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Verfahren zum Betriebe von Verbrennungsturbinen mit mehrereü Druckstufen.
Um bei Verbrennungsturbinen eine gute Ausnutzung des verfügbaren Wärmegefälles zu
erreichen, ist schon vorgeschlagen worden, dieselben mehrstufig auszuführen, ähnlich
wie die Dampfturbinen. Wie bei der mehrstufigen Dampfturbine mit Zwischenüberhitzung,
ist dann auch bei solchen Verbrennungsturbinen mit mehreren Druckstufen die Möglichkeit
gegeben, die Temperatur des bereits teilweise expandierten Treibmittels je zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Druckstufen oder Druckstufengruppen wieder zu steigern,
wodurch der thermische Wirkungsgrad der Turbine eine weitere Verbesserung erfahren
muß.
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Das bei der Dampfturbine mit Zwischenüberhitzung angewendete Mittel
der Oberflächenbeheizung des Treibmittels zum Zwecke der Temperatursteigerung versagt
nun aber bei der Verbrennungsturbine mit mehreren Druckstufen, denn es lassen sich
auf diesem Wege die zur Erreichung eines guten Wirkungsgrades nötigen hohen Temperaturen
nicht erzielen.
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Es ist deshalb schon der Vorschlag gemacht worden, in die erste Druckstufe
der Verbrennungsturbine ein Treibmittel mit so großem Luftüberschuß einzuführen,
daß dieser Luftüberschuß nachher genügt, um neuen flüssigen oder festen Brennstoff,
welcher je zwischen zwei aufeinanderfolgende Druckstufen oder Druckstufengruppen
in das bereits teilweise expandierte Treibmittel eingeleitet wird, zu Wrbrennen.
Abgesehen von andren Mängeln hat aber dieses bekannte Verfahren den schweren Nachteil,
daß sich der Brennstoff, welcher zwischen zwei aufeinanderfolgenden Druckstufen
oder Druckstufengruppen in das bereits teilweise expandierte Treibmittel eingeleitet
wird, mit der erforderlichen Verbrennungsluft nur unvollkommen mischt, was eine
schlechte Verbrennung zur Folge hat.
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Der gleiche Nachteil haftet auch dem entgegengesetzten Verfahren an,
bei dem in die erste Druckstufe oder Druckstufengruppe der Verbrennungsturbine ein
Treibmittel eingeführt wird, welches einen Überschuß an brennbaren Bestandteilen,
dabei aber Luftmangel hat, und bei dem dann je zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Druckstufen oder Druckstufengruppen in das bereits teilweise expandierte Treibmittel
nur noch neueVerbrennungsluft eingeleitet wird, die an jeder solchen Stelle einen
weiteren Teil der brennbaren Bestandteile des Treibmittels verbrennt.
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Um die Temperatur des bereits teilweise expandierten Treibmittels
je zwischen zwei aufeinanderfolgenden Druckstufen oder Druckstufengruppen einer
Turbine mit mehreren Druckstufen wieder zu steigern, ist auch noch folgendes Verfahren
in Vorschlag gekommen. Der gesamte für die Turbine verwendete Brennstoff wird mit
der erforderlichen Verbrennungsluft bei einem Drucke verbrannt, welcher gleich dem
vor der ersten Druckstufe herrschenden Drucke ist. Ein Teil der erzeugten Verbrennungsgase
kann dann als Treibmittel in die erste Druckstufe der Verbrennungsturbine eingeführt
werden, währenddessen der übrige Teil der heißen Verbrennungsgase zur stufenweisen
Einführung in das bereits teilweise expandierte Treibmittel verwendet wird. Dieses
vorbekannte Verfahren hat aber neben anderen Mängeln den schweren Nachteil, daß
bei der Einführung der zur Temperatursteigerung
verwendeten Verbrennungsgase
in das bereits teilweise expandierte Treibmittel bedeutende Drosselungsverluste
entstehen, die den Wirkungsgrad der Verbrennungsturbine in unzulässiger Weise herabdrücken.
