DE595537C - Verfahren zum Betrieb von Verpuffungsturbinen - Google Patents

Verfahren zum Betrieb von Verpuffungsturbinen

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DE595537C
DE595537C DE1930595537D DE595537DD DE595537C DE 595537 C DE595537 C DE 595537C DE 1930595537 D DE1930595537 D DE 1930595537D DE 595537D D DE595537D D DE 595537DD DE 595537 C DE595537 C DE 595537C
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DE1930595537D
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BBC Brown Boveri France SA
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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C5/00Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion
    • F02C5/12Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion the combustion chambers having inlet or outlet valves, e.g. Holzwarth gas-turbine plants

Description

  • Verfahren zum Betrieb von Verpuffungsturbinen Vorliegende Erfindung bezieht sich auf sogenannte Verbundgasturbinen, das sind Gasturbinen, die aus mindestens zwei hintereinandergeschalteten Laufradstufen bestehen. von denen die erste als reine Verpuffungsturbine, also mit periodischer Beaufschlagung, arbeitet, während die zweite vom Treibgas dauernd und wegen des Ausgleiches, den die Entladungen am ersten Rad erfahren, mit weniger schwankendem Druck beaufschlagt wird. Während man nun bei der reinen, einstufigen Verpuffungsgasturbine die Treibgase bis auf den im Radkasten herrschenden Atmosphärendruck herabexpandieren ließ und demgemäß zum Ausschieben des Abgasrestes aus der Kammer nur sehr niedrige Drücke benötigte, zur Erreichung einer gewissen Vorverdichtung die neue Ladung also durch ein besonderes Gebläse geliefert werden mußte, hat man bei den Verbundgasturbinen bisher zwar die Entspannung in der Kammer meist ebenfalls bis auf den Druck am ersten Rad getrieben und die Spülung mit ungefähr dem gleichen Druck vorgenommen, diesen Druck aber stets auch beider Nachbehandlung nicht wesentlich überschritten. Um hohe Verpuffungsdrücke zu erhalten, sind bekanntlich hohe Vorverdichtungen, d. h. Ladedrücke, erforderlich. Da aber Spülung und neue Ladung mit den gleichen oder fast gleichen Drücken erfolgten, mußte die gesamte Spülluft- und Lademenge auf diesen hohen Verdichtungsdruck gebracht werden. Die hierfür erforderliche Verdichtungsarbeit wurde damit sehr groß und vernichtete die Vorteile, die durch die Erhöhung des Verpuffungsdruckes angestrebt waren, vollständig. Es ist nämlich zu berücksichtigen, daß bei der bisher bekannten Betriebsweise der Verbundturbinen, bei welcher Spülluftlade- und Gegendruck nur wenig voneinander verschieden sind, das nutzbare Gefälle der Verpuffungsturbinenstufe zu klein wird, das der zweiten Gasturbinenstufe aber meist nicht voll ausgenutzt werden kann, da die Gastemperaturen, die am ersten Rad vorherrschen dürfen, aus Materialfestigkeitsgründen verhältnismäßig niedrig gehalten werden müssen. Bei hohen Ladedrücken wurden diese Temperaturen dann im Vergleich zum Entspannungsverhältnis sogar zu niedrig, um von der zweiten Gasturbinenstufe das Mehr an Leistung zu erhalten, das der Verdichter zur Ermöglichung dieses Entspannungsverhältnisses benötigte.
  • Um diese Nachteile zu vermeiden, soll sich gemäß der Erfindung bei sogenannten Verbundgasturbinen an die Spülung und die damit verbundene erste Ladung eine zweite Ladung bei weit höherem Druck als bisher üblich anschließen und die Entspannung in den Verpuffungskainmern bis auf einen verhältnismäßig niedrigen Druck (etwa 2,5 bis 3,5 ata) teeruntergeführt werden, der auch vor der zweiten Laufradstufe herrscht. Die an die Spülung und erste Ladung (Vorladung) sich anschließende zweite Ladung (Nachladung) führt zu einem Enddruck, der mindestens doppelt so hoch ist wie der Druck der Vorladung. Da auf diese Weise nur ein Teil der Luft auf hohen Druck zti verdichten ist und zur Verdrängung des Abgasrestes und für die Spülung nur Luft von geringem Druck benötigt wird, so vermindert sich der Arbeitsaufwand für die Verdichtung wesentlich. Trotzdem werden aber die Abmessungen für die Brennkammern und das erste Rad klein und die Verpuffungsdrücke hoch, da der hierfür allein maßgebende Enddruck der Nachladung ebenfalls groß ist: Für das verfügbare Gefälle am ersten Rad steht jetzt ein Druck zur Verfügung, der sich zusammensetzt aus dem Druckunterschied zwischen dem Spül-und Nachladedruck und der Druckerhöhung, die durch die Verpuffung entsteht. Das Nachladen macht es somit möglich, den Hauptanteil der Arbeitsleistung auf das erste Rad zu verlegen, und es wird die Temperatur -gleich hohen Verpuffungsdruck für beide Fälle vorausgesetzt - am Rade viel niedriger als bisher, wo für die Entspannung und Temperaturerniedrigung der Gase bis zum ersten Rade nur das durch die Verpuffung erzeugte Gefälle zur Verfügung stand.
