-
blehrstufige Rückdruckturbine. Gemäß der Erfindung wird der als Treibmittel
dienende, Wasser enthaltende Dampf oder das unter einem beliebigen Druck stehende,
Dampf enthaltende siedend'e Wasser nach Entspannung in einem Turbinenrade
frei und ohne Drosselung in einer Ringleitung zwecks Abscheidung des Wassers
herumgeschleudert und zwecks Verdichtung infolge teilweiser- Vernichtung der Strömungsenergie
durch ein Verdichterrad hindurch in radialer Richtung von außen nach innen zur nächsten
ein gleiches oder geringeres Volumen besitzenden Stufe geleitet.
-
Die Entspannung des Dampfes wird in der Turbine bis zur Abscheidung
von Wasser getrieben, das nach Abschleuderung als Speisewasser in jeder Stufe angesammelt
und aus dieser in die unter einem höheren Druck stehende, darüberliegende Stufe
einaeleitet
oder eingespritzt wird, um den Arbeit leistenden Dampf
durch unmittelbare Berührung abzukühlen oder das als Speisewasser dienende, eingespritzte
Kondenswasser zu erwarmen.
-
Durch einen Teil der Strömungsenergie erfolgt eine mehrmalige Teilausdehnung
und Rückverdichtung des Dampfes, und der durch diese Zustandsänderungen entspannteDampf
oder das Dampf enthaltende Wasser wird mittels einer Pumpe zum Kessel oder zur Turbine
durch eine Umlaufleitung zurückgeführt. Das in der Turbine angesammelte erwärmte
Speisewasser wird von der ersten oder einer anderen beliebigen Stufe der Turbine
entzogen, nachdem es mittels Einspritzdüsen und Pumpen die Turbine durchstrichen
hat.
-
Im Gegensatz zu den bekannten Turbinen wird in der Turbine nach der
Erfindung soviel Dampf wie möglich in der Turbine selbst in Wasser verflüssigt.
Auf diese Weise wird es ermöglicht, die Turbine ohne Kondensator und die damit verknüpften
Verluste zu betreiben. Es steht aber nichts im Wege, die geringe Menge Abdampf der
Turbine in einem eisgekühlten Kondensator unter mÖglichst niedrigem Druck zu verflüssigen.
Dadurch, daß die kleine Menge Abdarnpf zusammen mit dem die Turbine durchströmenden
erhitzten Speisewasser wieder zurn Kessel zurückgeführt werden kann, wird die Wirtschaftlichkeit
der Kraftanlage beträchtlich erhöht, da die zur Erwärmung aufgewendete Energie auf
diese Weise nicht nutzlos verlorengeht.
-
Der Zweck der Erfindung besteht also darin, mit möglichst geringem
Aufwand an Heizmitteln Kraft aus unter b#Iiebigem Druck erhitztem Wasser zu erzeugen.
-
Der Dampf wird in allen Stufen der Turbine auf demselben Volumen gehalten,
und er entspannt sich in dem in jeder Stufe der Turbine angeordneten Turbinenrad
zwecks Erzeugung von Str5mungsenergie, die unter gleichzeitiger teilweiser Vernichtung
dazu dient, den Dampf, der durch Abschleuderung des Wassers getrocknet ist, in einem
in derselben Stufe angeordneten Verdichterrad von außen nach innen in Anwesenheit
des angesammelten Wassers rückzuverdichten. Die Rückverdichtung geschieht jedoch
niemals so weit, daß der vor der Entspannung vorhandene Druck wieder erreicht wird.
Die Abschleuderung des Wassers erfolgt, um den Dampf vor der Rück#verdichtung zu
trocknen. In der Turbine wird möglichst viel abgeschleudertes Wasser gesammelt,
während das überschüssige Wasser als Kesselspeisewasser abgeführt und im Kessel
von neuem verdampft wird, Durch das kältere abgeschleuderte Wasser wird der trockene
verdichtete Dampf abgekühlt und teilweise verflüssigt oder in gesättigten Dampf
verwandelt.
-
In den bekannten Turbinen wird die Strömungsenergie ebenfalls zur
Rückverdichtung des Dampfes ausgenutzt; aber diese Verdichtung hat man durch Drosselung,
zu erreichen versucht, indem man die Ausströrnöffnungen des Dampfes im Querschnitt
verengte und die Querschnitte der einzelnen Stufen der Turbine so wählte, daß das
Volumen des Dampfes nach erfolgter Drosselung oder Verdichtung in jeder Stufe immer
größer wurde. Die Vergrößerung der Querschnitte der Turbine oder des Volumens des
Dampfes nach seiner Drosselung widerspricht jedoch den Herkmalen der Erfindung.
