DE504787C - Duese zur Entspannung und Abkuehlung heisser Gase - Google Patents

Description

Düsen zur Entspannung und Abkühlung heißer Gase zwecks Erzeugung mechanischer Energie, wie sie beispielsweise bei Gasturbinen Anwendung finden, wurden bisher in der Weise ausgeführt, daß man die Düse auf ihrer gesamten Länge mit einem Kühlmantel versah, so daß dem zu entspannenden, heißen Treibmittel während der Entspannung, d. h. also während das Wärmegefälle in Strömungsenergie umgewandelt wurde, Wärme entzogen wurde. Um das Treibmittel noch weiter abzukühlen, als es durch die Entspannung und durch Oberflächenkühlung der Düse allein möglich war, hat man auch das Treibmittel schon gekühlt, bevor es in die Düse trat, oder man hat sogar Wasser eingespritzt, das entweder vor Eintritt des Treibmittels in die Düse oder während der Entspannung verdampfte. Alle diese Maßnahmen hatten zur Folge, daß von der dem

ao Treibmittel infolge seines Anfangsdruckes und seiner Anfangstemperatur innewohnenden Energie nur Bruchteile in Strömungsenergie verwandelt werden konnten, so daß Gasturbinen, die mit solchen Düsen ausgerüstet waren, einen ungenügenden Wirkungsgrad ergaben.

Durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung soll nun dieser Nachteil behoben werden. Der Erfindungsgegenstand betrifft eine Düse zur Entspannung und Abkühlung heißer Gase (Treibmittel) zur Erzeugung mechanischer Energie. Die Erfindung besteht darin, daß die Düse aus zwei Teilen gebildet wird, von denen der (in Richtung der Strömung gezählte) erste Teil zur Erzeugung hoher Strömungsgeschwindigkeit des Treibmittels durch Entspannung bei geringstem Wärmeentzug von außen dient, während der zweite Teil die Abkühlung des raschströmenden Treibmittels bei geringstem Geschwindigkeitsverluste besorgt. Beim ersten Teil handelt es sich also vornehmlich um eine Ausdehnungsdüse, während der zweite Teil als Kühldüse bezeichnet werden kann. Dadurch, daß das ganze verfügbare Gefälle also möglichst verlustlos in Geschwindigkeit umgesetzt wird, die raschströmenden Gase aber vor dem Verlassen der Düse noch gekühlt werden, wird einerseits erreicht, daß eine mit einer solchen Düse ausgerüstete Maschine (z. B. Gasturbine) den höchsten Wirkungsgrad erhält, andererseits aber die Temperaturen an den vom Gasstrahl beaufschlagten Schaufeln niedrig bleiben.

Auf der Abbildung ist die Bauart einer solchen Düse, obere Hälfte im Schnitt, untere Hälfte in Ansicht dargestellt. Es ist 1 die Ausdehnungsdüse, die für Druckgefälle, die das kritische Verhältnis überschreiten, meist als sogenannte Lavaldüse (konisch erweiterte Düse) ausgebildet wird. In dieser Düse vollzieht sich die Umsetzung des verfügbaren Gefälles in Geschwindigkeit. Sie ist ungekühlt,

und, wenn erforderlich, auch noch gegen Wärmeableitung durch die Isolierung 2 geschützt. Zu ihrer Herstellung werden hochhitzebeständige Metalle, wie Chrom-, Wolfram- oder Molybdän-Legierungen oder auch keramische Stoffe (Porzellan), verwendet. Dadurch, daß vor und während der Entspannung eine Abkühlung vermieden wird, wird den Gasen die für ein gegebenes Gefälle höchstmögliche Geschwindigkeit erteilt. An diese Düse schließt sich die gekühlte Düse 3 an. Sie ist von einem Kühlmittel umflossen, daß die Gase beliebig tief abkühlt. Auf dem gezeigten Beispiel tritt das Kühlmittel bei 4 ein, umströmt die Düse mehrmais und verläßt dieselbe bei 5. In dieser Düse erfährt die Geschwindigkeit allerdings eine gewisse Verminderung. Eingehende Versuche haben jedoch ergeben, daß der Wärmeübergang von Gasen, die mit Schallgeschwindigkeit oder Über-Schallgeschwindigkeit strömen, ganz außerordentlich hoch ist, so daß verhältnismäßig kleine Oberflächen, also kurze Rohrstücke, genügen, um die gewünschte Abkühlung zu erhalten. Infolge der Kürze der Kühldüse bleibt somit der durch die Reibung verursachte Geschwindigkeitsverlust niedrig. Das Treibmittel besitzt daher noch eine wesentlich höhere kinetische Energie als es besitzen würde, wenn der gleiche Wärmebetrag vor oder während der Entspannung entzogen worden wäre.

Die abgekühlten Gase werden nun durch das entsprechend geformte Düsenende (Leitvorrichtung) 6 z. B. auf ein Gasturbinenrad geleitet, wo ihre kinetische Energie in Arbeit umgesetzt wird.

Als Kühlmittel wird vornehmlich Wasser dienen. Dieses wird durch die abgeführte Wärme teilweise verdampft. Der ausgeschiedene Dampf kann dann ebenfalls als Treibmittel in einer Turbine oder Kolbenmaschine verwendet werden.

Die neue Düse kommt also vornehmlich für Kraftmaschinen in Frage, die aus einer Gasturbine und Dampfturbine bestehen.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Düse zur Entspannung und Abkühlung heißer Gase (Treibmittel) zur Erzeugung mechanischer Energie, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe aus zwei Teilen besteht, von denen der erste (in Richtung der Strömung gezählt) zur Erzeugung hoher Strömungsgeschwindigkeit des Treibmittels durch Entspannung bei geringstem Wärmeentzug von außen dient (Ausdehnungsdüse), während der zweite Teil die Abkühlung des raschströmenden Treibmittels bei geringstem Geschwin digkeitsverlust besorgt (Kühldüse) .

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen