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Vorrichtung zum Erhöhen des Druckes von Verbrennungsgasen durch Erniedrigung
ihrer Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Zwecke, Verbrennungsgase von niedrigem Druck, jedoch hoher Temperatur und Geschwindigkeit
durch Mischung mit Flüssigkeiten oder anderen Gasen auf hohen Druck und niedrige
Temperatur und Geschwindigkeit zur Verwendung in Gasturbinen zu bringen.
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Um die Verbrennungsgase abzukühlen und sie so für die Ausnutzung in
Gasturbinen verwendungsfähig zu machen, ist es bekannt, die Gase durch Einspritzen
eines gasförmigen oder flüssigen Kühlmittels zu kühlen.. Es wurde jedoch auf diese
Weise nur eine Abkühlung der Verbrennungsgase erreicht, ohne daß es gelang, gleichzeitig
den Druck der Gase heraufzusetzen, obwohl das Kühlmittel an und für sich durch die
Erwärmung eine beträchtliche Volumenvergrößerung erfuhr.
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Es ist auch bekannt, das Brenngas mit Dampf zu mischen, der mit Hilfe
einer hohl ausgebildeten, umlaufenden Scheibe auf Druck und Temperatur gebracht
worden ist. Bei diesen bekannten Vorrichtungen wird jedoch der Druck des Gemisches
ausschließlich durch den Druck bestimmt, auf den der Dampf mittels der umlaufenden
Scheibe durch die Wirkung der Fliehkraft gebracht worden ist.
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Für die Übertragung eines Teiles der Wärme der Verbrennungsgase auf
das Kühlmittel ist an und für sich einige Zeit notwendig, der je nach der Geschwindigkeit
des Gasstromes ein bestimmter Weg entspricht. Bei den bekannten Vorrichtungen ergab
sich auf Grund dieses für die Übertragung der Wärme auf das Kühlmittel notwendigen
Weges ein derart großes Volumen, daß die durch die Erwärmung des Kühlmittels bedingte
Volumensteigerung keine nennenswerte Drucksteigerung des Gemisches zur Folge hatte.
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Die Erfindung hat sich vor allem die Aufgabe gestellt, diesen Mangel
zu beseitigen. Es sind also Mittel vorgesehen, um unter Aufrechterhaltung des unbedingt
notwendigen, verhältnismäßig langen Umwandlungsweges das Volumen derart zu vermindern,
daß sich eine Drucksteigerung des Gemisches auf Grund der Erwärmung des Kühlmittels
und, falls das Brennstoff-Luft-Gemisch vor dem Auftreffen auf die Umwandlungsscheibe
nur teilweise verbrannt ist, der weiteren Verbrennung des Brennstoffes ergibt.
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Erfindungsgemäß soll die Aufgabe dadurch gelöst werden, daß eine Umwandlungsscheibe
frei drehbar angeordnet ist, auf deren eine Fläche das mindestens schon teilweise
verbrannte Brennstoff-Luft-Gemisch durch
eine Düsenvorrichtung in
im wesentlichen tangentialer Richtung aufgeblasen wird, und daß das strömende Mittel
dem Gasstrome bei seinem Auftreffen auf die Umwandlungen; scheibe zugesetzt wird.
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Auf diese Weise wird der Gasstrahl zwungen, sich längs der radialen
Fläche de Umwandlungsscheibe in spiraligen Wegen nach außen zu bewegen. Nachdem
er die Umwandlungsscheibe verlassen hat, wird sich der Gasstrahl spiralig in axialer
Richtung nach den Austrittsöffnungen des Umwandlungsgehäuses zu weiterbewegen. Auf
diese Weise wird ein langer Umwandlungsweg bei geringem Volumen erreicht.
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Der Druck des Brenngas-Kühlmittel-Cxemisches wird nicht durch Fliehkraftwirkung,
sondern durch die Volumen- und Drucksteigerung erzeugt, die durch die Wärmeaufnahme
des Kühlmittels aus den Verbrennungsgasen und, falls -das 'Brennstoff-Luft-Gemisch
vor dem Auftreffen auf die Umwandlungsscheibe nur teilweise verbrannt ist, durch
die Nachverbrennung des Brennstoffes bedingt ist.
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Ein weiterer Mangel der bekannten Vorrichtungen besteht darin, daß
bei, der Mischung des Gasstromes mit dem Kühlmittel in beträchtlichem Maße zwischen
den einzelnen Teilchen .Stöße auftreten, die die Strömungsgeschwindigkeit zwar vermindern;
sie wird jedoch nicht in Druck, sondern in Wärme umgesetzt, die wiederum eine Erhöhung
der Kühlmittelmenge und eine Vergrößerung des notwendigen Umwandlungsweges zur Folge
hat.
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Erfindungsgemäß wird zur Behebung dieses . Mangels vorgeschlagen,
das strömende Kühlmittel von dem Innern der Umwandlungsscheibe aus in den Gasstrom
zu leiten, indem die Welle der Scheibe hohl ausgebildet und der mit dem Kühlmittelzufluß
in Verbindung stehende Hohlraum durch im wesentlichen radial verlaufende Kanäle
mit einer Anzahl von im gleichen Abstand von der Drehachse angeordneten Düsenöffnungen
verbunden ist.
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Das Kühlmittel ist auf irgendeine Weise dein hohlen Inneren der Welle
der Umwandlungsscheibe zuzuführen. Statt der einzelnen radialen Kanäle kann auch
die Umwandlungsscheibe selbst hohl ausgeführt werden. Zweckmäßigerweise sind die
im gleichen Abstand von der Drehachse angeordneten Düsenöffnungen durch einen Ringkanal
miteinander zu verbinden.
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Das Kühlmittel wird durch die sich dreliende Umwandlungsscheibe nach
außen geschleudert und unter, Druck gesetzt, der insbesondere bei flüssigen Kühlmitteln
beträchtliche Werte annehmen kann. Das Kühlmittel wird also mit mehr oder minder
großem Druck durch die Düsenöffnungen in den Gasstrahl gespritzt. Der Radius, auf
dein die Düsenöffnungen für den Austritt des "Kühlmittels aus der Umwandlungsscheibe
an-;5rdnet sind, hängt von dem Radius ab, auf ,;_, er° sich die Düsen zum Aufblasen
des ',scheibe iinstoffstrahles befinden. auf die Umwandlungs-Die Umfangsgeschwindigkeit
der Umwandlung'sscheibe bewirkt, daß die Richtung und Größe der Geschwindigkeit
des Kühlmittels nach dem- Austritt aus der Umwandlungsscheibe im wesentlichen mit
denen des Brenngases übereinstimmen, so daß weitgehend die Verluste infolge von
Stößen zwischen den einzelnen Teilchen bei der Mischung ausgeschlossen werden.
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Das durch das Innere der Umw andlungsscheibe zuströmende Kühlmittel
wird schon vor dem Austritt aus der Umwandlungsscheibe, da ihre Temperatur verhältnismäßig
hoch ist, mehr oder weniger vorgewärmt. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft bei
Verwendung einer Flüssigkeit und insbesondere von Wasser als Kühlmittel aus. Durch
die Vorwärmung des Wassers werden die Zeit und damit der Weg beträchtlich herabgesetzt,
die notwendig sind, um so viel Wärme von dem Brenngas auf das Wasser zu übertragen,
daß es zur Verdampfung gebracht und so eine Volumen- und Drucksteigerung erreicht
wird.
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Die Flüssigkeit kann auf eine verhältnismäßig hohe Temperatur vorgewärmt
werden, ohne daß eine vorzeitige Verdampfung schon im Innern der Umwandlungsscheibe
zu befürchten ist, da die Flüssigkeit infolge der Fliehkraftwi rkung unter beträchtlichem
D ruck steht. Die Umwandlungszeit und damit der Umwandlungsweg werden außerdem durch
die Vorwärmung der Flüssigkeit deswegen herabgesetzt, weil die Verdampfungswärme
mit wachsendem Druck abnimmt. Je höher also der Flüssigkeitsdruck ist und je näher
die Vorwärmungstemperatur der Verdarnpfungstemperatur der Flüssigkeit bei dem betreffenden
Drucke liegt, um so geringer ist die Wärme, die noch von dem Gasstrahl auf die Kühlflüssigkeit
bis zur Verdampfung und damit bis zur Druck- und Volumensteigerung übertragen werden
muß.
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Die Umwandlungsscheibe ist in dem Bereiche, auf dem der Gasstrahl
anfangs mit ihr in Berührung kommt, mit einem feuerfesten Belag,* beispielsweise
in Form einer Ringscheibe, zu versehen, um mit Sicherheit zu vermeiden, daß die
eigentliche Um«-andlungsscheibe durch die auftreffenden Verbrennungsgase angegriffen
wird.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in vereinfachter
Darstellung, und zwar zeigen
Fig. i einen Längsschnitt durch eine
Ausführungsform und Fig.2 eine Ansicht auf die Vorrichtung nach Fig. i.
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Der auf irgendeine Weise zerstäubte Brennstoff wird durch die Pumpvorrichtung
i zusammen mit einem Teil der Verbrennungsluft unter Druck gesetzt. Das Ventil 4.8
regelt den Austritt dieses Brennstoff-Luft-Gemisches in die Leitung 2, durch die
es einer Mischkammer 3 zuströmt. Der Gemischstrom reißt hierbei auf bekannte Weise
den Rest der Verbrennungsluft mit sich.
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In der Mischkammer entzündet sich der Brennstoff entweder durch die
Eigenwärme des Gemisches oder mit Hilfe einer Zündvorrichtung. Die heißen Verbrennungsgase
strömen nunmehr unter Umsetzung eines Teiles ihres Druckes in Geschwindigkeit durch
die Leitung q. . und die Düse i i auf die Oberfläche der Umwan.dlungsscheibe 5.
Der Einfachheit halber ist in .dann Fi,g. i und 2 nur eine derartige Düsenvorrichtung
dargestellt. Im allgemeinen jedoch wird ,es sich empfehlen, für eine Umwandlungsscheibe
mehrere Düsenvorrichtungen vorzusehen.
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Die Umwandlungsscheibe ist in dem. Bereiche, in welchem der Verbrennungsstrahl
auf sie auftrifft, mit einer Ringscheibe 6 aus feuerfestem Baustoff bewehrt.
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Die Welle 8 der Umwandlungsscheibe 5 ist in dem Gehäuse 9 frei drehbar
gelagert und mit einer Längsbohrung io versehen. Etwa in dem Abstande von der Drehachse,
in dem die Verbrennungsgasdüsen i i angeordnet- sind, sind in der Umwandlungsscheibe
auf ihrer nach den Düsen zugekehrten Seite mehrere öffnungen i2 angeordnet, die'
durch Radialbohrungen 13 mit der Axialbohrung io der Welle 8 der Umwandlungsscheibe
in Verbindung stehen. Der Bohrung io und damit den Radialkanälen 13 wird
auf- irgendeine Weise durch die Leitung 14 das hier eine Flüssigkeit, insbesondere
Wasser, darstellende Kühlmittel zugeführt.
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Auf dem Außenumfang der Umwandlungsscheibe und der äußeren Ringfläche
ihrer den Düsen abgekehrten Seite sind Schaufeln 1s vorgesehen, die im Ausführungsbeispiel
ähnlich den Schaufeln eines Kreiselgebläses angeordnet sind. Diese Schaufeln haben
hier nur .den Zweck, das Gasgemisch einerseits zu entwirbeln und andererseits eine
möglichst gleichbleibende Drehung der Umwandlungsscheibe .aufrechtzuerhalten, und
können deshalb auch auf irgendeine andere Weise ausgebildet sein. Beispielsweise
ist es möglich, sie rein radial anzuordnen.
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Das Gas-Dampf-Gerniseb wird durch die Austrittsöffnungen 16 einer
Gasturbine zugeleitet, in der es auf bekannte Weise nutzbare Arbeit verrichtet.
Es empfiehlt sich, die Austrittsöffnungen 16 etwas von dem äußeren Umfang des Innenraumes
des Gehäuses 9 abzurücken, um zu vermeiden, daß Brennstoffrückstände oder Wasserstaub
durch die Austrittsöffnungen treten und das Schaufelwerk der Turbine beschädigen.
können. Weiterhin sind am äußeren Umfang des Innenraumes des Gehäuses 9 zweckmäßigerweise
Filter vorzusehen, in denen sich die ausgeschleuderten festen Teile des Gasgemisches
fangen können. Vorzugsweise ist das Gehäuse 9 mit einem Mantel 18 derart zu versehen,
daß Kühlräume i9 entstehen, durch die irgendeines der bekannten Kühlmittel, beispielsweise
Wasser oder Luft, strömen kann.
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Die Umwandlungsscheibe 5 wird durch den auf sie auftreffenden Gasstrahl
der Düse i i in schnelle Umdrehung versetzt. Die durch die Leitung 14 und die Bohrung
io zuströmende Kühlflüssigkeit wird infolge der Fliehkraft durch die Kanäle 13 nach
außen geschleudert und unter Druck, gesetzt. Die Kühlflüssigkeit wird dadurch in
den Gasstrom der Düsen i i gespritzt, wobei die Geschwindigkeit der beiden Ströme
hinsichtlich Größe und Richtung im wesentlichen gleich ist. Das Gemisch wird in
spiraligen Wegen nach außen geschleudert und hierbei infolge der Volumenvergrößerung
des Kühlmittels auf die beschriebene Weise unter Druck gesetzt.