-
Verdichteranlage für Druckfeuerung von Dampferzeugern oder Aufladung
von Brennkraftmaschinen Es ist bekannt, zum Zwecke der Leistungserhöhung sowohl
die Arbeitszylinder der Brennkraftmaschinen wie die Feuerräume von Dampfkesseln
aufzuladen, d. h. das Brennstoff-Luft-Gemis-ch unter einem Druck zuzuführen, der
wesentlich höher ist als der Druck der Umgebung. Man hat für diese Aufladung auch
schon die verschiedenen bekannten Verdichterbauweisen angegeben und für den Antrieb
des Verdichters eine Gasturbine, die ihre Energie aus den Heizgasen der aufgeladenen
Maschine selbst entnimmt. verwendet. Handelte es sich um ganz niedrige Aufladedrücke,
so gingen Vorschläge auch dahin, die Brennluft durch die bekannten Schraubenventilatoren
oder Axialgebläse anzuliefern. Bedingung ist für jede! Aufladeart, daß die Anlage
einfach und billig ist und auf eine besondere Regelung der Gasturbinenverdichtergruppe
verzichtet werden kann. Dies ist im allgemeinen auch der Fall, da sich nämlich die
erforderliche, vom Verdichter zu liefernde Luftmenge@für eine bestimmte Belastung
der Brennkraftmaschine oder des Dampferzeugers selbsttätig einstellt, indem z. B.
bei Belastungsabnahme die Regelvorrichtung des Dampferzeugers oder Motors die Brennstoffpumpe
auf geringere Fördermenge einstellt und dadurch bei zunächst unveränderter Luftmenge
erhöhter Luftüberschuß eintritt, der eine Erniedrigung der Abgastemperatur zur Folge
hat. Diese bedingt wieder eine Leistungsverminderung der Turbine, wodurch die Drehzahl
derselben abnimmt. Der Verdichter liefert nun weniger Luft, so daß die Abgasternperatur
wohl wieder zunehmen kann, die Leistung der Gasturbine aber wegen der verringerten
Abgasmenge vermindert bleibt. Bei Belastungszunahmen ist der Vorgang umgekehrt.
Jeder Belastung des Kessels oder des Motors entspricht also eine bestimmte Drehzahl
des Gasturbinen-Verdichtersatzes. Damit der Betrieb aber auch wirtschaftlich bleibt,
soll sich das Mischungsverhältnis von Luft und Brennstoff für weite Regelbereiche
möglichst wenig ändern. Dies setzt aber voraus, daß der Drehzahl-, Druck- und Fördermengenverlauf
des Verdichters ganz besonderen Bedingungen genügt, so daß sich bei Widerstandsänderungen,
die infolge Betriebsunregelmäßigkeiten in den von den Heiz- oder Treibgasen durchlaufenen
Strömungswegen auftreten können, keine zu großen Abweichungen von der richtigen
Fördermenge und vom Bereich des besten Wirkungsgrades ergeben.
-
Es hat sich nun gezeigt, daß sich die gestellten Bedingungen fast
restlos erfüllen lassen, wenn man die abgasturbinengetriebenen Verdichter für die
erwähnten Anwendungen als mehrstufige Axialverdichter mit vornehm-]ich tragdeckähnlichen
Schaufelprofilen ausführt. Ein- und zweistufige Axialverdichter wurden bereits früher
zur Lieferung großer Luftmengen, z. B. als Grubenventilatoren oder Luftventilatoren
für Feuerungen, verwandt
und dabei durch Elektrotnotoren oder Dampfturbinen
angetrieben. Für den vorliegenden Zweck genügen aber die mit ein bis zwei Stufen
ausgerüsteten Axialgebläse nicht, da sie weder genügend hohen Druck abzugeben vermögen.
noch den steilen Verlauf der Kennlinien: aufweisen, der für die vorliegende Anwendung
wesentlich ist. Abb. t zeigt einen Schnitt durch einen solchen Verdichter, der von
einer Gasturbine angetrieben ist. Es ist 1 der Rotor der Gasturbine, 2 der Rotor
des Verdichters. 3 ist das Gasturbinengehäuse, .I das Verdichtergehäuse. Die Gase
treten bei 5 ein und verlassen die Turbine bei 6. 7 ist ein Überströmventil, das
zur Regelung oder als Sicherheitsventil verwendet wird. Die Luft wird bei 8 angesaugt
und geht durch Leitung g zur Verbrauchsstelle. Der Verdichter hat etwa 12 Stufen.