Danach muß der Dampf unter gleichbleibendem Volumen entspannt werden, und zwar durch
die Wirkung der auf die Entfernung folgenden, durch die Strömungsenergie hervorgerufenen
Rückverdichtung, die sich in mit Wasser gefüllten Räumen von gleichbleibenden oder
sogar kleiner werdenden Volumen abspielen muß, damit der Dampf verflüssigt wird
und das Wasser, das in Räumen mit größer werdenden Volumen wieder verdampfen würde,
in flüssigem Zustand bleibt.
-
In den bekannten Turbinen wird der Dampf durch die Drosselung überhitzt,
so daß überhaupt kein Wasser abgeschieden werden kann. Ferner kommt bei diesen Turbinen
der Kondensator nicht zum Fortfall.
-
Die der Turbine nach der Erfindung zugrunde liegenden thermodynamischen
Verhältnisse sind in der Abb. 4 veranschaulicht, die ein Ausschnitt aus einem JS-Schaubild
für Wasserdampf darstellt. In bekannter Weise sind die Linien i solche gleichbleibender
Temperatur und die Linien 2 solche gleichbleibenden Druckes; die Linien
3 sind Kurven gleichenWassergehaltes desDanipfes, und hiervon ist die Grenzkurvey
gleich o besonders bemerkenswert, weil sie das Gebiet des überhitzten Dampfes begrenzt,
welches sich nach oben an sie anschließt. Die Linie 4 ist eine solche gleichen Volumens.
In diesern Diagramm stellt die Senkrechte A-T die adiabatische Zustandsänderung
des Dampfes dar von beispielsweise 5o Atrn. auf i Atm. abs. Diese Zustandsänderung
wurde früher in einer Dampfturbine dadurch zu verwirklichen versucht, daß man sie
mit einem Dampfmantel umgab. Die Linie A-B-C-D-E-F stellt
die mehrstufige
Entspannungskurve nach der Adiabate mit Zwischenüberhitzung dar; der Dampfmantel
und damit d-,ssen Nachteile fallen fort. Dies ist die moderne und heute ausschließlich
verwendete Dampfturbine. Die Linie A"-T" zeigt die Zustandsänderung in einer Maschine,
die eine zweistufige adiabatische
Entspannung besitzt, wobei jedoch
in derselben eine Kondensation durch äußere Wärmeentziehung stattfindet.
-
Die Vorgänge in der Maschine gemäß d-r Erfindung werden durch die
Linie A'-B'-C'-D'-E'-F' usw. dargestellt. Der Unterschicl ist der, daß die Zustandsänderung
bei gleichbleibendem Volumen stattfindet. Im Interesse der Genauigkeit der in das
JS-Schaubild eingetragenen Zustandskurven und zur besseren Vergleichsmöglichkeit
der in den gebräuchlichen Turbinen verwirklichten Zustandsänderung mit der Turbine
gemäß der Erfindung ist nur ein Teil des JS-Schaubildes in der Abb. 4 dargestellt.
Es ist hierbei zu blrücksichtigen, daß dieKurveA'-B'-C'-D'-E'-I-;' usw. nicht in
ihrer ganzen Ausdehnung gezeichnet ist, wie es in Wirklichkeit bei einer ausgeführten
Maschine der Fall ist. Tatsächlich erstreckt sich die Kurve bis zur Kurve gleichen
Wassergehaltes des Dampfes voa etwa 5o Prozent, während sie in der Abb. 4 bei 15
Prozent abgebrochen ist und nur 8 Stufen gezeichnet sind. Aus dem Schaubild
lassen sich folgende Tatsachen herauslesen: i. Die Kurve läuft längs einer Linie
-t gleichbleibenden Volumens.
-
:2. Die Kurve reicht für eine 30stufige Turbine tief in das Gebiet
des nassenDampfes hinein.
-
3. Die Kurve weicht nicht in dem Maße von den Linien gleichbleibenden
Druckes ab, wie es bei den drei anderen Kurven der Fall ist.
-
4. Einem Druckverlust des Dampfes am Ende jeder Stufe folgt eine sofortige
Verdichtung des Dampfes beim Eintritt in die nächste Stufe, Ein Ausführungsbeispiel
einer Turbine nach der Erfindung, bei -welcher der Dampf die in Abb.,4 schaubildlich
dargestellte Zustandsänderung durchläuft, ist in den Abb. i bis 3 und
5 bis 7 veranschaulicht.