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Die Nachteile der bekannten Verfahren werden nun durch vorliegende
Erfindung vermieden, und es wird dabei ein hoher thermischer Wirkungsgrad angestrebt.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß wenigstens zwei Brennstoff-Luftgemische
unter verschieden hohen Drücken gebildet und je bei gleichbleibendem Drucke verbrannt
werden, und daß von den so entstandenen Verbrennungsgasen das Gas mit dem höchsten
Drucke der ersten Druckstufe und jedes Gas mit niedrigem Druck einer seinem Drucke
entsprechenden späteren Druckstufe als Treibmittel zugeführt wird, wobei die Temperatur
des einer späteren Druckstufe zuzuführenden Verbrennungsgases höher gehalten wird
als die des bereits teilweise expandierten Treibmittels, welches aus der vorhergehenden
Druckstufe herströmt und zwischen diesen beiden Stufen mit dem von außen zugeführten
Verbrennungsgas gemischt wird, worauf die so entstandene Treibmittelmischung im
folgenden Turbinenteil expandieren gelassen wird. Das Drucktemperaturdiagramm des
expandierenden Treibmittels weist also wenigstens bei einer späteren, d. h. nach
der ersten Druckstufe kommenden Druckstufe ein sprunghaftes Antseigen der Temperatur
auf.
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Dieses Verfahren kann auch so ausgeführt werden, daß als Treibmittel
in die erste Druckstufe ein Gemisch aus dem mit dem höchsten Druck erzeugten Verbrennungsgas
und aus Wasserdampf von ungefähr gleichem Druck eingeführt wird. Hierdurch erreicht
man einerseits den Vorteil, daß die Temperatur des in die erste Druckstufe eingeführten
Verbrennungsgases auf das für den Turbinenbetrieb zulässige Maß herabgesetzt wird,
und anderseits ist auch der Nutzen einer Temperatursteigerung zwischen zwei aufeinanderfolgenden-
Druckstufen um so größer, je mehr Wasserdampf in dem bereits teilweise expandierten
und dann wieder erwärmten Treibmittel enthalten ist.
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Bei dem Verfahren nach vorliegender Erfindung führt nun zwar die aus
der Turbine abziehende Treibmittehnischung eine große Abwärme mit sich. In an sich
bekannter Weise kann man aber diese Abwärme wieder nutzbar machen, indem man sie
z. B. zur Erzeugung von Wasserdampf verwendet. Dieser Wasserdampf kann dann zu einem
beliebigen Zwecke verwendet werden. Da man aber doch in den meisten Fällen zur Temperaturerniedrigung
des in die erste Druckstufe der Turbine einzuführenden Verbrennungsgases auf das
im Turbinenbetrieb zulässige Maß, wie oben beschrieben ist, Wasserdampf beimischt,
so ist es vorzuziehen, den aus der Abwärme erzeugten Wasserdampf selbst zu diesem
Zwecke zu- benutzen. Dabei erreicht man dann den besonderen Vorteil, daß eine zusätzliche
Dampfkesselanlage, im Gegensatz zu anderen Verbrennungsturbinenanlagen, nicht mehr
nötig ist, weil die zur Verfügung stehende Abwärme allein schon genügt, um den erforderlichen
Wasserdampf zu erzeugen.
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Das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung kann ferner so ausgebildet
werden, daß das einer späteren Druckstufe zuzuführendeheißeVerbrennungsgas in so
großer Menge zwischen dieser und der vorhergehenden Druckstufe eingeführt wird,
daß die Temperatur der zwischen diesen Stufen gebildeten Mischung ungefähr derjenigen
des Treibmittels vor der ersten ° Druckstufe der Turbine entspricht.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, daß
das Treibmittelgemisch im-letzten Turbinenteil auf Vakuum expandieren gelassen wird.
Diese letztgenannte Form desVerfahrens kann so ausgeführt werden, daß zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Druckstufen, wo heißes Verbrennungsgas als Treibmittel in die
Turbine eingeführt wird, etwa atmosphärische Spannung aufrechterhalten wird. In
diesem Falle benötigt man bei der Bildung der unter atmosphärischer Spannung stehenden
Verbrennungsgase keinen Verdichter für die Verbrennungsluft.
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Ein Beispiel für eine Turbinenanlage, die nach dem vorliegenden Verfahren
arbeitet, ist in der Zeichnung durch Fig, x schematisch dargestellt. Fig. 2 zeigt
das Drucktemperaturdiagramm dieser Turbinenanlage. Als Abszissen sind von links
nach rechts die in einem mittleren Stromfaden herrschenden Drücke, als Ordinaten
die zugehörigen Temperaturen aufgetragen.
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Die Turbine = enthält drei Stufengruppen I, II und III, bestehend
aus je zwei Einzeldruck stufen i und 2 bzw. 3 und q. bzw. 5 und 6. Die erste Stufengruppe
I erhält durch die Leitvorrichtung 7 aus der Mischkammer 8 als Treibmittel ein Gemisch
von Verbrennungsgasen und Wasserdampf. Das Verbrennungsgas strömt der Mischkammer
8 aus der vorgebauten Verbrennungskammer g zu. Dieser Verbrennungskammer wird der
Brennstoff durch das Rohr io und die erforderliche Verbrennungsluft durch das Rohr
ii mittels des Hochdruck-Luftverdichters 12 zugeführt. Im Raume g werden beide miteinander
gemischt und verbrannt. Das gebildete Verbrennungsgas hat nun aber noch eine zu
große Temperatur, als daß es unmittelbar in der mehrstufigen Turbine als Treibmittel
verwendet werden könnte. Deshalb wird dem Verbrennungsgas vor dessen Verwendung
in der Turbine in der an die Verbrennungskammer angeschlossenen Mischkammer 8 noch
eine so große Menge gesättigten Wasserdampfes beigemischt, daß eine Treibmittehnischung
von für die Turbine zulässiger Temperatur entsteht.
Diese soll im
vorliegenden Ausführungsbeispiel 1 z2oo° abs. betragen. Der erforderliche Wasserdampf
wird der Mischkammer 8 durch das Rohr i4. zugeführt unter einem Drucke, der ungefähr
gleich groß ist wie der Druck des Verbrennungsgases. Im vorliegenden Beispiel möge
dieser Druck 16 Atm. abs. betragen. Dieser Zustand wird im Diagramm Fig. 2 durch
den Punkt A dargestellt.
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Das aus der Mischkammer 8 kommende Gas-Dampf-Gemisch expandiert dann
in der ersten Stufengruppe I der Turbine unter Arbeitsleistung auf einen Druck von
q. Atm. abs. Die Temperatur des Gemisches ist hierbei auf etwa 89o° abs. gesunken
(Punkt B in Fig. 2). Um auch für die folgenden Druckstufen den thermischen Wirkungsgrad
hochzuhalten, wird nun zwischen den Stufengruppen I und II der in der Gruppe I bereits
auf q. Atm. expandierten Treibmittelmischung aus der Verbrennungskammer 15 so viel
heißes Verbrennungsgas von ebenfalls q. Atm. Druck beigemischt, daß ein Gemisch
entsteht, welches eine Temperatur hat, die etwa gleich groß ist wie die Anfangstemperatur
vor der ersten Stufengruppe, also z2oo° abs. (Punkt C in Fig. 2). Das zur Mischung
dienende heiße Verbrennungsgas wird in der Verbrennungskammer 15 erzeugt, welcher
durch ein Rohr 16 der Brennstoff und durch ein Rohr 17 mittels des Niederdruck-Luftverdichters
13 die erforderliche Verbrennungsluft zugeführt wird. Das Gemisch aus, dem Treibmittel
der ersten Stufengruppe und den neu zugeführten heißen Verbrennungsgasen wird nun
in die Stufengruppe II eingeführt und expandiert daselbst unter Arbeitsleistung
auf einen Druck (Punkt D in Fig. 2), der um--einen geringen Betrag d kleiner ist
als der Atmosphärendruck (Punkt E in Fig. 2). Dabei ist die Temperatur der Treibmittelmischung
auf etwa 88o' abs. gesunken. Nun wird zur Hochhaltung des thermischen Wirkungsgrades
neuerdings so viel heißes Verbrennungsgas der teilweise expandierten Treibmittelmischung
beigemischt, daß für die weitere Expansion in der Stufengruppe III eine neue Treibmittelmischung
entsteht, deren Anfangstemperatur wieder etwa so hoch ist wie die Anfangstemperatur
des Treibmittels in der ersten Stufengruppe, also r2oo° abs. (PunktFin Fig.2). Die
Erzeugung des beizumischenden heißen Verbrennungsgases, das atmosphärischen Druck
haben muß, geschieht in der Verbrennungskammer 18. Der Brennstoff wird derselben
durch das Rohr zg und die erforderliche Verbrennungsluft aus dem Freien durch das
Rohr 2o zugeführt. Ein besonderer Verdichter für die Verbrennungsluft ist hier nicht
erforderlich, da in der Verbrennungskammer ein ganz geringer Unterdruck herrscht.
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Das Gemisch aus dem Treibmittel der Stufengruppe II und des neu aus
der Kammer 18 zugeführten heißen Verbrennungsgases wird nun in den die Stufengruppe
III aufweisenden Turbinenteil, der hier den letzten Turbinenteil bildet, eingeführt
und expandiert daselbst unter Arbeitsleistung auf einen Druck von 0,25 Atm.,
also 75 Prozent Vakuum, d. i. in Fig. 2 gesehen, nach der Kurve F-G.
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Dieses Vakuum wird durch eine Kondensationseinrichiung 2o., und einen
Abgasverdichter 21 erzeugt. Bevor aber die aus der Turbine abziehende Treibmittelmischung
in den Kondensator 2o., gelangt, gibt dieselbe an den Dampferzeuger 22 einen großen
Teil ihrer Abwärme ab. Diese Abwärme ist nun gerade genügend groß, um eine solche
Menge von Wasserdampf zu erzeugen, wie sie zur Mischung in der Mischkammer 8 benötigt
wird. Die Zuleitung des Wasserdampfes vom Dampferzeuger 22 zur Mischkammer 8 geschieht
durch das Rohr i4.. Der Verdampfer 22 erhält, Speisewasser durch das Rohr 23.
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An den Dampferzeuger 22 kann auch noch ein Dampfüberhitzer angeschlossen
sein, so daß das in der Verbrennungskammer g gebildete Verbrennungsgas mit überhitztem,
statt mit gesättigtem Wasserdampf gemischt werden kann.
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Nachdem nun die aus der Turbine kommende Treibmittelmischung den größten
Teil ihrer Abwärme im Dampferzeuger 22 abgegeben hat, gelangt sie in den Oberflächenkondensator
2o.,, wo sie bis zur Kondensationstemperatur des Wasserdampfes abgekühlt und durch
Kondensation von dem größten Teil des beigemischten Wasserdampfes befreit wird.
Diesem Oberflächenkondensator wird Kühlwasser durch das Rohr 24 zugeführt. Das warme
Wasser strömt dann durch das Rohr 25 ab. Das niedergeschlagene Kondensat wird durch
eine in der Zeichnung nicht dargestellte Pumpe durch das Rohr 26 abgesaugt. Der
nicht kondensierte gasförmige Bestandteil der Treibmittelmischung wird durch den
mehrstufigen Kreiselverdichter 2,1 auf Atmosphärendruck verdichtet und durch das
Rohr 27 ins Freie geleitet. Die Kreiselverdichter 13 und 12 sind hintereinandergeschaltet.
Ersterer saugt Luft aus. dem Freien durch die Leitung 28 an. Von der in ihm verdichteten
Luft gelangt ein Teil durch das Rohr 17 zur Verbrennungskammer 15. Der übrigbleibende
Teil der Luft wird im Hochdruökverdichter 12 weiter verdichtet und durch das Rohr
zz zur Verbrennungskammer g geleitet.
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Der Abgasverdichter 21 sowie der Niederdruck-Luftverdichter 13 und
der Hochdruck-Luftverdichter 12 können durch beliebige Kraftmaschinen angetrieben
werden. Als solche können natürlich auch wieder Turbinen verwendet werden, deren
Bauart und Arbeitsverfahren mit derjenigen der Turbine r übereinstimmt, oder es
kann sogar die Turbine z selbst zum Antrieb dienen.