Zwei Stufen, d. h. zwei feststehende und zwei drehende Schaufelreihen, sind in etwas
größerem Maßstab in Abwicklung in Abb. 2 dargestellt. Die genaue Form solcher tragdeckähnlichen
Schaufeln ist aus Abb. 3 ersichtlich. Es kann die ganze Beschaufelung, sowohl im
drehenden wie feststehenden Teil, aus den gleichen Profilen bestehen und ebenfalls
durchweg gleiche Teilung und Winkel haben. Es können aber auch die Leit- und Laufschaufeln,
ihre Teilung und ihre Winkel verschieden sein. Gemeinsam ist dagegen die Ausbildung
der Schaufelform nach Art der Tragdecks von Flugzeugen. Der Verlauf der Druckvolumenkurve
eines mehrstufigen (mehr als drei Stufen aufweisenden) Axialverdichters mit derartigen
Schaufelprofilen ist nämlich in der Nähe seines besten Wirkungsgrades bedeutend
steiler als der Verlauf bei gewöhnlichen Radialverdichtern (Abb. 4. und 5). Ändert
sich bei zunächst unveränderter Drehzahl des Verdichters der Widerstand der zu bewegenden
Luftmenge, so kann vom Axialver dichter (Abb..a) wegen des bedeutend steileren Verlaufes
seiner Druckvolumenkurven ein wesentlich höherer Druck als unter gleichen Umständen
beim Radialverdichter aufgebracht werden, ohne daß sich die Fördermenge wesentlich
ändert. Da Brennkammer, Heizgasrohr e und Gasturbinendüsen beim druckgefeuerten
Dampferzeuger, ebenso wie die Arbeitszylinder, Ventilöffnungen, Rohrleitungen und
Gasturbinendüsen bei. der aufgeladenen Brennkraftmaschine, im allgemeinen sogenannt.e
konstante öffnungen darstellen. und daher Widerstand und Durchflußmenge fast dem
gleichen (paraholischen) Gesetz genügen wie Förderdruck und Förderleistung des Turboverdichters
bei gleichbleibendem Wirkungsgrad, so. kann sich Gasturbine und Verdichter, wie
eingangs erwähnt, selbsttätig auf die entsprechende Drehzahl und Luftmenge einstellen.
Es bleibt also auch bei Teillasten der sich einstellende Betriebspunkt in d:r Nähe
der Kurve besten Wirkungsgrades, 'wenn das Gebläse bei Vollast im besten Punkt gearbeitet
hat. In den Abb. ,I und 5 ist dies durch folgendes veranschaulicht. Es geben die
Abszissen die Fördermengen L', die Ordinaten die Förderdrücke P des Gebläses wieder.
Die Kurven A und .B zeigen die Drücke in Funktion der Fördermengen für verschiedene
Drehzahlen ia des Verdichters; die Kurven 17 sind die Kurven gleichen Wirkungsgrades.
Nach nahezu den gleichen Kurven verlaufen auch die Drücke und Förderleistungen,
wenn der Verdichter auf eine konstante Öffnung bei wechselnder Drehzahl arbeitet.