  • Die neue Arbeitsweise wird am besten durch das Druck-Zeitdiagramm einer gemäß der Erfindung arbeitenden Gasturbine veranschaulicht. Es bedeuten in Abb. i die Abszissen A die Zeiten, die Ordinanten I3 die Drücke. Es wird z. B. bei i das in die Kammer geli--ferte verdichtete Brennstoffgemisch entzündet, worauf es verpufft und den Druck 2 annimmt. Nach einer kleinen, der vollständigen Verbrennung dienenden Pause bis 3 öffnet das Düsenventil, und die Gase strömen auf das Rad, wo sie Arbeit leisten. Der Gegendruck (Druck am ersten Rad) ist bei .I erreicht. Dieser Druck 4 ist nun gemäß der Erfindung wesentlich niedriger als der Druck, der in der Kammer bei der Zündung in i vorherrschte. Der Abgasrest kann also mit entsprechend niedriger gespannter Luft ausgeschoben und die Kammer mit niedriggespannter Luft vorgeladen werden, etwa bis Punkt 5. Dort schließen die Auslaßventile (d. h. das Düsenventil) und das Lufteinlaßventil, und es folgt gegebenenfalls durch besondere Nachladeventile die weitere Füllung oder Nachladung, bis der volle Nachladedruck bei 6 erreicht ist. Die Arbeitsleistung des ersten Rades ist durch die Fläche 3-4-7 angedeutet (die Abszissen sind Zeiten!), wobei 7-4 den Gegendruck am ersten Rad darstellt. Die Arbeitsleistung des oder der nachfolgenden Räder ist (wiederum auf Zeitbasis aufgetragen) 7-5'-s-9, wobei die Linie 8-9 der atmosphärische Gegendruck ist.
  • Des Vergleiches halber ist strichpunktiert in das gleiche Diagramm auch die Gegendruck- und Ausschublinie für die bisher übliche Betriebsweise der sogenannten Verbundgasturbinen eingetragen. Die Entladung ist hier entsprechend dem höheren Gegendruck bereits bei 1o beendigt. Der Ausschub des Abgasrestes geht auf nahezu gleichbleibender Höhe bis ans Spielende bei 6. Ein Nachladen findet nicht statt. Die Arbeitsfläche des ersten Rades vermindert sich auf Fläche 3-10-11-während die Arbeitsfläche der zweiten oder der nachfolgenden Räder auf die Fläche i1'-12-13-9 ansteigt.
  • Die Temperatur der Gase vor den Düsen des zweiten Rades ist ungefähr gleich hoch wie die Temperatur an den Schaufeln des erster- Rades. Sie ist also aus Materialfestigkeitsgründen beschränkt. 'Nachdem nun das sogenannte verfügbare, d. 11. arbeitsleistende Gefälle ebenfalls von der Temperatur, und zwar von der absoluten Temperatur des Treibgases, abhängig ist und der Druck des Treibgases durch den Verdichter erzeugt werden muß, so ergibt sich, daß es zwecklos und unwirtschaftlich ist, .den Druck vor der zweiten Düse zu hoch zu halten. In der Tat ergibt sich dann die größte Wirtschaftlichkeit, wenn dieser Druck nicht höher ist, als er durch ein einfaches, gegebenenfalls ungekühltes Turbogebläse erzeugt werden kann, und er ein solches verfügbares Gefälle ergibt, daß dieses in einem einzigen Rad, das mit günstigsten ujc-Verhältnisseri arbeitet, verarbeitbar ist. Diese Verhältnisse liegen für den praktischen Fall vor bei einem Druck am ersten Rad von etwa 2,5 bis 3,5 ata, während mit dem Nachladedruck bedeutend höher. z. B. auf 6 bis 1o ata, gegangen werden kann.
  • Für die Verdichtung der kleineren Nachladelttftntenge wird mit Vorteil ein Kolbenverdichter oder ein liapsel- (Drehkolben-) Verdichter verwendet, der bereits vorverdichtete und rückgekühlte Luft erhält, so daß sein Ansaugevolumen und die aufzuwendende ','achladeverdichtungsarbeit klein wird.
  • Der @Tachladeverdichter könnte so angeordnet werden, daß er die Luft direkt in die Brennkammern liefert; er würde in diesem Fall also zu Beginn mit niedrigeren Ausschubdrücken arbeiten und erst am Ende des Nachladens den vollen -Nachladedruck überwinden müssen. Es kann der N achladeverdichter aber auch auf einen Behälter mit gleichbleibendem Druck fördern, wobei dann der Druckunterschied, der nun zwischen dein gleichbleibender. Behälterdruck und dem erst allmählich ansteigenden _Kammerdruck besteht, dazu benutzt wird, den Brennstoff in die Brennkammern zu fördern und diesen, z. B. im Falle von Schweröl, Kohlenstaub o. dgl., zu zerstäuben.
