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Anordnung der von Verbrennungsgasen bespülten Teile von Verpuffungsbrennkraftturbinen
Vorliegende Erfindung geht von dem bekannten Verfahren aus, die von Verbrennungsgasen
bespülten Teile einer Turbine zu kühlen. Sie bezieht sich auf die Wahl des Kühlmittels,
das man an bestimmten Teilen der Turbine im Gegensatz zu anderen Teilen mit Vorteil
anwendet, wobei die Wahl des Kühlmittels die Ausgestaltung der gekühlten Turbinenteile
mitbedingt. Das Kühlmittel selbst muß so gewählt werden, daß es den Verbrennungsgasen
möglichst wenig Wärme entzieht, da der Gesamtwirkungsgrad der Turbine um so höher
ist, je höher die Temperatur der die Laufräder beaufschlagenden Verbrennungsgase
ist, selbst wenn die in das Kühlmittel übergehende Wärme nutzbringend verwertet
wird. Denn diese Übergangswärme läßt sich, -weil das zur Verfügung stehende Wärmegefälle
in jedem Fall verringert wird, stets nur mit geringem Wirkungsgrad ausnutzen wie
die ein hohes Wärmegefälle aufweisenden Verbrennungsgase. Es kommt also darauf an,
von der gesamten aus der Verbrennung des Brennstoffes entwickelten Wärme soviel
wie möglich in den Verbrennungsgasen zu belassen und sowenig wie möglich in das
Kühlmittel überzuführen, die übergegangene Wärmemenge aber mit möglichst hohem Wirkungsgrad
auszunutzen. Berücksichtigt man weiter, daß der Wärmeübergang eines Mittels durch
eine Wandung in hohem Maße von der Geschwindigkeit abhängt, mit der das Mittel an
der Wärmeübergangsfläche vorbeiströmt, so ergibt sich, daß die Kühlung derjenigen
Flächen, an denen die Verbrennungsgase langsam strömen, anders geschehen muß wie
die Kühlung der Flächen, an denen die Verbrennungsgase mit hoher Geschwindigkeit
entlang strömen. Das bestätigen Versuche, die ergeben, daß bei einer Kühlung der
Brennkammer einer Brennkraftturbine einerseits, des Düsenkanals andererseits mit
demselben Kühlmittel, beispielsweise mit Wasser, trotz der um ein Vielfaches größeren
Oberfläche der Brennkammer nur eine viel kleinere Wärmemenge von den `'Pandungen
der Brennkammer an das Kühlmittel abgegeben wird wie von dem Düsenkanal, in dem
die Verbrennungsgase mit hoher Geschwindigkeit strömen. Auf der anderen Seite muß
die Brennkammer- so stark gekühlt sein, daß ihre Wandungen nicht zu vorzeitigen
Selbstzündungen während der Ladung der Brennkammer Anlaß geben; man ist also auf
die Kühlung der Kammer durch ein flüssiges Kühlmittel, wie Wasser oder Öl, angewiesen.
Diese Bindung an die Art des Kühlmittels besteht aber nicht bezüglich des in unmittelbarer
Nähe der Düse gelegenen Teiles der Kammer, an die bei der Ladung die Brennstoffteilchen
erst gelangen, -nachdem die Ladung bereits bewirkt worden ist, so daß der Zeitraum
bis zur Zündung gering wird und keinesfalls ausreicht, die Brennstoffteilchen auf
Selbstzündtemperatur zu bringen. Ebensowenig besteht diese Bindung bezüglich der
außerhalb des Abschlußorgans der Brennkammer, nämlich des Düsenventils, liegenden
Turbinenteile, d. h. des Düsenkanals und der Düse selbst. Für diese Teile ist die
Kühlung
durch ein Kühlmittel hoher Temperatur gegeben, wenn man
den Wärmeübergang an diesen Stellen schnellströmender Verbrennungsgase möglichst
gering halten will.
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Auf diesen Erkenntnissen beruht die Erfindung. Sie besteht darin,
daß die von schnellströmenden Verbrennungsgasen bespülten Turbinenteile, nämlich
das Ende der Brennkammer, der Düsenkanal und die Düse, von zu überhitzendem Nutzdampf
gekühlt werden.
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In Durchführung dieses Erfindungsgedankens wird beispielsweise eine
ringförmige Kühlkammer an der Mündung der Brennkammer angeordnet. Auch der Übergangskrümmer
von der Mündung der Brennkammer zur Düse zeichnet sich unter den von Verbrennungsgasen
bespülten Turbinenteilen durch besonders hohe Gasgeschwindigkeit und die Möglichkeit
einer einfachen Kühlkammeranordnung aus; zweckmäßig wird er daher doppelwandig ausgeführt
und mit einem gewissen, durch die Einbaumöglichkeit bestimmten Luftspielraum in
das wasser- oder ölgekühlte Turbinengehäuse eingesetzt. In dem durch die Doppelwand
gebildeten Mantelraum erfolgt die Überhitzung des durchströmenden Nutzdampfes. Schließlich
kann um die Düse selbst eine Kühlkammer eingebaut oder die Düse doppelwandig ausgeführt
werden; der in die Kühlkammer oder den Düsenmantelraum eintretende Nutzdampf bewirkt,
indem er sich überhitzt, eine ausreichende, aber nicht zu kräftige Abkühlung der
durch die Düse strömenden Verbrennungsgase. Es liegt auch im Wesen der Erfindung,
daß gleichzeitig in verschiedenen der von Verbrennungsgasen bespülten Teile einer
einzigen Brennkraftturbine Kühlkammern angeordnet werden können, wenn genügend feuchter
oder trockengesättigter Dampf aus der Abwärme, insbesondere der Abgas- und Brennkammerwandungswärme,
der gleichen Turbine zur Überhitzung zur Verfügung steht.