Ist der Verdichter nun so bemessen, daß er bei Normalleistung und normaler Drehzahl
den besten Wirkungsgrad erreichte, so wird er im allgemeinen auch bei anderen Drehzahlen
bzw. anderen Belastungen des Dampferzeugers oder der Brennkraftmaschine nicht viel
von der durch den Normalpunkt gehenden Wirkungsgradlinie abweichen. Es kann nun
aber vorkommen, daß zufällig oder aus bestimmten Betriebsgründen (z. B. bei Flak;
kern der Flamme, bei anderem Temperaturverlauf im Kessel oder Motor durch Verschmutzung
usw.) der Widerstand im System wechselt, so daß der gesetzmäßige Zusammenhang von
Druck und Fördervolumen gestört wird. Wird in diesem Falle ein Verdichter mit der
den Radialverdichtern meist eigentümlichen flach verlaufenden Charakteristik (Abb.
5) verwendet, so hat meist schon eine kleine Abweichung A p des Widerstandes im
System bzw. des sich-hieraus ergebenden Förderdruckes des Gebläses eine recht beträchtliche
Änderung des Fördervolumens (A v) zur Folge. Die Luftmenge, die jetzt für die Verbrennung
zur Verfügung steht, ist nicht mehr in Übereinstimmung mit der sich für die betreffende
Belastung einstellenden Brennstoffmenge, so daß das Mischungsverhältnis ungünstig
wird. Es ändert sich gleichzeitig aber auch die Abgasmenge, so daß die Leistung
der Gasturbine ungünstig beeinflußt sein kann.
-
Diesen schwerwiegenden Machteilen kann nun erfindungsgemäß dadurch
abgeholfen werden, daß man für den besonderen Betrieb, wie ihn druckgefeuerte Dampferzeuger
und aufgeladene Brennkraftmaschinen darbieten, mehrstufige Axialkompressoren verwendet,
deren Charakteristik so gestaltet werden kann (Abb. q.), daß sich auch bei verhältnismäßig
großen Widerstandsänderungen im System, d. h. größeren Förderdruckänderungen A p
des Gebläses, recht kleine Änderungen A v des Volumens ergeben. Die Abweichungen
der Luftmenge vom gesetzmäßigen Verlauf
sind dann nur ganz gering,
es kann damit auch das Mischungsverhältnis in der Brennkamnner des Dampferzeugers
oder in den Zylindern der Brennkraftmaschine ziemlich gleichbleibend erhalten werden.
Auch die Möglichkeit einer Gleichgewichtsstörung zwischen Verdichter und Gasturbine
ist vermindert.
-
Einen besonderen Vorteil bietet der mehrstufige Axialverdichter für
die erwähnten Anwendungen noch dadurch, daß er den Antrieb durch eine Überdruckturbine
besonders wirtschaftlich macht. Die spezifischen Drehzahlen beider Maschinen sind
einander gleich, es können also beide Maschinen mit ihren günstigsten Drehzahlen
laufen und ohne Einbau eines Getriebes gekuppelt werden. Die Möglichkeit, beliebig
viel Stufen zu verwenden, läßt auch die Verarbeitung größerer Gefälle zu. Bei den
bisher fast ausschließlich für Abgasturbinen verwendeten Aktionsrädern bereiteten
größere Gefälle meist dadurch große Verlegenheiten, daß solche Gefälle für ein Rad
meist zu groß, für zwei Räder aber zu klein waren. Die Überdruckturbine, die in
beliebiger axialer Ausdehnung billig gebaut werden kann, erlaubt viel leichter die
zweckmäßigste Stufenbemessung.
-
Bei einendiger Gasturbine und einendigem Verdichter «-erden beide
Läufer gegeneinand,ergeschaltet, so daß ein besonderer Druckausgleich. überflüssig
wird. Werden zwei Verdichter verwendet, wie es beispielsweise bei getrennter Verdichtung
von Luft und Gas erforderlich ist, so wird die Gasturbine doppelendig ausgeführt.
Diese Bauweise ist hier um so vorteilhafter, als die in der Turbine zu verarbeitende
Abgasmenge der Gasmenge beider Verdichter entspricht.