DE648907C - Verfahren zum Betreiben von Verbrennungsturbinen sowie dazu bestimmte Turbinenanlage - Google Patents

Description

Verfahren zum Betreiben von Verbrennungsturbinen, bei denen die Verbrennung des Brennstoffes teilweise in der Strahldüse erfolgt, und dazu eingerichtete Turbinen sind S bekannt. Solche Verbrennungsturbinen mit einer Strahldüse, in welcher Luft und zerstäubter Brennstoff unter Druck zusammengebracht und verbrannt werden und bei denen gleichzeitig erstrebt wird, die Entspannung teilweise isothermisch verlaufen zu lassen, haben den Nachteil:

i. daß die Brennstoffmenge je Kilogramm verdichteter Luft durch die Wärmemenge beschränkt ist, die zugeführt werden muß, um die Entspannung teilweise isothermisch verlaufen zu lassen, wobei die obere Temperaturgrenze durch die Temperatur bestimmt wird, welche der Werkstoff der Strahldüse vertragen kann;

2. daß der Brennstoff der Luft an Stellen zugeführt wird, an denen die Gasgescrrwindigkeiten in der Strahldüse so groß sind, daß eine gute Mischung nicht möglich ist.

Um diese Nachteile zu beheben, wird erfindungsgemäß das Brennstoff-Luft-Gemisch vor dem Düseneinlaß zusammengestellt und in einer solchen Entfernung vor dem Düseneinlaß entzündet, daß in der Zeit, in der das Gemisch den Weg bis zum Düseneinlaßf zurücklegt,· nur ein Teil verbrennt, während der Rest in der Düse während der Entspannung unter Druckabnahme der Gase verbrennt.

Es sind bereits Verfahren zum Betrieb von Gasturbinen bekannt, bei denen die Verbrennungswärme des Brennstoffes in der Düse zugeführt wird. Dabei ist jedoch die Zufuhr des Brennstoffes stetig und in jedem Punkt nur so groß, daß die Verbrennung die Temperatur gleich erhält und die Entspannung demnach isothermisch verläuft. Solche Gasturbinen besitzen demnach ebenfalls die obenerwähnten Nachteile. *

Es sind auch bereits Turbinen bekannt, bei denen in dem Raum, der sich vor dem engsten Querschnitt der Strahldüse befindet, die ganze zugeführte Brennstoffmenge restlos vierbrennt. Bei diesen Einrichtungen ist die Brennstoffmenge je Kilogramm Luft wieder durch die Temperatur bestimmt, welcher der Werkstoff ausgesetzt werden kann.

Wenn jedoch, wie es gemäß der Erfindung geschieht, die Verbrennung teilweise in dem sich erweiternden Teil der Strahldüse erfolgt, so wird der Temperaturerhöhung infolge der durch die Verbrennung erzeugten Wärmezufuhr durch die durch die Entspannung erfolgende Temperaturabnahme entgegengearbeitet. Es wird dann möglich, ohne Beeinträchtigung des Werkstoffes der Strahldüse den Brennstoff mit einem Mindestüberschuß an Luft zu verbrennen, was zur Erlangung eines günstigen Nutzeffektes der Verbrennungsturbine von der größten Bedeutung ist. Die Entspannung braucht dabei nicht iso-

thermisch zu verlaufen; dieses würde sogar, wie nachstehend nachgewiesen wird, schädlich sein.

Aus dem ersten Hauptsatz der Thermqdynamik ist herzuleiten, daß das Endergebnis der Wärmezufuhr in den beiden nachstellen» den Fällen das gleiche sein kann:

a) die Wärmezufuhr erfolgt, bevor die Umwandlung von Druckenergie in kinetische

ίο Energie anfängt (also unter gleichbleibendem Druck), wonach die Entspannung adiabatisch verläuft,

b) die Wärmezufuhr erfolgt während oder gar nach der Unnvandlung von Druckenergie in kinetische Energie. Es ist hierbei nur Bedingung, daß während dieser Energieumwandlung keine andere äußere Arbeit durch das Gas geleistet wird und alle erhaltene kinetische Energie im Gas erhalten bleibt; es kann dieses durch die Wahl einer richtigen Düsenform für die Strahldüse erzielt werden.

In beiden Fällen sind kinetische Energie

und Endtemperatur des sich ergebenden Strahles gleich. Während demnach der Endquerschnitt der Strahldüse für den Fall a und den Fall b der gleiche ist, muß im Falle a der engste Querschnitt beträchtlich größer sein als im Falle b.

In beiden Fällen ist die je Kilogramm Luft zu verbrennende Brennstoffmenge nur durch die Möglichkeit einer völligen Verbrennung begrenzt, im Gegensatz zu einem Verfahren, bei dem die Entspannung teilweise isothermisch verläuft. Während jedoch im Fall a bei Verbrennung mit einem Mindestüberschuß an Luft die Temperatur so hoch ansteigen würde, daß zum Schutz des Werkstoffes des Verbrennungsraumes ein großer Teil der Wärme durch Kühlung abgeführt werden müßte, kann im Fall b durch richtige Formgebung der Strahldüse die Temperatur so niedrig gehalten werden, daß keine Wärme durch Kühlung abgeführt zu werden braucht. Der thermische Nutzeffekt für die Fälle a und b ist der gleiche. Wiewohl demnach der Vorgang b innerhalb verhältnismäßig enger Temperaturgrenzen zustande kommt, ist der, Nutzeffekt demjenigen des Vorganges a gleich, bei welchem die obere Temperaturgrenze viel zu hoch liegt, um praktisch ausführbar zu sein, und auch höher als der Nutzeffekt eines Carnotprozesses, welcher durch eine viel niedrigere höchste Temperaturgrenze bedingt ist als der Fall a.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist als Beispiel auf der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt diese beispielsweise eine vollständige Turbinenanlage.

