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Verpuffungsgasturbine mit Vorverdichtung durch gas- oder dampfförmige
Hilfsmittel Bei Gasturbinen bilden die Hauptschwierigkeiten r. Die Erlangung einer
hohen Vörverdichtung mit dem günstigen Wirkungsgrad wie bei Kolbenmaschinen, 2.
die schädliche Wirkung der hohen Temperaturen auf die Turbinenschaufeln.
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Ihre künstliche Abkühlung bringt Energieverluste. Ein starkes Gefälle
mit adiabatischer Abkühlung verschlechtert den Wirkungsgrad einstufiger Turbinen.
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Die Erfindung bezweckt die Erlangung einer hohen Vorv erdichtung mit
günstigem Wirkungsgrad unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile trotz hoher Verbrennungstemperatur
und Drucke.
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Wie vom Spülvorgang der Gegenkolbenmaschinen bekannt ist, wirkt die
Spülluft bei der Austreibung der Verbrennungsgase wie ein Kolben, wenn sie gleichmäßig
von allen Seiten in den langen Zylinder eintritt. Diese Wirkung wird zwar schon
bei einer Vorverdichtung mittels sich entspannender Abgase ausgenutzt. Jedoch bleibt
hier die .Vorverdichtung gering und wird dazu die Erhitzung der Turbinenschaufeln
noch erheblich erhöht.
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Bei Gasturbinen, welche eine Hilfsflüssigkeit durch die Turbine treiben,
ist bekannt, mittels der Strömungsgeschwindigkeit .der aus der Turbine austretenden
Flüssigkeit die 'nachgesaugte Ladung -zu verdichten, indem man die Flüssigkeit wieder
unmittelbar der Explosionskammer zuführt.
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Für gas- oder dampfförmige Hilfsmittel ist diese Arbeitsweise unbrauchbar,
weil infolge der alsbald eintretenden Erhitzung des Hilfsmittels -sich dieselben
Schwierigkeiten einstellen werden wie bei einer Vorverdichtung durch sich entspannende
Abgase; insbesondere wird auch hier eine besondere Kühlung der Schaufeln erforderlich
sein. Außerdem wird
sich eine Aufladung über Atmosphärendruck kaum
erreichen lassen.
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Ein ständige Wiederverwendung eines gas-oder dampfförmigen Hilfsmittels
ohne die vorgenannten Nachteile läßt sich gemäß der Erfindung da-durch erreichen,
daß das Hilfsmittel nach der Austreibung über die Turbine in einem Gegendruckbehälter
aufgespeichert wird, -dessen Spannung je nach dem Heizwert des Treibgases und der
Stärke des Gemisches ein Mehrfaches, z. B. etwa das 4fache der Spannung der Ladung
beträgt, und die nach der Austreibung des Hilfsmittels noch gespannten Verbrennungsgase.
über eine zweite Turbine als Abgasturbine entspannt werden, während .die Zurückleitung
des aufgespeicherten Hilfsmittels .in den Laderaum über die erste oder eine dritte
Turbine unter Arbeitsleistung erfolgt.
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Abgesehen von dieser weiteren Arbeitsleistung liegt der technische
Fortschritt namentlich gegenüber der bekannten Vorverdichtung mittels heißer Abgase
in folgendem: i. Durch die Arbeitsleistung bei der Zurückleitung kühlt sich das
gas- oder dampfförmige Hilfsmittel ab und verliert hierdurch eine bei der vorhergehenden
Austreibung etwa angenommene Erwärmung.
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2. Ein kühles Hilfsmittel entwickelt wegen seines höheren Gewichts
bei seiner Austreibung auf die Turbinenschaufeln eine weit höhere Kraft, als wenn
heiße Abgase als Verdichtungsmittel dienten und ausgetrieben wurden.
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3. Die hierbei entstehende schädliche Hitzeeinwirkung auf die Turbinenschaufeln
wird vermieden. Vielmehr haben die Verbrennungsgase durch die Austreibung des kühlen
schweren Hilfsmittels schon erhebliche Arbeit verrichtet, bevor sie die für sie
bestimmte Abgasturbine erreichen. Eine besondere Kühlung der Turbinenschaufeln ist
daher entbehrlich.
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Die Arbeitsweise ist im einzelnen folgende: In einen verhältnismäßig
langen, röhrenförmigen Laderaum wird von einem Ende her ein Gas-Luft-Gemisch von
mehreren Atmosphären Druck eingelassen. Sodann wird aus einem großen Druckbehälter,
welcher mit einem nicht brennbaren schweren Gas, z. B. mit Kohlensäure (oder trockenem
Dampf aus einem Abhitzkessel -vgl. unten -), von etwa 4fach höherem Druck als das
Gemisch im Laderaum gefüllt ist, Kohlensäure über eine Turbine unter Arbeitsleistung
gleichmäßig vom anderen Ende her in -den röhrenförmigen Laderaum geleitet. Sie drängt
hierbei wie ein Kolben das Gasgemisch nach dem entgegengesetzten Ende zusammen und
verdichtet es auf den gleichen Druck wie in dem großen Druckbehälter.
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Hierauf wird das verdichtete Gasgemisch ' zur Explosion gebracht,
wobei es sich etwa auf das 5fache seines -Volumens ausdehnt und dadurch mit hohem
Überdruck die Kohlensäure auf einem anderen Wege über die gleiche oder eine zweite
Turbine unter Arbeitsleistung in den großen Druckbehälter wieder zurückdrückt.
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Die noch hochgespannten Verbrennungsgase werden sodann über eine Abgasturbine
unter Arbeitsleistung weiter entspannt.
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Anschließend wird der röhrenförmige Laderaum wie bei Kolbenmaschinen
vollständig reingespült und mit neuem Gemisch geladen.
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Die Nutzarbeit wird somit in dreifacher Weise gewonnen. Die Höhe der
Vorverdichtung richtet sich nach dem Heizwert und der Spannung des Ladegemisches
im Laderaum und beträgt etwa das 4fache dieser Spannung.
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Das ergibt sich aus folgender Überlegung: Ist beispielsweise ,der
röhrenförmige Laderaum von ioo 1 Rauminhalt mit einem Gasgemisch von 3 ata gefüllt,
so enthält er 3001 Gemisch von beispielsweise 50° C. Nimmt man den Druck der Kohlensäure
im Gegendrnckbehälter 4mal höher, also mit 12 ata an, so sind zu einem Druckausgleich
im Laderaum etwa 100 X 12 = 1200-300 =9001
Kohlensäure nötig, wenn
man gleiche Temperaturen annimmt. Diese 90o i Kohlensäure müssen bei der Explosion
in den großen Druckbehälter zu dessen Wiederauffüllung mit Überdruck zurückgedrückt
werden.
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Nun ergeben die 300.1 verdichtetes Gasgemisch bei einem Ausdehnungsgrad
von i : 5 durch die Explosion 5 X 300 = 1500 1 heiße Verbrennungsgase. Zählt man
dazu die 90o 1 Kohlensäure, so würden sich am Schluß der Explosion 240o 1 Gase zu
24 ata Druck in dem Laderaum befinden. Die 90o 1 Kohlensäure würden daher mit einem
Anfangsüberdruck von etwa 12 Atmosphären in den großen Druckbehälter zurückgetrieben
werden und könnte nach ihrer Austreibung noch mit einer Spannung der Verbrennungsgase
von 12 ata im Laderaum gerechnet werden.
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Dieses Ergebnis läßt sich auch aus den Erfahrungen bei der Kolbenmaschine
herleiten. Bekanntlich haben die Verbrennungsgase bei der Kolbenmaschine ohne zusätzliche
Ladung, also bei einem Ladedruck von nicht mehr als i ata, am Ende des Arbeitshubs
noch eine- Spannung von 3 bis 4 ata.
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Bei einer Aufladung von 3 ata Ladedruck würden sich -dementsprechend
am Ende des Arbeitshubs eine Spannung von 9 bis 12 ata ergeben. Dabei ist aber bei
der Kolbenmaschine infolge der starken Kühlung der Zylinderwände und wegen der langen
Zeit von der Explosion bis zum Ende des Arbeitshubs ein Energie- und damit ein Spannungsverlust
von etwa. 30 % der Wärmeabgabe an
die Zylinder und Kolbenwände
zuzuschreiben. Weitere io bis 2o °% der aufgewendeten Energie gehen für die Reibung
verloren.
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Beide Verlustquellen sind beim Herausdrücken der Kohlensäure gering,
da die Explosion in dem günstigen heißen Verbrennungsraum schnell vor sich geht,
die Spannung nicht so. hoch steigt und beim Austreiben der Kohlensäure schnell fällt,
außerdem Wärmeabgaben an einen Kolben fehlen und Wärmeabgaben an die Kohlensäure
an der Berührungsstelle unschädlich sind, weil entsprechend dem Wärmeübergang an
die Kohlensäure deren Spannung steigt.
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Es kann daher bei einer Aufladung von 3 ata nach der Austreibung der
Kohlensäure durch die Explosionsgase noch mit einer Spannung von 12 ata gerechnet
werden, so daß sich auch die Spannung in dem großen Kohlensäuredruckbehälter mindestens
in dieser Höhe hält.
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In den Zeichnungen I, II und III ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt.
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Das Gas-Luft-Gemisch wird durch das Ventil a in den röhrenförmigen
Laderaum b
eingelassen. Die etwa 4mal höher gespannte Kohlensäure wird aus
dem großen Druckbehälter c über die Turbine d sowie das Ventil e in den Laderaum
b eingelassen und verdichtet wie ein Kolben das Gemisch in dessen oberen Teil. Das
ist in der Zeichnung II durch senkrechte und waagerechte Strichelung dargestellt.
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Durch die Explosion des Gasgemisches wird die Kohlensäure über das
Rückschlagventil f über die gleiche oder über eine zweite nicht gezeichnete Turbine
in den Behälter c zurückgetrieben, der nötigenfalls mit Kühlröhren versehen sein
kann. Sodann werden die noch hochgespannten Verbrennungsgase nach Öffnung des Ventils
g über die Abgasturbine h entspannt.
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Da sie schon .durch ihre Arbeitsleistung bei dem Heraustreiben der
Kohlensäure mit Überdruck und ihre teilweise Entspannung erheblich an Wärme verloren
haben, ist eine Kühlung der Schaufeln bei der Abgasturbine entbehrlich.
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Bei Verwendung von Schwerölen oder Kohlenstaub als Treibmittel kann
man den oberen Teil des Verbrennungsraumes in bekannter Weise zu einem Glühkopf
oder Kohlenstaubverbrennungsrohr ausbilden oder eine Vorkainmer anbringen.
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Die Flugasche wird hierbei durch eine Richtungsänderung oder Krümmung
des Zuleitungsrohrs zur Turbine und durch die Anbringung eines Aschenfängers festgehalten.
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Die Zeichnung II zeigt das gekrümmte Zuleitungsrohr mit dem Aschenfänger
i und der Entleerungsschraube h. Die Zeichnung III stellt ein Schaubild über den
Druckverlauf dar; die Linie 1-m bedeutet die Aufladung von 3 ata; n-o die Vorverdichtung
auf 12 ata; o, p, q die Explosion mit dem Herausdrücken der Kohlensäure
in den großen Druckbehälter; q-v die Entspannung in der Abgasturbine.
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Verwendet man statt Kohlensäure trockenen hochgespannten Dampf, der
insbesondere in einem Abhitzkessel an Stelle des Druckbehälters c gewonnen werden
kann, so läßt sich die Vorverdichtung um denjenigenDruck erhöhen, welcher der nach
jeder Vorverdichtung neu hinzugewonnenen Dampfmenge im Abhitzkessel entspricht.
Dabei ergeben sich auch noch drei weitere Vorteile: i. Während bei Verwendung von
Kohlensäure der Gegendruckbehälter c verhältnismäßig groß genommen werden müßte,
braucht an seiner Stelle der Dampfraum des Abhitzkessels nur die normale Größe zu
haben. Da er mit gesättigtem Dampf gefüllt ist, scheidet dieser beim Zurückdrücken
des Dampfes aus dem Laderaum b infolge seiner dadurch eintretenden Übersättigung
Dampfteilchen als Wasser aus.
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Der Dampfdruck erhöht sich somit nur insoweit, als durch die Abgase
dem Abhitzkessel neue Wärme zugeführt wird.
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2. Soweit die jeweils neu hinzugewonnene Dampfmenge, welche in obigem
Beispiel die Vorverdichtung schätzungsweise um i bis 2 ata, also von 12 auf
13 bis 1q. ata erhöht, bei der Explosion nicht mehr in den Abhitzkessel zurückgedrückt
werden kann und somit mit den Verbrennungsgasen über die Abgasturbine unter Arbeitsleistung
entspannt wird, dient sie gleichzeitig zur Kühlung der Abgasturbinenschaufeln.
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3. Eine Vermischung,des Dampfes mit der Ladung an der Berührungsstelle
ist unschädlich. Bekanntlich wird durch den Wasserdampfgehalt der Ladeluft der Verbrennungsvorgang
sogar noch wesentlich verbessert.
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Auf diese Weise wird der in dem Abhitzkessel erzeugte Dampf wirtschaftlicher
ausgenutzt, als wenn man damit über eine beson= dere Dampfturbine ein Gebläse für
die Vorverdichtung und Kühlung der Schaufeln betreibt.