-
Abb. i ist ein senkrechter Schnitt durch die in diesem besonderen
Falle nur zweistufige Vertikalturbine.
-
Abb. 2 ist in ihrer linken Hälfte ein Querschnitt durch das Laufschaufelrad
nach der Linie A-B der Abb. i und in ihrer rechten Hälfte ein ebensolcher Schnitt
nach der Linie C-D der Abb. i, und Abb. 3 ist ein gleicher Schnitt durch
das feststehende Leitrad nach dcr Linie E-F der Abb. i.
-
Abb. 5 ist ein Ausschnitt der Abb. i. Abb. 6 zeigt schematisch
in Ansicht eine Kraftanlage mit der Turbine gemäß der Erfindung.
-
Abb.7 ist eine schaubildlicheErläuterungsskizze.
-
Die in Abb. i schematisch dargestellte Vertikalturbine besteht aus
den beiden auf die Turbinenwelle a fest auf gekeilten Turbinenschaufelrädern
b und c und den zugehörigen, mit dem Gehäuse d der Turbine fest verbundenen
Leitschaufelrädern e und f, die auf den die einzelnen Stufen der Turbine
trennenden Zwischenwänden n befestigt sind. Die Schaufelräder b und c besitzen
auf beiden Seiten Schaufeln g und h, von denen die ersteren in radialer Richtung
geradlinig sind (Abb. 2), während die ein Verdichterrad bildenden Schaufeln li ebenso
wie die Leitschaufeln f
sichelförrnig verlaufen (Abb.:2 und 3). In
jeder Stufe der Turbine laufen ringsherum ringförmige Kanäle i, die für alle Stufen
gleiches Volumen haben. Die Arbeitsweise der Turbine ist folgende: Der Dampf, dessen
Wege durch die Pfeile x
dargestellt ist, tritt, sobald die Turbine anfängt
sich zu drehen, durch das Rohr k in die Turbine ein, durchströmt die durch
die Schaufeln li gebildeten Kanäle 1 (Abb. :2), in denen der Dampf so weit
entspannt wird, bis die Abscheidung und Ausschleuderung von Wasser erfolgt. In der
Leitung i wird der Dampf umgelenkt, so daß er einen langen Weg zurücklegen muß,
ehe er in die durch die Schaufeln g gebildeten Kanäle in, (Abb. 2') gelangt,
die der Dampf von außen nach innen durchströmt. In den von den Schaufeln
g
gebildeten Kanälen m findet durch einen Teil der Strömungsenergie eine Rückverdichtung
des durch Abschleuderung des Wassers getrockneten Dampfes und gleichzeitig durch
den anderen Teil der Strömungsenergie eine Arbeitsleistung statt. Dieser Vorgang
ist in Abb. 7 veranschaulicht.
-
Auf der Ordinate ist der in den einzelnen Stufen einer 2istufigen
Turbine herrschende Druck aufgetragen, während die Abszisse die von einem Teilstrich
zum anderen reichende Stufenlänge der ganzen Turbine angibt. Auf der Strecke x erfolgt
die Arbeit leistende Entspannung im Turbinenrad zwecks Erzeugung von Strömungsenergie.
Auf der Strecke y
erfolgt die Rückverdichtung durch Vernichtung eines Teiles
der Strömungsenergie iiii Verdichterrad. In den Leitungen i wird der Dampf entspannt,
und zwar unter gleichbleibendem Volumen. Die Geschwindigkeit des Dampfes in dem
Ringkanal i ist von der Drehzahl der Turbine und dem Durchmesser des Ringkanals
abhängig. In dem Maße, wie der Dampf in den durch die Schaufeln g gebildeten
Kanälenim weiterströmt, nimmt seine Geschwindigkeit entsprechend der in der Nähe
der Turbinenwelle a verringerten Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades c ab; in den
Kanälen nt wird also die kinetische Energie des Dampfes durch die Schaufeln des
Rades teils aufgenommen, teils in Druck umgewandelt.
Derselbe Vorgang
wiederholt sich in der zweiten Stufe; es können auch noch weitere Stufen vorgesehen
werden, je nachdein, welche Anzahl zur völligen Verflüssigung des Dampfes
notwendig ist.
-
Das durch die Ausdehnung des Dampfes aus demselben niedergeschlagene
Wasser wird durch die Schaufelng und h zwecks Trocknung des Dampfes ausgeschleudert
und wird in der Ringleitungi und zwischen den Schaufelnf des Leitschaufelrades angesammelt.
