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Verfahren und Vorrichtung zum Ausgleichen der Druckschwankungen von
Gasen hoher Temperatur Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Ausgleichen der Druckschwankungen von Gasen hoher Temperatur, vorzugsweise der
Brenngase von Verpuffungsbrennkraftturbinen, deren Druckgefälle in einen Druckschwankungen
aufweisenden Teil und im Druck ausgeglichene Teile zerlegt ist. Zur Verringerung
der beim Druckausgleich auftretenden Wärmeverluste bietet sich zunächst die Wärmeisolierung
der den Druckausgleichsraum einschließenden Wandungen an, wobei die Isolierung sowohl
auf der äußeren als auch auf der inneren Begrenzungsfläche dieser Wandungen angebracht
sein kann. Befindet sich die Isolierung auf der Außenseite dieser Wandungen, so
nehmen letztere fast völlig die Brenngastemperatur an. Gleichzeitig sind sie in
mechanischer Beziehung durch den Überdruck des Gases beansprucht. Dieser doppelten
Beanspruchung können aber, wenn Gastemperaturen von rund 700° und mehr in Betracht
zu ziehen sind, selbst kostspielige Werkstoffe auf die Dauer nur unzureichend widerstehen,
so daß sich die Verwirklichung dieser Möglichkeit aus wirtschaftlichen Gründen verbietet.
Ordnet man dagegen die Wärmeisolation an der inneren Begrenzungsfläche der den Druckausgleichsraum
bildenden Wandungen an, so wird die Isolation den vollen Auswirkungen der Druck-,
Temperatur- und Ausdehnungsschwankungen ausgesetzt. Erfahrungsgemäß gibt es keine
Isolierung, die derartigen Beanspruchungen im Dauerbetriebe zufriedenstellend standhält,
so daß es zu dem Vorschlag kam, die Behälterwandungen zu kühlen. Auch hier ergeben
sich die beiden Möglichkeiten einer Außen-und Innenkühlung. Die Außenkühlung besitzt
den Nachteil, daß die Wärmeverluste bei ausreichender Herabsetzung der Wandungstemperatur
außerordentlich groß werden, so daß dieses Verfahren wiederum aus wirtschaftlichen
Gründen ausscheidet. Ein hoher Wärmeentzug tritt aber auch dann auf, wenn eine Innenkühlung
angewandt wird. Um diesen Wärmeentzug zu vermindern, hat man auf die Flüssigkeitskühlung
verzichtet und die übergehende Wärme zur Überhitzung von Dampf benutzt, der durch
die Wandung bekleidende Rohrschlangen geführt wird. Dabei ist aber das Eindringen
von Brenngasen in den Zwischenraum zwischen den Überhitzerschlangen und der den
Druckausgleichsraum bildenden Wandungen nicht zu vermeiden, da auch der Versuch,
zwischen
den einzelnen Rohrschlangen die Brenngase abhaltende Isolierungen
anzubringen, mangels geeigneter Isolierungsstoffe nicht zum Erfolge führte. Infolgedessen
erhöht sich der Wärmeübergang auf das durch die Rolir= schlangen geführte wärmeaufnehmende
Mittel und die Behälterwandung wird gefährdet.
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Eine Verbesserung dieser Verhältnisse konnte jedoch dadurch erzielt
werden, daß die dem Druckausgleich dienenden Räume dem Einfluß von Temperaturen
unterworfen wurden, die den mittleren Temperaturen den Ausgleichsraum erfüllender
Gase entsprachen, so daß der Druckausgleich unter Verminderung oder Beseitigung
des Wärmeabflusses aus den im Druck auszugleichenden Gasen erfolgte. Denn durch
derartige Maßnahmen werden die den Druckausgleichsraum bildenden Wandungen von Temperatur-
und zum Teil auch (bei Verwendung den Druckausgleichsraum umgebender heißer Druckgase)
von Druckbeanspruchungen entlastet, so daß unter Verzicht auf alle Isolierungen,
gegebeiienfalls Kühlungen, der Druckausgleichsbehälter aus vorhandenen Werkstoffen
ausreichender Warmfestigkeit und Wirtschaftlichkeit hergestellt werden konnte.
