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Gasturbinenanlage mit vorgeschalteter Verbrennungskolbenmaschine Eine
Gasturbinenanlage mit vorgeschalteter Verbrennungskolbenmaschine stellt eine Verbundanordnung
dar, in der der Brennkraftprozeß in zwei Expansionsstufen durchgeführt wird, und
zwar bildet die Verbrennungskolbenmaschine die Oberstufe, die Gasturbine die Unterstufe.
Zur Durchführung des Verfahrens ist außerdem noch ein Verdichter nötig, der, z.
B. bei Dieselmaschinen, die Verbrennungsluft in diese zu fördern und auf einen Druck
zu verdichten hat, der als Aufladedruck bezeichnet wird und etwa dem Zwischendruck
zwischen der Oberstufe und der Unterstufe entspricht. Der Verdichter kann entweder
von der Dieselmaschine angetrieben werden, wobei die Gasturbine allein Nutzarbeit
leistet, oder er wird von der Gasturbine angetrieben, und die Dieselmaschine leistet
Nutzarbeit.
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Je höher der Aufladedruck gewählt wird, desto größer ist bei gegebenem
Arbeitsvolumen die Leistungsfähigkeit der Dieselmaschine, da mit der Erhöhung des
Rufladedruckes das in die Dieselmaschine eingeführte Luftgewicht vergrößert und
dementsprechend ein größeres Brennstoffgewicht verarbeitet werden kann. Wenn man
nun bei der Dieselmaschine die allgemein übliche Steuerung der Ausströmung, sei
- es mit Ventilen oder' mit Schlitzen, anwendet, so entsteht bekanntlich ein Energieverlust,
durch Preisgabe der sogenannten Diagrammspitze, d. h. der in Abb.6 durch Schrägschraffur
gekennzeichneten Fläche E5. Es zeigt sich nun, daß mit steigendem Aufladedruck die
Größe dieser verlorengegebenen Diagrammfläche nicht unerheblich wächst. Durch eine
besondere Ausbildung der Ausströmsteuerung könnte man wohl eine bessere Diagrammausnutzung
erhalten; indessen führt dies zu einer verwikkelten Steuerung und zu einer Vergrößerung
des Arbeitsvolumens der Dieselmaschine, also zu Folgeerscheinungen, die bei der
Anwendung höheren Aufladedruckes grundsätzlich vermieden werden sollten, weil sonst
seine Vorteile zum Teil wieder verschwinden'-würden.
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Um den in der Diagrammspitze enthaltenen Energieverlust weitgehend
zu beseitigen, hat man nun daran gedacht, die Gasturbine in zwei Schaufelungsteile
aufzuteilen, von denen der eine die der Diagrammspitze entsprechende Abgasmenge
allein, der zweite Turbinenteil dagegen die gesamte Abgasmenge, die dann einen entsprechend
geringeren Druck hat, verarbeitet. Die Energiemenge der Diagrammspitze findet sich
dann in der Gasturbinenleistung oder, falls man die Schaufelungsteile auf zwei Gehäuse
verteilt, in einer besonderen Arbeitsmaschine wieder. Gemäß der Erfindung wird ein
anderer Weg zur Nutzbarmachung der Diagrammspitze eingeschlagen, der eine wirtschaftlichere
Ausnutzung dieser Energiemenge verspricht, und
zwar dadurch, daß
die in der Diagrammspitze enthaltene Energiemenge dazu benutzt wird, um das Energieniveau
der der Gasturbine zuströmenden Treibgase zu erhöhen. Die Erfindung besteht insbesondere
darin, daß eine Zwischenturbine zur Erhöhung der Treibgasenergie in der Weise dient,
daß sie einen Verdichter zur Nachverdichtung der von der Kolbenmaschine gelieferten
Treibgase auf einen höheren Druck antreibt.
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Durch die Anordnung einer Zwischenturbine, insbesondere in Verbindung
mit einem Kreiselverdichter, durch den der Eintrittsdruck vor der eigentlichen Gasturbine
erhöht wird, entsteht noch ein weiterer Vorteil bei MehrzvIindermaschinen. Obgleich
bekanntlich ihre Arbeitsspiele gegeneinander versetzt werden, hat sich in der Praxis
gezeigt, daß, wenn man die Ausströmleitungen aller Zylinder in eine Sammelleitung
frei einmünderi läßt, unter Umständen eine gegenseitige Beeinflussung stattfindet,
z. B. dadurch, daß die durch den Auspuff eines Zylinders in der Sammelleitung entstehende
Druckerhöhung auf den Einströmvorgang eines anderen Zylinders einwirkt. Solche Einflüsse
können besonders bei Zweitaktmaschinen ein ungleiches Arbeiten einzelner Zylinder
zur Folge haben. Diese Verhältnisse werden durch die Anordnung von Zwischenturbinen
wesentlich gebessert, da durch sie die frei werdende Auspuffenergie jedes Zylinders
gebunden wird, d. h, der Auspuffstoß wird gedampft und seine Rückwirkung auf andere
Zylinder abgeschwächt. Es ist nun im allgemeinen nicht nötig, jedem einzelnen Zylinder
eine Zwischenturbine zuzuordnen. Es genügt meistens, eine Zwischenturbine für zwei
benachbarte Zylinder vorzusehen, wenn nur ihre Arbeitsspiele zeitlich genügend weit
gegeneinander verschoben sind. Wird nun je eine Zwischenturbine mit einem Kreiselverdichter
gekuppelt, so daß die Ausströmgase erst durch ihn hindurchströmen müssen, bevor
sie in die für alle Zylinder gemeinsame Sammelleitung gelangen, so ist damit eine
Rückwirkung der Druckänderungen in ihm so gut wie ausgeschlossen, da die Verdichter
gewissermaßen einen Trennungsfilm bilden zwischen der Sammelleitung und den einzelnen
Zylinclern. -Ein Ausführungsbeispiel ist in Abb. i im Aufriß und in Abb. 2 im Grundriß
dargestellt. Angenommen ist eine mehrzylindrige Zweitaktdieselmaschine, von der
zwei Zvlinder im Grundriß zu sehen sind. Sie ist mit einem nicht gezeichneten Verdichter
für die Verbrennungsluft gekuppelt zu denken. In dem Zvlinder i ist der Kolben z
in seiner tiefsten Stellung gezeichnet, so daß sämtliche Steuerschlitze freiliegen.