Der Weg des abgeschleuderten Wassers durch die Turbine verläuft in der entgegengesetzten
Richtung der Pfeile x. Das Wasser wird durch die Schaufeln des Laufrades
abgestreift und gelangt in den unteren Teil der Turbine, von wo es unter demselben
Druck wie der einströmende Dampf zum Kessel weitergeleitet wird. Dampf und Wasser
strömen also in unmittelbarer Berührung miteinander im Gegenstrom.
-
Bei einer Horizontalturbine kann das ausgeschleuderte Wasser nicht
durch dieSchwerkraft von Stufe zu Stufe weitergeleitet werden, und es ist daher
notwendig, an jede
Stufe einWasserableitungsrohr anzuschließen, durch welches
das Wasser unter Zwischenschaltung einer Pumpe in die folgende Stufe eingespritzt
wird.
-
Das ausgeschletiderte lind in der einen Stufe angesammelte Wasser
hat eine niedrigere Temperatur als der in der darunterliegenden Stufe befindliche
verdichtete Dampf, der alsdann durch dieses kältere herunterfließende oder eingespritzte
Wasser während der Verdichtung abgekühlt und wieder gesättigt wird; gleichzeitig
wird dieses kältere herunterfließende Wasser durch den verdichteten Dampf erwärmt
und zur Speisung des Kessels benutzt. Da es darauf ankommt, soviel wie möglich Dampf
in der Turbine niederzuschlagen, wird das fehlende, etwa durch mangelhafte Abdichtungen
benötigte Wasser als frisches Speisewasser am zweckmäßigsten dem in der letzten
(obersten) Stufe ausgeschleuderten Wasser zugesetzt.
-
In der Abb. 5, die ein Ausschnitt der Abb. i ist, sind die
verschiedenen Stellen, an denen die Zustandsänderung des Dampfes in den Stufen der
Turbine gemäß Abb. 4 vor sich geht, bezeichnet. Die Verdichtung des Ab-
dampfes
nebst dessen Abkühlung durch das ausgeschleuderte Wasser oder die Erwärmung des
letzteren erfolgt auf der Strecke BI-CI (Abb. 5). Dieser Vorgang erscheint
im JS-Schaubild als WagerechteB'-C' (Abb.4). Dann folgt eine Ausdehnung des getrockneten
Dampfes nach der Senkrechten C-D' (Abb. 4), und zwar in der Turbine vom Austritt
des Dampfes aus den Schaufeln g des Laufrades der einen Stufe bis zum Austritt
aus den Schaufeln h der folgenden Stufe. Hierauf wiederholt- sich wieder der erste
Vorgang. Diese aufeinanderfolgenden Ausdehnungen und Verdichtungen haben bei ausreichender
Zahl der Laufräder oder Stufen zur Folge, daß sich die Zustandsänderung längs der
Linie A'-B'-CI-D'-E-F' usw. (Abb. 4) der Linie 4, die eine solche gleichbleibenden
spezifischen Volumens ist, anlehnt. Hierdurch sammelt sich immer mehr kondensiertes
Wasser in der Turbine durch die Ausschleuderung an, und zwar zunächst als Folge
der adiabatischen Entspannung C D' in den Turbinenrädern, zweitens
durch die im Verdichterrad im Beisein von genügend Wasser infolge Vernichtung der
Strömungsenergie entstehende Rückverdichtung B' C des nassen Abdampf
es und drittens durch Abkühlung des Dampfes mittels des ausgeschleuderten Wassers,
das immer kälter wird, je mehr Stufen der Dampf durchströmt hat. Die Verflüssigung
des Dampfes geschieht infolgedessen ohne Verwendung von äußerem Kühlwasser oder
ohne äußere Wärmeentziehung, und die Arbeitsleistung erfolgt letzten Endes durch
Umwandlung der latenten Wärme des Dampfes in Arbeit. Die kleine Menge Auspuffdampf
der Turbine, die nicht in ihr selbst niedergeschlagen wird, entweicht nach Durchströmung
sämtlicher Stufen durch das Rohr o und wird mittels einer Pumpe unter Druck entweder
zum Kessel oder unmittelbar wieder zur Turbine geleitet. Diese Pumpe kann ein mechanischer
oder statischer Verdichter, z. B, ein Injektor sein, der dann durch einen Hochdruckdampfkessel
betrieben wird. Der Auspuffdampf kann auch durch einen eisgekühlten Kondenstopf
unter möglichst geringem Druck angesaugt werden. Das in der Turbine selbst aus dem
Dampf ausgeschleuderte Wasser und das etwa beigefügte frische Speisewasser wird
durch Öffnungen p, q und r mittels nicht gezeichneter Rohrleitungen
in vorgewärmtern Zustande als Speisewasser von der ersten Stufe der Turbine entnommen
und zum Kessel zurückgeführt.