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Dem bekannten Vorschlag lag auch schon die Erkenntnis zugrunde, daß
ein Teil der Brenngase während der Druckschwankungen ständig im Druckausgleichsraum
zurückbleibt, sich durch die verbleibenden, wenn auch geringen Wärmeverluste, die
an den Wandungen eintreten, abkühlt und so die im Behälter herrschende mittlere
Temperatur herabsetzt, womit man mit geringeren Warmfestigkeiten auskommt, als nach
den Berechnungen zu erwarten war. Demgegenüber geht vorliegende Erfindung von der
weitergehenden Erkenntnis aus, daß man durch geeignete Gasführung sogar die Möglichkeit
besitzt, jede größere Verwirbelung und Vermischung der im Druck auszugleichenden
Gasmasse mit den Gasen zu vermeiden, die zwar am Druckausgleich teilnehmen, aber
im wesentlichen im Druckausgleichsraum zurückbleiben und sich daher verhältnismäßig
stark abkühlen. Kann man nach einer abschließenden Erkenntnis eine derartige Gasführung,
von der man beispielsweise bei der Verdrängung des Brenngasrestes aus Verpuffungskammern
Gebrauch macht, um die verdrängende Luft möglichst verwirbelungs- und mischungslos
in die Brennkammer einzuführen, schließlich noch dazu benutzen, zwischen den hin
und her flutenden, heißen Brenngasen und den den Druckausgleichsbehälter bildenden
Wandungen diese kühleren Gase anzusammeln, was in einfachster Weise durch entsprechende
räumliche Anordnung verwirklichbar erscheint, so schützen diese kälteren Gase die
Wandungen nach Art einer völligen Wärmeisolierung, so daß die Anforderungen an die
Warmfestigkeit der die Druckausgleichs-' Behälterwandungen bildenden Werkstoffe
mit Rücksicht auf deren geringe Temperaturen '-erheblich gesenkt werden können.
Damit er-,'.,gibt sich die Möglichkeit, diese Wandungen über eine lange, praktisch
unbegrenzte Zeitdauer betriebsfähig zu erhalten, selbst wenn sie aus verhältnismäßig
billigen Werkstoffen hergestellt sind.
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Das diesen Erkenntnissen gemäß ausgebildete Verfahren zum Ausgleichen
der Druckschwankungen von Gasen hoher Temperatur, vorzugsweise der Brenngase von
Verpuffungsbrennkraftturbinen, deren Druckgefälle in einen Druckschwankungen aufweisenden
Teil und in druckausgeglichene Teile zerlegt ist, kennzeichnet sich erfindungsgemäß
durch Umlagerung der in den Druckausgleichsrauin eingeführten und aus ihm wieder
abströmenden heißen Gase mit ebenfalls am Druckausgleich teilnehmenden, aber im
wesentlichen im Druckausgleichsraum verbleibenden und daher kühleren Gasen. Diese
Umlagerung kann in einfachster Weise durch Überführung der im Druck auszugleichenden
Gase in die Form eines geschlossenen, an seinen Mantelflächen vom übrigen Gasinhalt
des Druckausgleichsraumes getrennten, zweckmäßig in einer Längsmittelachse des vorzugsweise
langgestreckten Druckausgleichsraumes bewegten Gaskolbens bewirkt werden. Dieser
Gaskolben hat die Eigenschaft, sich nur unwesentlich oder überhaupt nicht mit dem
übrigen Gasinhalt des Druckausgleichsraumes zu vermischen, so daß die gewünschte
Bildung mehr oder weniger ruhender, die heißen Gase umlagernder, verhältnismäßig
kühler Gasschichten zustande kommt.