Der Verdichter c fördert die Druckluft in die Verbrennungsstrahldüse s, in welcher der durch die Brennstoffpumpe ο zugeführte Brennstoff zerstäubt wird und in der oben beschriebenen Weise verbrennt. Die Strahldüse j bildet einen Teil einer Strahl Vorrichtung g. -Bei dem in der Zeichnung dargef-3^ell.ten Beispiel ist diese Vorrichtung eine •.jajfnjaufende, in welcher das in den umlaufenden Kanälen befindliche Gas durch den aus der Düse s kommenden Gasstrahl verdichtet und ausgestoßen wird. Die Strahlvorrichtung T> saugt die aus dem Auslaßt der Turbine t ausströmenden Gase über eine Kühlvorrichtung k ab, und das andere. Ende der Strahlvorrichtung steht mit dem Einlaß der Turbine in Verbindung. Die angesaugte Gasmenge wird in der Strahlvorrichtung mit den Verbrennungsgasen aus der Strahldüse J gemischt, so daß die ausströmende Gasmenge größer ist als die angesaugte. Der Überschuß muß als Auspuffgas in die Außenluft entweichen. Die Anordnung des Auslasses für die Auspuffgase hängt von dem benutzten Verfahren ab. Bei der Anordnung, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, ist angenommen, daß die Strahlvorrichtung am Auslaß der Turbine einen Unterdruck erzeugt und der Gasdruck hinter der Strahlvorrichtung dem atmosphärischen Druck entspricht, wobei die Gasgeschwindigkeit nicht höher ist, als für die Gasförderung erforderlich. Wird dem ange- 9» saugten Gas in der Strahlvorrichtung jedoch ein Überschuß an Energie zugeführt, sei es in Form einer großen Geschwindigkeit oder als Überdruck über den Atmosphärendruck, so kann die durch die Strahlvorrichtung gelieferte Gasmenge diesen Überschuß an Energie erst an den ersten Teil der Turbine abgeben, worauf die für den Kreislauf überflüssige Gasmenge unter atmosphärischem Druck und mit kleiner Geschwindigkeit entweicht.

Während der Mischung der aus der Turbine angesaugten Gase mit den Verbrennungsgasen im Strahlsauger findet' auch eine Wärmeübertragung von den heißen Verbren- ><>5 nungsgasen auf die gekühlten angesaugten Gase statt. Wenn die Arbeitsgase den Kreislauf durch die Turbine, den Kühler und die Strahlvorrichtung ausführen, wird der Nutzeffekt der ganzen Anordnung verbessert. Die Entspannung in der Turbine bei hoher Temperatur liefert nämlich eine größere Energiemenge als die Verdichtung der gleichen Menge in der Strahlvorrichtung bei gleichem Druckgefälle, jedoch ausgehend von einer niedrigeren Anfangstemperatur, als die Endtemperatur nach der Entspannung beträgt. Die Turbine selbst kann beliebig, z. B. als Druckturbine, Überdruckturbine usw., ausgeführt werden. iao

Es ist nicht erforderlich, daß die Energie für eine Maschine nur durch eine einzige

Strahlvorrichtung geliefert wird; besonders für hohe Leistungen wird es sich empfehlen, mehrere Strahlvorrichtungen anzuwenden, die entweder parallel oder in Reihe arbeiten. können. Der Verdichter kann unmittelbar" durch die Hauptturbine oder durch eine be* sondere Turbine oder irgendeine andere Kraftmaschine angetrieben werden. Auch können mehrere Verdichter zusammen die für

ίο eine Hauptmaschine erforderliche Verbrennungsluft liefern. Bei nur teilweiser Belastung kann dann ein Teil der Verdichter und gegebenenfalls ein Teil der Strahlvorrichtungen außer Betrieb gesetzt werden.

Als Brennstoff kann flüssiger, gasförmiger oder fester Brennstoff, z. B. Staubkohle, Verwendung finden.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zum Betreiben' von Verbrennungsturbinen, bei denen die Verbrennung des Brennstoffes teilweise in der Strahldüse erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoff-Luft-Gemisch vor dem Düseneinlaß zusammengestellt und in einer solchen Entfernung vor dem Düseneinlaß entzündet wird, daß in der Zeit, in der das Gemisch den Weg bis zum Düseneinlaß zurücklegt, nur ein Teil ■ verbrennt, während der Rest in der Düse während der Entspannung unter Druckabnahme der Gase verbrennt.
2. 2. Verbrennungsturbinenanlage zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Verbrennungsstrahldüse, die den Auslaß einer geschlossenen Druckkammer bildet, die mit· Einlaßöffnungen für den Brennstoff und die Verbrennungsluft versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffeinlaß in so geringer Entfernurig von dem engsten Querschnitt der Düse angeordnet ist, daß die Verbrennung in der Druckkammer nur teilweise stattfindet und erst in dem sich erweiternden

   * Teil der Düse beendet wird.

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3. 3. Verbrennungsturbinenanlage nach

   - Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsstrahldüse als Düse einer Strahlvorrichtung für die treibenden Gase dient, die die Gase vom Auslaß der Türbine ansaugt, einen Unterdruck am Tür- , binenaüslaß hervorruft,. und eine gleichbleibende Gasmenge, die aus einem Teil der angesaugten Gase und einem Teil der Verbrennungsgase aus der Verbrennungsstrahldüse gebildet wird, im Kreislauf durch die Turbine, den Kühler und die Strahlvorrichtung hindurchgeführt wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen