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Gasturbine Es ist der Vorschlag bekannt, das Treibmittel einer Gasturbine
in umlaufenden, radial angeordneten Zylindern mittels frei beweglicher, von der
Fliehkraft angetriebener Kolben zu verdichten und die Zurückführung der Kolben in
ihre Ausgangslage von der Verpuffung bewirken zu lassen, die am Ende der Verdichtung
stattfindet. Manche Gasturbinenvorschläge enthalten Brennkammern am Umfang eines
umlaufenden Verdichters. Andere Vorschläge enthalten radial nach innen gerichtete,
der Beaufschlagung von Laufrädern dienende Düsen, die feststehend angeordnet sind.
Weiterhin ist die Umsetzung der Treibmittelenergie mittels des Führungsdruckes in
einem Laufrad mit rein radialen düsenartigen Kanälen bekannt.
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Die nachstehend beschriebene Gasturbine vereinigt in sich eine Reihe
baulicher Vorschläge, von denen mehrere Verbesserungen gegenüber vorstehend bezeichneten
Einrichtungen vorstellen und die im übrigen bisher nicht in der hier angewandten
Zusammenfassung vorgeschlagen wurden. -Die Erfindung' betrifft eine Gasturbine,
deren wesentliche Bestandteile ein Fliehkolbenverdichter, ein Ringsammelraum, gegebenenfalls
Brennkammern sowie umlaufende Düsen zur Beaufschlagung eines Führungsdrucklaufrades
besonderer Ausführung sind, und besteht darin, daß die mit taktmäßig arbeitenden
Zugstangen ausgerüsteten Verdichterkolben Verbrennungsluft, Gas-Luft-Gemisch oder
durch Verpuffung gespanntes Treibmittel in einem am Umfang des Verdichters liegenden,
allen Zylindern gemeinsamen, umlaufenden Ringsammelraum fördern, der mit radialen
Ausströmdüsen verbundene Kammern speist, die bei Verwendung von noch nicht verbranntem
Arbeitsmittel als Brennkammern dienen, wobei die Ausströmdüsen mit dem Verdichter
umlaufen, oder welcher Ringsammelraum selbst mit solchen umlaufenden Ausströmdüsen
zur unmittelbaren Beaufschlägung eines Arbeitslaufrades versehen ist, wobei die
radial nach innen gerichteten düsenartigen Kanäle des Arbeitslaufrades eine von
der Differentialgleichung des Führungsdruckes für beste Treibmittelausnutzung vorgeschriebene
Krümmung besitzen.
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Der Gegenstand der Erfindung geht aus den Fig. A, B - und C der Zeichnung
beispielsweise hervor, wobei Fig. A den .Längsschnitt, Fig. B den Ouerschnitt der
Gasturbine und Fig. C einen- Teilquerschnitt ,des Arbeitsrades vorstellen.
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Der Fliehkolbenverdichter der Gasturbine
arbeitet
folgendermaßen: Das Verdichtergehäuse r enthält eine größere Zahl radialer Zylinder
z, in denen sich- die Fliehkolben 3 bewegen. Beim Umlauf des Verdichters haben die
Kolben unter der Wirkung der Fliehkräft: das Bestreben. sich nach dem äußeren Zy
Kr,,-derende zu zu bewegen. Sie leisten dabei eine? Verdichtungsarbeit. Um die Kolben
nach innen in ihre Ausgangslage zurückzuholen, greifen an ihnen Zugstangen 3° an,
die am anderen Ende zu einem gemeinsamen, exzentrisch angeordneten Zapfen 3b führen
und mit diesem verbunden sind. Beim Umlauf des Verdichters ergibt sich so ein taktmäßiges
Spiel der Kolben, indem diese in gleichmäßigen, von der Drehzahl des Verdichters
abhängigen Zeitabständen Verdichtungshübe leisten und von den Zugstangen zurückgeholt
werden. Kennzeichnend für den Vorgang ist, daß infolge des überwiegenden Einflusses
der Kolbenfliehkräfte die Stangen 3" im Betrieb ständig auf Zug beansprucht
sind. Ein derartiger Verdichter ist schon bei mäßigen Umlaufgeschwindigkeiten der
Kolben in der Lage, hohe Verdichtungsdrücke auszuüben.
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Gegenüber dem bereits bekannten Vorschlag der Verwendung freier Fliehkolben
besitzt die Erfindungsanordnung den Vorteil der taktgemäßen Steuerung der Kolbenhübe
und der genau vorgeschriebenen Kolbengeschwindigkeiten, wobei schlagartige Geschwindigkeitsänderungen
vermieden sind. Sie besitzt weiter den Vorteil, dnß man durch Drehung der Kurbelwelle,
die den Zugstangenzapfen trägt, die Anzahl der Kolbenhübe pro Umdrehung des Verdichters
steuern und durch Gegenläufigkeit von Kurbelwelle und Verdichterrad die Zahl der
Verdichtungshübe beliebig erhöhen kann, ein Vorgang, der einer Leistungsregelung
gleichkommt. An Stelle der Kurbel kann auch eine Exzenterscheibe treten, um die
ein Ring gelegt ist, an dem die Zugstangen angreifen.
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Die Beanspruchung der Fliehkolben unterscheidet sieh in einer Hinsicht
von der von l@ol#ben in üblichen ortsfesten Zylindern: Die Fliehkolben sind bei
ihrer Hinundherbewegung nicht unwesentlichen seitlichen Kräften ausgesetzt, die
sich aus dem Führungsdruckgesetz ergeben. BeimHinauslaufen wird der Kolben entgegen
der Drehrichtung, beim Zurückholen in Drehrichtung an die Zylinderwand gepreßt.
Erfordert eine Gasturbine vorliegender Bauart, die mit einem höheren Verdichtungsdruck
arbeiten soll, etwas schwerere Kolben, dann können diese seitlichen Kräfte eine
zu hohe Abnutzung der Kolbenringe und Zylinderwände zur Folge haben. Zur Beseitigung
dieser Schwierigkeit, die unter Umständen auftreten kann, bietet sich im Rahmen
vorliegender Anordnung eine besondere bedeutungsvolle Möglichkeit: Man baut die
Kolben nicht schwerer, als es die seitliche Beanspruchung zuläßt, und unterstützt
die Kolbenfliehkraft durch Flüssigkeitsmengen, mit .denen man den Raum hinter den
Kolben aus-@.füllt. Auch verdichtetes Gas kommt hierfür *in Frage. Beispielsweise
kann der ganze Kurbelraum einschließlich der in die Zylinder mündenden Räume bis
zu den Kolben mit 01 oder einer anderen Flüssigkeit gefüllt sein. Läuft der Verdichter
um, dann drücken die der Fliehkraft unterworfenen Flüssigkeitsmengen auf die Kolben.
Die Bewegung der Flüssigkeit wird von den Kolben gesteuert: Bewegt sich ein Kolben
nach außen, dann eilt, angetrieben durch die Fliehkraft, die am Kolben befindliche
Flüssigkeit hinter ihm her und unterstützt ihn in seiner Verdichtungsarbeit. Wird
der Kolben zurückgezogen, so wird damit gleichzeitig die Flüssigkeit zurückbefördert.
Da der für die Flüssigkeit im Kurbelraum verfügbare Gesamtraum stets gleich ist,
bleibt der Zusammenhang der den Kurbelraum füllenden Flüssigkeit erhalten. Durch
eine derartige Anordnung werden die Seitenkräfte auf eine größere Fläche verteilt,
womit noch der Vorteil verbunden ist, daß die Flüssigkeit selbst überhaupt praktisch
keinen Reibungsverlust und damit keine Abnutzung der Zylinderwände verursachen kann.
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Aus den Zylindern tritt der verdichtete Stoff über Ventile j in einen
allen Zylindern gemeinsamen ringförmigen Sammelraum über, der zum.Verdichterrad
gehört und mit ihm umläuft. Dieser Ringsammelraum dient dem Druckausgleich.
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Wird die Gasturbine mit Gleichdruckverbrennung des Gemisches betrieben,
so erfolgt in den Zylindern nur die Verdichtung. Der verdichtete Stoff - es kann
sich hierbei um Verbrennungsluft oder um Gas-Luft-Gemisch handeln - wird von den
Kolben durch die Ventile in den Ringsammelraum ausgeschoben. Von hier gelangt er
zu Brennern 611, die in besonderen, ebenfalls umlaufenden Brennkammern 6 münden.
Hier brennt der Treibstoff in bekannter Weise bei gleichbleibendem Druck ab und
entspannt sich durch die anschließenden Ausströmdüsen.
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Bei Anwendung des Verpuffungsbetriebes wird Gemisch verdichtet oder
im Dieselverfahren Brennstoff in die Zylinder eingespritzt. Die Verpuffung erfolgt
in der bei Kolbenkraftmaschinen üblichen Form nahe der äußeren Endlage der Kolben
im Zylinderkopf. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, läßt man das
gespannte Treibgas nicht mit dem Verpuffungsenddruck in den Ringsammelraum übertreten,
sondern man läßt die Kolben noch einen Augenblick weiterverdichten und den Ausschub
des Treibgases
nach dem Ringsammelraum unter einem gegenüber dem
Verpuffungsenddruck etwas erhöhtem Druck erfolgen. Durch entsprechende Zeitstaffelung
von Verpuffung und dem Öffnen des Ausschubventils 5 läßt sich ein solcher Vorgang
unschwer erreichen.
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Diese Nachverdichtung des bereits gespann= ten Treibmittels leistet
der Fliehkolben bei seiner hohen Kraftreserve und bei seiner praktisch ungehemmten
Durchzugskraft ohne weiteres. Da der Ausschub in sehr kurzer Zeit erfolgt und hierbei
ein Druckverlust kaum auftritt, so herrscht also beim Verpuffungsverfahren im Ringsammelraum
ein Druck, der im Mittel etwas höher ist als der Verpuffungsenddruck.
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Aus den umlaufenden Brennkammern oder aus dem Ringsammelraum unmittelbar
gelangt das Treibmittel in die Ausströmdüsen 7, die ebenfalls zum Verdichterrad
gehören und mit ihm. umlaufen. Die Ausströrndüsen sind radial nach innen gerichtet
und im Auslauf gekrümmt. Ihr Querschnittsverlauf richtet sich nach dem Strömungsverlauf
des Treibmittels, wie er sich aus dem Gegeneinanderwirken von Ausdehnung, Fliehkraft,
Umlenkung und Gegendruck ergibt. Nach dem Gesetz des Führungsdruckes übt das Treibgas
beim Durchströmen der Ausströrndüsen eine Antriebskraft auf diese aus, wozu noch
die beim Austritt aus den Düsen entstehende Rückstoßkraft des Gases kommt. Der hierdurch
gewonnene Drehantrieb reicht zum Betrieb des Verdichterrades gut aus, d. h. die
in den Ausströmdüsen gewonnene Treibgasarbeit ermöglicht mindestens die Deckung
der Verdichtungsarbeit.
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Die Ausströmdüsen dienen ferner zur Beaufschlagung des ersten Arbeitslaufrades,
dessen Drehsinn dem des Verdichters entgegengesetzt ist. Als erstes Arbeitslaufrad
ist ein Düsenrad _gewählt, dessen radiale Düsen oder Kanäle 8 erfindungsgemäß eine
gekrümmte Form haben, und zwar derart, daß in der für den Führungsdruck grundlegenden
Gleichung
die die relative Winkelgeschwindigkeit verkörpernden Größen
-und die bei rein
radialer Strömung zu o werden, -einen bestimmten, beabsichtigten, gesetzmäßig sich
über die ganze Länge der Düse (einschließlich Ein- und Auslauf) ändernden Wert erhalten,
der wiederum ein günstigstes dP an jedem Punkt der Düse zur Folge hat. Die Krümmung
wird dann ähnlich, wie in Fig. B gezeichnet. Es wirken somit in jeder Düse zwei
Kräfte, der reine Führungsdruck und eine Umlenkungs#,raftr .die sieh aus
und
ergibt. Die Strömungsenergie des Treibmittels wird also hier über diese beiden Kräfte
zugleich in mechanische Arbeit umgesetzt. Weiterhin ergibt sich der Vorteil der
stoßfreien Überleitung des Treibmittels.tromes von den Ausströmdüsen nach den Arbeitsdüsen.
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In vielen Fällen wird die Gasenergie in einem einzigen Arbeitsrad
nicht voll ausgenutzt werden können. Es kommen daher meist mehrere Arbeitsräder,
mehrere hintereinandergeschaltete Stufen in Frage. In der Abbildung ist eine Turbine
mit zwei Stufen gezeichnet. Ihre Reihe kann man sich um eine beliebige Anzahl erweitert
denken. Mit Rücksicht auf die erhöhte Durchsatzmenge des Treibgases gegen Ende des
Arbeitsvorganges und wegen der Schwierigkeit, große Gasmengen in Führungsdruckdüsen
zu bewältigen, können als Endstufen auch eine Schaufelstufe oder mehrere Schaufelstufen
üblicher Anordnung gewählt werden, da hier das Treibgas keine für Schaufeln gefährliche
Temperatur besitzt.
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Es ist auch eine Ausführungsform denkbar, bei der das erste Arbeitsrad
mit dem Verdichterrad baulich vereinigt ist, und wobei die Ausströmdüsen unmittelbar
in die Arbeitsdüsen übergehen. In diesem' Fall besitzen Verdichter und Arbeitsräder
gleichen Drehsinn und können auf einer gemeinsamen Welle untergebracht werden.
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Nach völliger Entspannung des Treibgases in den dafür erforderlichen
Stufen wird das Abgas aus der Turbine weggeleitet. Die dem Abgas noch innewohnende
Temperatur kann anderweitig in zweckmäßiger Form verwertet werden.
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Zur überwindung der Temperaturschwierigkeiten von Gasturbinen ist
vorgeschlagen worden, die durch die Erhitzung besonders stark betroffenen Teile,
die Turbinenschaufeln, dadurch gegen Fliehkräfte widerstandsfähiger zu machen, daß
man ihnen einen Halt durch Bauteile gibt, die der Erwärmung möglichst entzogen sind.
Ferner sind Anordnungen bekannt, bei denen diejenigen Flächen der Schaufeln, die
der Erhitzung durch den Gasstrahl unmittelbar ausgesetzt sind, durch Verkleiden
mit feuerfestem Baustoff geschützt werden. Mit Hilfe derartiger Maßnahmen kann jedoch
den Temperaturschwierigkeiten jeweils nur zum Teil begegnet werden.
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Dies Verwendung von Düsenlaufrädern ermöglicht im Rahmen vorliegender
Erfindung nicht nur eine wirtschaftliche Energieumsetzung, ein Düsenlaufrad stellt
gleichzeitig eine Laufradbauart vor, die hinsichtlich
der Bewältigung
der Temperaturschwierigkeiten besonders günstige- Voraussetzungen bietet.
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Die Erfindung betrifft dementsprechend weiterhin ein Düsenlaufrad,
das im weseitlichen in zwei Bauteile zerfällt, in einen Tragkörper zur Aufnahme
der mechanischen Beanspruchungen und in die eigentlichen Düsen, die der Erhitzung
durch Gasstrom unmittelbar ausgesetzt sind. Letztere sind in den Tragkörper so eingebettet,
daß sie soweit wie möglich von der Beanspruchung durch Flieh-und Antriebskräfte
entlastet sind, mit anderen Worten, sich nicht selbst zu tragen brauchen, wie das
bei Turbinenschaufeln der Fall ist. Um zu verhindern, daß ein Wärmeübergang von
den Düseneinsatzstücken nach dem Tragkörper stattfindet, sind beide Teile voneinander
durch eine Wärmeschutzschicht getrennt.
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Fig. C zeigt den Querschnitt durch einen Teil des Düsenlaufrades,
wie es beispielsweise gebaut sein kann. Die Düseneinsatzstücke 9 sind durch eine
Zwischenschicht io von dem z. B. als Scheibe gleicher Festigkeit ausgebildeten Tragkörper
i i getrennt. Die Übertragung der auf die Düsen wirkenden Kräfte auf den.Tragkörper
geschieht durch zahnförmiges Ineinander,-reifen beider Bauteile. Die Zwischenschicht
kann aus irgendeinem wärmeschützenden und wärmebeständigen Stoff, z. B. gepreßten
Asbest, bestehen.
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Die beschriebene Düseneinsatzbauart besitzt gegenüber den eingangs
erwähnten bekannten Vorschlägen den Vorteil, daß mit ihr gleichzeitig alle wichtigen
Forderungen, die bei dem Bau eines Gasturbinenlaufrades auftreten, erfüllt werden
können. Es wird mit ihrer Hilfe nicht nur der tragende Teil des Laufrades vor einer
seine Festigkeit herabsetzenden Erwärmung bewahrt und die Möglichkeit der Verwendung
von besonders temperaturfestem Baustoff an den Stellen der höchsten Temperaturbeanspruchung
geschaffen. Die Art der Einfügung der Düseneinsatzstücke in den Laufradkörper besitzt
überdies eine ganz besondere Eignung, diese von den auf sie wirkenden Fliehkräften
'zu entlasten und die Fliehkräfte auf die tragenden Teile überzuleiten. Die Besonderheit
besteht darin. daß die Entlastung und Überleitung gleichmäßig verteilt über die
gesamte Außenfläche der Düseneinsatzstücke erfolgt. Dadurch entsteht eine niedrige
spezifische Fliehkraftbeanspruchung der Düseneinsatzstücke und eine genügende mechanische
Sicherheit auch bei hohen Temperaturen. Die mechanische Entlastung der die hohen
Temperaturen aufneh menden Laufradteile ist also eine höhere als mit bisher bekannten
Mitteln erreichbar. Ein Fortschritt ist auch durch die Möglichkeit gegeben, eine
Zwischenschicht anzuwenden, die in der Lage ist, infolge ihrer allseitigen festen
Einschließung und der großen Auflageflächen beliebige Kräfte zu übertragen, dagegen
den Wärmeabfluß von den Düseneinsatzstücken nach außen stark begrenzt, wodurch eine
Ersparnis an Verlusten erzielt und eine Selbstkühlung der Gasturbine ermöglicht
wird. Bei der großen Empfindlichkeit des Gasturbinenwirkungsgrades gegen Wärmeverluste
sind die beiden zuletzt genannten Eigenschaften von erheblicher Bedeutung. Trotz
seiner verschiedenen Bestandteile ist es leicht möglich, das Düsenfaufrad zu einer
festen Einheit zu gestalten.