BE stellt die adiabatische Expansion des kompressiblen Fluid bis zur Düsenengstelle dar, während der Abschnitt EF die Expansion nach der Engstelle mit Zusatz von Wärme wiedergibt. Die Arbeit, die im Streckenteil CD geleistet wird, ist gleich der im Streckenteil BEF. Die Strecke FA stellt dann die Abkühlung bei konstantem Druck dar und ist ein Maß für die thermische Verlustenergie bei Verwendung von Düsen nach der Erfindung. Die Strecke FA ist wesentlich kürzer als die Strecke DA, da der Austritt eine niedrige Temperatur hat. Dies zeigt, daß bei dem erfindungsgemäßen Prozess wesentlich weniger Energie verlorengeht.

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Bei dem Kraftwerksystem nach Fig. 3 sind in der Turbine Düsen nach der Erfindung eingesetzt. Wie bereits gesagt ist das für das Heizen in den Düsen verwendete heiße Fluid das Kühlmittel eines Kernreaktors. Dabei können alle üblichen Kernreaktorkühlmittel verwendet werden wie leichtes Wasser, Lithium, Natrium, Natrium-Kaliummischungen, verschiedene geschmolzene Metalle, bestimmte Gase und anorganische Flüssigkeiten. Die Turbine ist mit einem elektrischen Generator direkt gekuppelt.

Eine andere Art, dem kompressiblen Fluid, das durch die Düsen strömt, Wärme zuzuführen, ist die, im Innenkörper einen Brennstoff zu verbrennen und die Verbrennungsgase dann in das kompressible Fluid auszustoßen. In diesem Fall muß das Heizelelemt jedoch als dauernder Brenner ausgebildet sein, daß die Flamme nicht erlischt. Die Wärmezufuhr zum kompressiblen Fluid geschieht dann sowohl durch Erhitzen am Innenkörper als auch durch die heißen Abgase.

Die erfindungsgemäße Düse kann auch ohne Turbine verwendet werden überall dort, wo ein Hochgeschwindigkeitsstrom eines kompressiblen Fluid erwünscht wird, z.B. als Quelle für einen Schubantrieb.

Luft ist zwar das bequemste und üblichste kompressible Fluid, doch können auch andere Gase verwendet werden, insbesondere in geschlossenen Systemen, wie in Unterwasserfahrzeugen, bei denen der Zugriff zur Atmosphäre begrenzt ist.

Die Düse arbeitet, wenn das ihrem Einlaß zugeführte kompressible Fluid irgendeinen merklich über dem Umgebungsdruck liegenden Druck aufweist, in die der Abgasstrom des Fluid gerichtet wird. Es ist jedoch erwünscht, daß das komprimierte Fluid wenigstens einen um

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das Zweifache über dem umgebungsdruck liegenden Druck hat, da
dann der Fluidstrom eine kritische Geschwindigkeit erreicht, wenn er durch die Düsenengstelle hindurchtritt, während überkritische Geschwindigkeiten im Abgabebereich der Düsen erzielt werden können.

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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   1. Vorrichtung zur Erzeugung eines gerichteten Hochgeschwindigkeitsstroms eines kompressiblen Fluids mit einer langgestreckten Düse, deren Strömungskanal durch die Düse sich vom Einlaß am einen Ende zum Auslaß am anderen erstreckt und eine Engstelle im Zwischenbereich nahe dem Einlaß die Düse in einen relativ kurzen Einlaßbereich und einen relativ langen Abgabebereich unterteilt, wobei der wirksame Querschnitt des Strömungskanals von der Engstelle zum Auslaß zunimmt, so daß das im Auslaßbereich der Düse strömende Fluid expandiert, mit Mitteln zum Zuführen eines kompressiblen Fluids zum Einlaß bei einem über dem Druck der Umgebung, in
   die das Fluid ausströmt liegenden Druck, gekennzeichnet durch Mittel zum Erhitzen des Fluid bei dem Hindurchströmen durch den Abgabebereich (17) der Düse während seiner Expansion.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
   die Mittel zum Erhitzen des kompressiblen Fluids eine langgestreckte Heizeinheit (11,24) sind, die sich über den Abgabebereich erstreckt und innerhalb der Düse gelegen ist, und Mittel zum Erhitzen der Heizeinheit vorgesehen auf eine Temperatur, die über der Temperatur des kompressiblen Fluids liegt, wodurch auf das strömende Fluid Wärme übertragen wird.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
   der Strömungskanal (17) einen Kreisquerschnitt hat, die Heizeinheit (11) konisch ist und die Heizeinheit konzentrisch zur Längs-

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   achse der Düse mit der Kegelspitze nahe der Auslaßöffnung (16) der Düse angeordnet ist.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (16) der Düse nicht größer als die Querschnittsfläche ist, die von den Düsenwänden an der Engstelle (15) umschlossen ist, und daß das langgestreckte Heizelement (11) sich verjüngt und mit seinem ausgedehnteren Ende nahe dem Einlaß der Düse liegt.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandflächen des Abgabebereiches der Düse konvergieren und die Heizeinheit in stärkerem Maße als die Innenwände der Düse konvergiert.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des von den Wänden der Düse umschlossenen Raums rechteckig ist und die Heizeinheit (24) koaxial um die Strömungsachse für das kompressible Fluid angeordnet ist.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erhitzen der Heizeinheit eine Einrichtung für die Zirkulation eines heißen Fluids enthalten.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel für die Zirkulation eines heißen Fluids durch die Heizeinheit einen Kernreaktor für das Erhitzen des Fluid aufweisen.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch derart abgestimmte Heizmittel, daß die Heizeinheit auf Temperaturen zwi-

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   sehen etwa 550 und 830° C erhitzt wird.

   10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erhitzen des kompressiblen Fluids Mittel zum Erhitzen der Innenflächen der Düsenwandung im Abgabebereich der Düse auf eine Temperatur enthalten, die größer als die des kompressiblen Fluids ist, so daß erhebliche Wärmemengen von den Düsenwänden beim Durehstrom des Fluids durch die Düse auf das Fluid übertragen werden.

   11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Zuführen des kompressiblen Fluids zum Einlaß eine Einlaßsammeikammer enthalten, die mit dem Einlaß verbunden ist.

   12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Fluids am Einlaß wenigstens doppelt so hoch wie der Druck der Umgebung ist, in die der Flüidstrom ausströmt.

   13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgabebereich der Düse zur Turbulenzerzeugung im strömenden Fluid Führungsrippen angebracht sind.

   16. Gasturbine mit einem Satz Turbinenschaufelrädern, einer Eintrittssammelkammer, einer Anzahl langgestreckter Düsen, deren Eintrittsöffnungen mit der Eintrittssammelkammer in Verbindung sind, während ihre Austrittsöffnungen den Turbinenschaufeln gegenüberstehen, und Strömungskanälen zwischen Einlaß und Auslaß mit einer Engstelle dazwischen nahe dem Einlaß, wodurch die Düsen in einem relativ-kurzen Einlaßbereich und einen relativ langen

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   Abgabebereich unterteilt sind, wobei der wirksame Querschnitt der Strömungskanäle von den Engstellen bis zum Auslaß zunimmt, mit Mitteln zur Zuführung eines Gases in die Einlaßsammeikammer bei einem Druck, der über dem Atmosphärendruck nahe dem Auslaßende der Düsen liegt, gekennzeichnet durch Heiζeinrichtungen, durch die das kompressible Fluid bei seinem Strom durch den Abgabebereich der Düsen erhitzt wird, um dann von den Düsenauslaßöffnungen gegen die Turbinenräder zu deren Antrieb ausgestoßen zu werden.

   15. System zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem Kernreaktor, in dem zur Reaktorkühlung ein Fluid zirkuliert, einer aus einem Satz von beschaufelten Turbinenrädern bestehenden Gasturbine, einer Einlaßsammeikammer, einer Anzahl langgestreckter Düse mit Einlaßöffnungen, die mit der Einlaßsammeikammer in Verbindung stehen, und Auslaßöffnungen nahe den Schaufeln der Turbinenräder, wobei die Strömungskanäle zwischen Einlaß und Auslaß der Düsen eine Engstelle nahe dem Einlaß haben, die die Düse in einen relativ kurzen Eintrittsabschnitt und einen relativ langen Austrittsbereich unterteilt, während der wirksame Querschnitt des Strömungskanals von der Engstelle bis zum Auslaß zunimmt, so daß sich das strömende Fluid im Abgabebereich der Düsen bis zum Auslaß ausdehnen kann, mit Mitteln zum Zuführen eines Gases zur Einlaß sammelkammer bei einem Druck, der über dem Atmosphärendruck im Bereich des Auslaßendes der Düse liegt, gekennzeichnet durch Mittel zum Erhitzen des komprimierten Fluid während des Durchströmens durch den Auslaßbereich der Düsen, wobei das Fluid vom Auslaß der Düsen gegen Turbinenräder gerichtet ist und diese in Drehung versetzt, und daß das heiße Kühlfluid vom Reaktor durch die Heizelemente der Gasturbine zirkuliert, während mit der Turbine ein elektrischer Generator gekuppelt ist.

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   16. Verfahren zur Erzeugung eines gerichteten Hochgeschwindigkeitsstroms eines kompressiblen Fluids, bei welchem das Fluid auf einen über den Druck der Atmosphäre, in den es ausgeblasen wird liegenden Druck komprimiert wird und das Fluid durch einen in seinem Querschnitt sich stetig erweiternden Kanal strömt, so daß es sich während des Strömens ausdehnen kann, dadurch gekennzeichnet, daß während der Ausdehnung dem Fluid Wärmeenergie zugeführt wird, durch die es weiter expandiert und seine Strömungsgeschwindigkeit steigert, und daß das Fluid dann mit einer hohen Geschwindigkeit in gerichtetem Strom ausgestoßen wird.

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