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" KLEINGASTURBINE MIT GASDYNAMISCHER LAUFRADKÜMLUN "
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1.) Karl M a y e r , 7101 LÖWENSTEIN, Maybachstraße 49, 2.) Karl R
i e k , 7173 MAINHARDT, Salzstraße 10 und 3.) Helmut H ü b n e r, 7101 LÖWENSTEIN,
Maybachstraße 51 BeschreibunR : Die gegenständliche Erfindung betrifft eine Kleingasturbine,
deren beweglicher Rotor aus einer einzigen Radialverdichter -scheibe besteht, die
gleichzeitig die Funktion eines Radial -verdichters und einer Radialturbine übernimmt,
wobei aller -dings keine wechselweise Beaufschlagung der Schaufeln mit Kaltluft
und Heißgas stattfindet, sondern Kühlung und Leis -tungsabgabe auf gasdynamischem
Wege erfolgt. Anstelle einer wechselweisen Beaufschlagung der Schaufeln tritt hier
eine Wechselwirkung zwischen Kaltluft und Heißgas auf. die es er -möglicht, infolge
der geringen thermischen Belastung das Lauf -rad aus billigen Materialien herstellen
zu können und dadurch eine billige Kleingasturbine auf den Markt zu bringen, welche
die sehr lauten Kleinkolbentriebwerke ersetzen kann, die auch ausserdem nur umweltfreundliches
Abgas von sich gibt.
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Es wurde schon wiederholt der Versuch gemacht, kleine Gas -turbinen
herzustellen, auch wurden solche auch nur mit einem Laufrad konzipiert, wobei eine
wechselweise Beaufschlagung der Turbinenschaufeln mit Kaltluft und Heißgas angewendet
werden sollte. Doch hat diese Bauart den Nachteil, daß von der Heißgasseite zuviel
Heißgas in den Verdichterab.schnitt mitgenommen wurde und damit eine Überhitzung
des Systems mit viel zu hohen Abgastemperaturen auftrat. Andere Klein -gasturbinen,
die man auf dem Prinzip der Großgasturbinen her -stellte, kamen viel zu teuer, um
in Kleingeräten verwendet
KLEINGASTURBINE MIS GASDYNAMISCHER LAUFRADKÜHLUNG,
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werden zu können und haben einen zu schlechten Wirkungsgrad.
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Nun hat aber die Gasturbine allgemein den Vorteil, daß sie nur aus
wenigen Teilen besteht, d.h., daß sie viel einfacher in der Herstellung ist, als
jeder Kolbenmotor. Infolge des hohen Luftüberschusses in den Brennkammern von Gasturbinen
enthält auch deren Abgas viel weniger Schadstoffe, welche die Umwelt belasten könnten.
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Der gegenständlichen Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, eine
kleine und einfache Gasturbine herzustellen, die so bil -lig ist, daß sie anstelle
der herkömmlichen kleineren Kolben -motoren verwendet werden kann. Dabei sollte
der effektive Wir -kungsgrad möglichst nicht schlechter sein, als jener der Kleinkolbenmotoren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß einer Radialverdichterscheibe
durch Heißgas aus einer Brennkammer gegen die zwischen den Schaufeln nach aussen
geschleuderte Kaltluft ein Drehimpuls erteilt wird, wobei das zurückgeschleuderte
Heißgas dem Laufrad zusätzlich noch einen Rückstoßim -puls erteilt, sich mit der
Kaltluft mischt und mit einer da -durch geringen Abgastemperatur die Turbine verlässt.
Es wird in dieser erfindungsmäßigen Anordnung die Kompressibilität der Gase zur
Erhöhung des Wirkungsgrades und zugleich zur Ab -kühlung des Abgases ausgenützt.
Bei einer mehrfach zum Patent angemeldeten Ausführungsart einer Kleingasturbine
werden die Schaufelzwischenräume auf der Heißgasseite von einem Blech -streifen
abgedeckt, sodass hier keine Kaltluft gegen das Heißgas strömen kann und daher das
Heißgas zum größten Teil wieder in den Verdichterteil vor der Brennkammer strömen
kann. Dies wurde bei der gegenständlichen Erfindung vermieden, um erstens den Wirkungsgrad
zu erhöhen und zweitens eine Überhitzung zu vermeiden.
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Die mit der gegenständlichen Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen
darin, daß hier eine kleine, sehr leise laufende Gasturbine geschaffen wurde, bei
welcher keinerlei thermische
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LAUFRADKÜHLUNG SEITE 3 Probleme auftreten können und die nicht teurer kommt in der
Herstellung,als jene von gleichstarken Kolbentriebwerken.
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Die weiteren Vorteile der gegenständlichen Erfindung sind der vibrationsfreie
Lauf, das geringe Leistungsgewicht und die schadstoffarmen Abgase mit hohem Luftüberschuß,
mit dem noch eine Nachverbrennung (z.B. für Heizzwecke, zur Rück -stoß- bzw. Schuberzeugung)
unter weiterer Treibstoffzufuhr möglich ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der gegenständlichen Erfindung ist auf den
beiliegenden Zeichnungen in schematischer Darstellung beigefügt. Auf Blatt 1 ist
ein Schnitt durch die Rotations -ebene des Laufrades dargestellt (Fig. 1). Die Fig.
2 auf Blatt 2 zeigt einen Querschnitt durch die Turbine. Die an -geführten Positionsnummern
bedeuten: Pos. 1.) ist die mit dem Laufrad verbundene Welle, über die direkt oder
über ein Getriebe beliebiger Bauart die Leistung der Turbine abgenom -men werden
kann. Pos. 2.) ist die Laufradscheibe, auf der sich die Schaufeln Pos. 3 befinden.