-
Die Turbine kann in jedem Gebiet der Technik Verwendung finden, z.
B. zum Schiffsantrieb, beim Fahrzeug- und insbesondere Eisenbahnbetrieb, bei Dampfkraftanlagen
und in elektrischen Zentralen. Eine sinngemäße übertragung der beschriebenen Einrichtungen
auf eine Horizontalturbine bereitet an Hand der vorstehenden Erläuterungen keine
Schwierigkeit. -
In der Abb. 6 ist eine Kraftanlage schematisch dargestellt,
bei der die Turbine nach der Erfindung verwendet ist. Die Anlage kann entweder mit
Dampf oder siedendem Wasser betrieben werden; a ist der Dampfkessel; c und
d sind die Turbinen nach der
Erfindung; e ist ein durch die
Turbinen getriebener Stromerzeuger; g ist ein Motor, z. B. Elektromotor,
der den mechanischen Verdichter oder die Pumpe f antreibt, die auch durch
einen statischen Verdichter, z. B. einen Injektor, ersetzt werden können, der dann
durch den Dampf eines Hochdruckkessels betrieben wird; h ist eine der Purnpen, die
das Wasser aus einer beliebigen Stufe der Turbinen c und d in den Kessel
a zurückbefördert. Der Dampf oder das Wasser nimmt seinen Weg durch die angedeuteten
Rohrleitungen in Richtung der Pfeile i bis 7. Hinter dem Dampfdom befindet sich
ein Ab-
sperrventil k, ein zweites, 1, vor der ersten Turbine
c und ein drittes, m, unmittelbar vor dem Kessel. Für den Fall des Dampfbetriebes
sind die Absperrventile k und 1 offen, während das Absperrventilm
geschlossen ist. Die den Pfeilen i bis 7 entsprechenden Leitungen und die
Turbinen c und d sowie der Verdichter f werden mit Dampf gefüllt,
worauf die Anlage betriebsfertig ist. jetzt werden der Motor g und der Verdichter
f in Gang gesetzt, bis die Leistung des Verdichters f ausreichend
ist. Der Kessel drückt den Dampf durch die Leitungen und Turbinen, und zwar mit
einer dem Verdichter entsprechenden Leistung. Nun finden die oben beschriebenen
Vorgänge statt; das kondensierte ausgeschleuderte Wasser wird in den einzelnen Stufen
der Turbinen gesammelt und das überschüssige Wasser als Speisewasser durch die Pumpe
wieder zum Kessel zurückgeführt. Der nicht in der Turbine selbst niedergeschlagene
Auspuffdampf wird durch den Verdichter f wieder zum Kessel oder unmittelbar
zur Turbine geleitet. Zu diesem Zweck ist ein Regelungsschieber n mit Umlauf leitung
o vorgesehen, der es ermöglicht, die Wärme- und Druck-,erhältnisse im Kessel zweckmäßig
auszunutzen, indem durch denselben eine wahlweise und teilweise Rückführung des
Dampfes entweder gemäß dem Pfeil 8 durch die Leitung o in die Turbine oder gemäß
dem Pfeil 9 in den Kessel stattfinden kann. Außerdem sind noch Rückschlagventile
p und a sowie ein Entlüftungshahn r vorgesehen. Für den Betrieb mit
siedendem Wasser igt das Absperrventil k ge-
schlossen, während die
Absperrventile in und 1 geöffnet sind. Die Leitungen, die Turbinen c und
d und die in diesem Falle veranschaulichte Pumpe f werden mit heißem,
unter Druck stehendem Wasser gefüllt, worauf die Anlage wiederum betriebsfertig
ist. Nach Anlassen des Motors g, der die Pumpe f betreibt, findet
ein Umlauf des Wassers in der gesamten Anlage statt, und in den Turbinen c und
d spielen sich wieder die beschriebenen Vorgänge ab. Der Wasserableiter i
und die Pumpe h werden in diesem Falle abgeschaltet. Die Arbeit wird nur auf Kosten
des im siedenden Wasser befindlichen Damp-f es verrichtet.