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Die Zeichnung zeigt beispielsweise Ausführungen des Erfindungsgedankens,
und zwar gibt zunächst Abb. z im Axialschnitt durch eine Brennkammer und die anschließenden
Düsen-, Laufrad- und Gehäuseteile einer Brennkraftturbine die Anordnung der von
Verbrennungsgasen bespülten Teile wieder, bei der in die Mündung der Brennkammer
eine ringförmige Kühlkammer eingebaut und gleichzeitig, um für den in der gleichen
Turbinenanordnung aus der Abwärme erzeugten Dampf genügend Überhitzerheizfläche
zu schaffen, die Düse mit einer zweiten Kühlkammer versehen ist. Abb. 2 stellt im
gleichen Schnitt die Anordnung von Verbrennungsgasen bespülter Brennkraftturbinenteile
dar, bei der durch Ummantelung des. Übergangskrümmers zur Düse eine Kühlkammer gebildet
worden ist, die Düse selbst ist doppelwandig ausgebildet und besteht unter Vereinigung
ihres Mantelraumes mit dem des Übergangskrümmers mit diesem aus einem Stück.
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In beiden Abbildungen bedeutet a die Brennkammer, in der die Verbrennung
stattfindet. Die Brennkammer ist bei b ummantelt. In dem dadurch gebildeten Mantelraum
befindet sich als Kühlmittel Wasser oder 01 ; die vom Kühlmittel aufgenommene
Wärme wird zweckmäßig zur Dampferzeugung verwandt. Es bedeutet c das Düsenventil,
das im geöffneten Zustand den Verbrennungsgasen aus der Brennkammer den Weg zum
Übergangskrümmer d und zur Düse c eröffnet. Aus der Düse e oder dem Düsenmundstück
des Übergangskrümmers d austretend, beaufschlagen die Verbrennungsgase die Schaufelkränze
f des Turbinenlaufrades g und den Leitschaufelkranz g' des Turbinengehäuses
h. Auch im Turbinengehäuse h
sind Räume i, k, Z und
m zur Aufnahme von Kühlmitteln, wie Wasser oder Öl, vorgesehen.
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Erfindungsgemäß ist nun in Abb. z in die von Verbrennungsgasen bespülten
Turbinenteile: Brennkammerausgang n und Düse e, je eine Kühlkammer o oder t eingebaut.
Die Kühlkammer o ist ringförmig gestaltet; ihre Innenwand bildet gleichzeitig die
Mündung der Brennkammer. In die Kühlkammer wird gesättigter Dampf, der mittels der
Brennkraftturbinenabwärme erzeugt wurde, eingeleitet und überhitzt aus ihr abgezogen.
Um die Düse e ist gleichfalls eine ringförmige Kühlkammer t eingebaut worden, in
welche gleichfalls gesättigter Nutzdampf, erzeugt aus der Turbinenabwärme, eingeleitet
und unter gleichzeitiger Kühlung der durch die Düse e strömenden Verbrennungsgase
überhitzt abgezogen wird. Natürlich nimmt die Kühlkammer t auch noch aus den Verbrennungsgasen,
die den Turbinenlaufradraum erfüllen, Wärme auf und leitet sie dem Nutzdampf zu.
Um die Dampfkammer t kann eine Kammer P zur Aufnahme von Kühlwasser angeordnet sein.
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In Abb.2 ist beispielsweise als von Verbrennungsgasen bespülter Turbinenteil
zur Überleitung von Feuergaswärme auf Nutzdampf der Übergangskrümmer d zur Düse
gewählt worden. Er ist doppelwandig ausgebildet, so daß der Mantelraum q entsteht;
Düse und Übergangskanal bestehen unter Vereinigung ihrer Kühlräume zu einem einzigen,
eben q, aus einem Stück. Um Einbaumöglichkeit zu gewähren, ist der doppelwandige
Übergangskrümmer d mit Luftspielraum s# in das Wasser-oder ölgekühlte Turbinengehäuse
h eingesetzt. Ringscheiben s, s1 erhalten den Übergangskrümmer d in seiner Lage
und dichten ihn ab. Statt zu einem einzigen dampfdurchströmten Kühlraum vereinigt
zu werden, kann der Kühlraum P der Düse, der Kühlraum q des Übergangskrümmers, gegebenenfalls
unter Ausführung
der Düse und des Übergangskrümmers in verschiedenen
Stücken, ebenfalls getrennt bleiben. Es kann auch der Übergangskrümmer allein oder
die Brennkammermündung allein eine Kühlkammer enthalten, ebenso wie in sämtlichen
von Verbrennungsgasen bespültenTurbinenteilen Kühlkammern zur Überhitzung durch
sie geleiteten Nutzdampfes enthalten sein können.