Die Einströmschlitze sind mit 3, die in zwei Reihen übereinander angeordneten Ausströmschlitze
sind mit 4 und 5 bezeichnet. Durch die obere Schlitzreihe q. strömen die Verbrennungsgase
beim Abwärtsgang des Kolbens zuerst aus und beaufschlagen durch die Düsen 6 je einen
Schaufelkranz 7 eines einstufigen (evtl. mehrstufigen) Curtisrades, das am Umfang
eines Kreiselverdichters 8 angeordnet ist. Die Beaufschlagung erfolgt zeitlich nacheinander,
da die Arbeitsspiele beider Dieselzylinder gegeneinander verschoben sind. Aus dem
Schaufelkranz strömen die Gase in einen Ringraum B. Nach der Entspannung der durch
die Schlitze q. ausgeströmten Gase wird die untere Reihe 5 der Ausströmschlitze
gleichzeitig mit den Einlaßschlitzen 3 durch den Kolben geöffnet, und die im Zylinder
noch verbliebenen Gase werden durch die einströmende Verbrennungsluft in die Leitungen
9 und in- die Einströmräume io des Kreiselverdichters hinübergeschoben. Aus diesen
Räumen io fördert der Kreiselverdichter 8, der durch die im Schaufelkranz 7 abgegebene
Auspuffenergie in Drehung versetzt ist, die Gase in den gleichen Ringraum 8, in
den die zuerst ausgeströmten Gase nach ihrer Beaufschlagüng bereits eingetreten
sind. Von hier gelangen sie in die Sammelleitung i i, an die die übrigen, nicht
gezeichneten Zylinder ihre Gase liefern, und dann strömen sie zur Hauptturbine 12,
von der ein elektrischer Generator 13 angetrieben wird.
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Die Arbeitsvorgänge sind aus dem Diagramm Abb. 3 zu ersehen. Die in
der Dieselmaschine gewonnene Arbeit Ei dient zum Antrieb des nicht gezeichneten
Verdichters, der die Verbrennungsluft auf den Rufladedruck P1 verdichtet. Die dazu
erforderliche Arbeit ist E,; sie steht im Gleichgewicht mit der Arbeit El, was durch
die gleichartige senkrechte Schraffur hervorgehoben ist. Auf die als Curtisrad ausgebildete
Zwischenturbine wird die Arbeit E3 der Diagrammspitze übertragen und durch den Kreiselverdichter
in die Verdichtungsarbeit E4 umgesetzt, so daß sich der Druck .P, auf den Druck
P2 erhöht. Die Gleichheit der Diagrammflächen E3 und E4 ist durch gleichartige schräge
Schraffur angedeutet. Die Hauptturbine verarbeitet die Treibgase vom Druck P2.
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Da die Arbeitsabgabe an die Zwischenturbine und die Förderarbeit des
Kreiselverdichters zeitlich nicht zusammenfallen, ist eine Energiespeicherung vorzusehen.
Man kann sie in der Weise ausführen, daß man der Zwischenturbine und dem Kreiselverdichter
zusätzliche Schwungmassen gibt, die durch die Energiemenge E3 der Diagrammspitze
aufgeladen und durch die Verdichterarbeit E.4 wieder entladen werden. Man kann aber
auch
alle Zwischenturbinen und Kreiselverdichter, die zu einer vielzylindrigen
Dieselmaschine gehören, miteinander kuppeln, um einen Ausgleich in der Kraftwirkung
zu erhalten.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in Abb.4. und 5 dargestellt. Soweit
die baulichen Verhältnisse die gleichen sind wie im ersten Beispiel, sind die gleichen
Bezugszeichen gewählt. Die Unterschiede liegen darin, daß die Zwischenturbine mit
senkrechter Welle und radialer Beaufschlagung ausgeführt ist, und daß die durch
die obere Schlitzreihe 4. ausströmenden Gase, die durch Düsen 14 auf den Schaufelkranz
i5 geleitet werden, in den Einströmraum 16 des Kreiselverdichters 17 gelangen. Sie
vereinigen sich also hier mit den -durch die untere Schlitzreihe ausströmenden
Gasen und werden gemeinsam von dem Kreiselverdichter 17 in den Ringraum i; gefördert.
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Das dazugehörige Diagramm ist in Abb. 6 dargestellt. Die durch senkrechte
Schraffur gekennzeichneten Diagrammflächen sind wieder -die gleichen wie in Abb.
3, nämlich El und E.. Dagegen ist die Energieabgabe aus der Diagrammspitze E,, größer
als vorher, weil die Entspannung der Auspuffgase bis auf den Druck P1 erfolgt. Analog
ist auch die Verdichterarbeit E, entsprechend größer geworden. In der Zeichnung
ist E5 durch Rechtsschraffur, E, durch Linksschraffur hervorgehoben.