  • Auf Abb. z ist eine Gasturbine dargestellt, wie sie zur Durchführung des Verfahrens erforderlich ist, deren bauliche Einzelheiten jedoch nicht Gegenstand der Erfindung sind. Es ist i die eigentliche Gasturbine, die eine Verbundturbine ist, beispielsweise aus zwei hintereinandergeschalteten Rädern 2 und 3 besteht und einen Generator 4 antreibt. 5 ist die Brennkammer, in welcher das Treibmittel durch Verpuffung von Luft und Brennstoff gebildet wird. 6 und 7 sind die beiden Zylinder eines Verdichters, die beispielsweise durch eine Dampfturbine 8 angetrieben werden. Gemäß der Erfindung ist die Arbeitsweise dieser Anlage nun folgende.
  • Wir nehmen an, daß die Kammer 5 mit verdichtetem Brennstoffluftgemisch geladen sei, das durch die Zündkerzen 9 entzündet werde. Durch den entstehenden Verpuffungsdruck wird das Düsenventil io aufgeworfen, so daß die hochgespannten Treibgase zur Düse i i gelangen und von dort das Rad beaufschlagen. Die Gase geben einen Teil ihrer Arbeit ab, indem sie auf den am Rade 2 -sich einstellenden Gegendruck expandieren. Die restliche Energie wird im Rad 3 ausgenutzt, nachdem die gleichen Gase in Düse 12 auf den atmosphärischen Gegendruck entspannt werden.
  • Die besondere Eigenart der Betriebsweise der vorliegenden Gasturbine liegt nun darin, daß die Ladung der Kammer 5 oder der Kammern, denn es können auch mehrere sein, in mehreren, mindestens zwei Stufen erfolgt, der Verdichter also Luft von verschiedenem Druck liefert. Die Luft niedrigen Druckes, auf der Abb. 2 vom Zylinder 6 geliefert, wird dazu verwendet, den Abgasrest aus der Brennkammer 5 zu entfernen, sobald die Treibgase bis auf etwa den Gegendruck am ersten Rade entspannt sind und das Düsenventil io geschlossen ist. Diese Luft tritt durch Ventil 13 ein, der Abgasrest aber verläßt die Kammer durch das Auslaßventil 14., von wo die Gase z. B. zum zweiten Rad 3 geführt werden, um auch noch ihre restliche Energie arbeitsleistend abzugeben. Ist die Kammer von den Abgasresten befreit und mit frischer Brennluft gefüllt, so schließen, die beiden Ventile 13 und 1q., und es beginnt das Nachladen mit Luft und Brennstoff höheren Drukkes. Die Luft wird nun aus dem zweiten Zylinder ; des Verdichters entnommen und durch besondere Nachladeventile 15 in die Brennkammer gepreßt. Im Strome der Nachladeluft befinden sich auch die Brennstoffdüsen 16, durch die der Brennstoff in feinster Verteilung eingebracht wird. Bei dem gezeichneten Beispiel sind die Brennstoffdüsen für das Öl bestimmt. Bei Anwendung von Gasen oder Kohlenstaub werden diesen Brennstoffen angepaßte Einrichtungen vorgesehen. Der Druck, mit dem die Nachladeluft in die Kammer geblasen, wird, soll wesentlich, mindestens zweimal so hoch sein wie der Druck, den, die bereits in der Kammer befindliche Luft aufweist, oder, da der Verpuffungsdruck für Leistung und Wirkungsgrad der Anlage maßgebend ist, mit anderen Worten: es soll die zur Verdrängung des Abgasrestes und zur ersten Ladung dienende Luft weniger als die Hälfte des den Verpuffungsdruck bestimmenden Nachladedruckes haben. Der Grund hierfür liegt, wie eingangs erwähnt, darin, daß durch diese Maßnahme eine tiefere Expansion der heißen Treibgase in der Kammer und somit eine größere Leistung und vor allem tiefere Gastemperaturen am ersten Rad erreicht werden, so daß die Gase, die das zweite Rad beaufschlagen, gar nicht und nur wenig gekühlt werden müssen. Für diese Kühlung ist im vorliegenden Beispiel der Behälter 17 vorgesehen, in welchem sich Rohrschlangen 18 befinden, die z. B. als Überhitzen für den aus dem Kühlwasser erzeugten Dampf dienen. Eine Niedrighaltung des Enddruckes der ersten Expansion ermöglicht auch eine leichtere Spülung der Kammern und bessere Gemischbildung. Der Hauptvorteil liegt aber in der geringeren Verdichtungsarbeit, da nun der größere Teil der Luft nur wenig verdichtet werden muß, was mit gi@tein Wirkungsgrad erfolgen kann, dagegen die Luftmenge, die zur Erreichung hoher Verpuffungsdrücke auf einen hohen 'Nachladedruck zu bringen ist, nur noch klein ist.

Claims (1)

  1. PATENTAN SPRUCH Verfahren zum Betrieb von Verpuffungsturbinen mit einer oder mehreren Verpuffungskainmern, in denen sich an die Spülung und die damit verbundene erste Ladung eine zweite Ladung unter höherem Druck anschließt und die zwei hintereinandergeschaltete Laufradstufen speisen, von denen die erste als. reine Verpuffungsturbine arbeitet, während die zweite dauernd vorn Treibgas der ersten mit weniger schwankendem Druck beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung in den Verpuffungskammern bis auf einen Druck von etwa 2,5 bis 3,5 ata heruntergeführt wird, der auch vor der zweiten Laufradstufe herrscht, und daß die im Anschluß an die angenähert unter dem gleichen Druck vor sich gehende Spülung und erste Ladung (Vorladung, 4 bis 5 im Diagramm) erfolgende zweite Ladung (Nachladung, 5 bis 6 im Diagramm) einen Endladedruck ergibt, der mindestens gleich dem doppelten Druck der Vorladeluft (z. B. 6 bis io ata) ist.
DE1930595537D 1930-12-12 1930-12-12 Verfahren zum Betrieb von Verpuffungsturbinen Expired DE595537C (de)

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DE595537T 1930-12-12

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE942235C (de) * 1951-12-24 1956-04-26 Schilling Estate Company Verfahren und Vorrichtung zum Betriebe Feuergase durch Verpuffungen herstellender Treibgaserzeuger
DE943440C (de) * 1953-01-25 1956-05-17 Habil Fritz A F Schmidt Dr Ing Auslasssteuerung aus intermittierend arbeitenden Brennkammern fuer Flugzeugduesentriebwerke, Pulso-Triebwerke oder Gasturbinen
DE956821C (de) * 1951-12-24 1957-01-24 Schilling Estate Company Verfahren zum Betriebe Feuergase durch Verpuffungen herstellender Treibgaserzeuger und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens
DE962841C (de) * 1951-12-24 1957-04-25 Schilling Estate Company Verfahren zum Betriebe Feuergase durch Verpuffungen herstellender Treibgaserzeuger und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE962841C (de) * 1951-12-24 1957-04-25 Schilling Estate Company Verfahren zum Betriebe Feuergase durch Verpuffungen herstellender Treibgaserzeuger und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens
DE943440C (de) * 1953-01-25 1956-05-17 Habil Fritz A F Schmidt Dr Ing Auslasssteuerung aus intermittierend arbeitenden Brennkammern fuer Flugzeugduesentriebwerke, Pulso-Triebwerke oder Gasturbinen

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