Die Schaufeln können mit dem Laufrad zusammengebaut, oder auch zusammen in einem
Stück gegossen, gepresst oder auf eine sonstige Weise hergestellt werden. Pos. 4.)
ist der sich erweiternde Frischluftkanal, in dem mit oder ohne zusätzliche Leitschaufeln
die aus dem Laufrad austretende Kaltluft in ihrer Strömungsgeschwindigkeit reduziert
und ihr Druck vor der Brennkammer erhöht wird.
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POs. 5.) ist der Heißgaskanal nach der Brennkammer, der durch seine
Verengung nach der Düse zu die Strömungsgeschwindigkeit des Heißgases auf das Mehrfache
der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades erhöht. Dieser Heißgaskanal ist von einem
Kühl -luftkanal Pos. 14.) umgeben, um die Gehäusetemperatur zu ver -ringern. Pos.
6.) ist das Außengehäuse des Brenners, bzw. der Brennkammer, welches die Kanäle
Pos. 4.) und Pos. 5.) beinhal tet. Pos. 7.) ist die Brennkammer, die auf übliche
Art und Weise gebaut sein kann und die auch eine strömungskontrollier te Drehzahlregelung
enthält. Pos. 8.) ist die Treibstoffzu -fuhr, welche den flüssigen oder gasförmigen
Treibstoff zum Brenner, bzw. zu der oder den Brennerdüsen leitet. Pos. 9.) ist die
Zündstromzuleitung, die den piezoelektrisch oder
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auf einigen anderen Wegen hergestellten Zündstrom zu der Zünd -einrichtung
in der Brennkammer bringt. Pos. 10.) ist der Ab -gasaustritt, an dem nach Bedarf
noch ein Schalldämpfer oder ein Wärmeaustauscher angebracht werden kann. Pos. 11.)
ist die Abdeckung der Schaufeln. Pos. 12.) ist das ein - oder mehrteilig auszuführende
Laufradgehäuse, welches auch die Lagerung der Welle Pos. 1.) trägt. Pos. 13.) ist
der Dreh -zahlbegrenzer oder Drehzahlregler, der durch den Kaltluft -strom die Drehzahl
der Turbine konstant hält und bei zu hoch werdender Drehzahl einen Schnellschluß
der Treibstoffzufuhr bewirkt.
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Die Kleingasturbine nach gegenständlicher Erfindung funktio -niert
auf folgende Art und Weise: Wird das Laufrad Pos. 2.) über die Welle Pos. 1.) in
rasche Drehung versetzt, wozu jede beliebige Anlassvorrichtung verwendet werden
kann, dann be -schleunigen die Schaufeln Pos. 3.) die zwischen ihnen befind -liche
Luft nach außen in den sich konisch erweiternden Raum Pos. 4.) Infolge der Querschnittvergrößerung
sinkt die Strö -mungsgeschwindigkeit der Luft und der Druck der strömenden Luft
erhöht sich. Die Kaltluft tritt nun mit hohem Druck in die Brennkammer ein, vermischt
sich dort mit dem dahin einge -brachten Treibstoff. Das Treibstoff-Luftgemisch wird
nun durch die Zündanlage entzündet. Das nun entstehende Heißgas tritt anschließend
mit zunehmender Geschwindigkeit in den sich verengenden Raum Pos. 5.) ein. Dieser
Gasstrom trifft nun mit sehr hoher Geschwindigkeit über eine düsenähnliche Öffnung
in die Schaufeln des Laufrades, bzw. in deren Zwischenräume, in denen jedoch angesaugte
Kaltluft durch die Fliehkraft nach aussen will. Da aber Druck und Geschwindigkeit
des Heißgases sehr viel größer sind als der Druck der Kaltluft, wird diese in den
Schaufelzwischenräumen zurückgedrängt. Jedoch in der Abgaszone, die sich kurz nach
dem Heißgaseintritt befindet und die Schaufelzwischenräume wieder freigibt, stösst
die nach aussen drängende Kaltluft das Heißgas in den Abgasstutzen und dieser Ausstoß
übt auf das Laufrad durch die schrägen Schaufeln einen Rückstosseffekt aus, womit
der Gesamtwirkungsg rad der Turbine erhöht wird und sich durch (J i c J'>e mi
c Iii ri
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von Kaltluft zum Heißgas die Abgastemperatur wesentlich vermin -dort.
Da die Geschwindigkeit, mit dem das Heißgas auf die Schaufeln des Laufrades trifft,
ca. 4 - 6 mal so hoch ist, als die Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades, wird dem
Lauf -rad ein großer Drehimpuls zugeführt. Auch erhöht noch die vor -hin erwähnte
Rückstosswirkung des ausgestossenen Heißgases den Ccsamtwrkungsgrad. Infolge der
sich immer in den Schaufel -zwischenräumen befindlichen Kaltluft kann sich das Laufrad
nur unwesentlich erwärmen und wird somit thermisch kaum belastet.
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Daher kann das Laufrad im Gegensatz zu den Laufrädern von her -kömmlichen
Gasturbinen aus billigstem Material hergestellt wer -den. Ein Eindringen von Heißgas
in die Mitte des Laufrades ist nicht möglich, auch nicht bei schwankenden Drehzahlen
und nicht im Leerlaufbereich, da mit abnehmender Drehzahl des Lauf -rades nicht
nur der Druck der Kaltluft nach aussen in den Schaufelzwischenräumen sinkt, sondern
in fast gleicher Weise auch der Druck und die Geschwindigkeit, mit dem das Heißgas
auf die S(haufein tri EFt. Drehzahl und Treibstoffzufuhr müssen aufeinand(r abgest
immt werden , auch die Luitei itrittsöPfnullg, erst da dann ist.
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eine ausgewogene, gasd ynami sche Funktion möglich.
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