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Die Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens können in der verschiedensten
Art und Weise durchgeführt werden. Sie kennzeichnen sich beispielsweise dadurch,
daß der vorzugsweise innerhalb eines heißen Gasstromes liegende Druckausgleichsbehälter
ein einseitig offenes Rohr enthält, das zunächst eine wirbelungs- und vermischungslose
Gasströmung gewährende Formgebung, also beispielsweise einen schlanken Übergangskegel
zwischen dem zylindermantelförmig ausgebildeten Hauptteil und der Gaszu- und -rückführungsleitung
besitzt und das außerdem eine zur Aufnahme der hin und her flutenden Gasmenge ausreichende
Größe hat. In diesem Rohr bewegt sich also die hin und her flutende Gasmasse nach
Art eines Gaskolbens, ohne sich nennenswert mit dem übrigen Gasinhalt des Druckausgleichsraumes
zu verwirbeln oder überhaupt zu vermischen. Die Wandungen dieses Rohres sind zwar
den auftretenden
hohen Temperaturen der kolbenartig hin und her
bewegten Brenngasmasse ausgesetzt, aber eine gewisse Herabziehung der Temperaturen
erfolgt schon dadurch, daß sich auf der Außenseite des Rohres die kühlere Gasmasse
befindet und daß zeitweise die kühlere Gasmasse auch in das Innere eintritt. Vor
allem aber besteht völliger Druckausgleich, so daß ein derartiges Rohr nur die Festigkeit
aufzuweisen braucht, die ausreicht, um sein eigenes Gewicht zu tragen, womit nur
noch auf Temperaturbeständigkeit, dagegen nicht mehr auf hohe Warmfestigkeit zu
achten ist. Die den Druckausgleichsraum aber als Ganzes begrenzenden Wandungen sind,
wie bereits bemerkt, vor den Auswirkungen der heißen Brenngase durch die Zwischenschaltung
der kühleren Gase geschützt, so daß hier erheblich geringere Temperaturen auftreten,
bei denen unter Umständen schon verhältnismäßig billige und wirtschaftlich zu beschaffende
Werkstoffe die erforderliche Festigkeit besitzen.
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Die Zeichnung zeigt beispielsweise eine Ausführung des Erfindungsgedankens
am Beispiel eines Druckausgleichsbehälters, der zwischen der eigentlichen Verpuffungsbrennkraftturbine
und einer ihr nachgeschalteten Dauerstromturbine einer Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage
bekannter Ausbildung angeordnet ist.
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Abb. i gibt einen Längsschnitt durch einen derartigen Druckausgleichsbehälter
in dem einen Grenzzustand, Abb.2 in derselben Darstellung in dem anderen Grenzzustand
wieder.
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In allen Abbildungen bezeichnet i einen Teil der Ausströmleitung der
Dauerstromturbine der Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage, in der gemäß früheren
Vorschlägen der Druckausgleichsbehälter z angeordnet ist. Dieser Druckausgleichsbehälter
ist als geschlossener, langgestreckter, zylindrischer Körper ausgeführt. An seinem
oberen Ende mündet in ihn die Gaszuführungs- und -rückführungsleitung 3 ein. Sowohl
diese Leitung 3 als der Teil i der Ausströmleitung sind doppelwandig ausgeführt;
der so gebildete Zwischenraum wird von einem Kühlmittel durchströmt.
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Erfindungsgemäß setzt sich die Leitung 3 im Inneren des Behälters
2 in einen schlanken Übergangskegel fort, an den sich das offen ausmündende, zylindrische
Rohrstück 5 ansetzt. Eine derartige Anordnung führt, wie bei der Spülung von Verpuffungskammern
von Feuergasresten gewonnenen Erfahrungen entnommen werden kann, zur Bildung eines
Gaskolbens, der sich, wenn die Teile 4 und 5 die ein- und austretende Gasmasse aufzit
nehmen vermögen, im wesentlichen nur innerhalb der Teile 4 und 5 bewegt. Es nehmen
zwar die Gase, die die außerhalb der Rohrtrompete 4, 5 liegenden Räume 6 des Behälters
2 erfüllen, am Druckausgleich teil, verbleiben aber dadurch, daß der in den Teilen
4, 5 bewegte Gaskolben, dessen obere Grenzlage Fig. i, dessen untere Grenzlage Fig.2
beispielsweise veranschaulichen, kein Verwirbelungs- und Mischungsbestreben in bezug
auf diese Gase aufweist, im wesentlichen außerhalb der Rohrtrompete 4, 5; beim Zurückweichen
des Gaskolbens treten sie natürlich in die Rohrtrompete 4, 5 ein, werden aber nicht
aus derselben oder aus dem Behälter 2 abgeführt. Dadurch haben diese Gase die Möglichkeit,
sich durch Strahlung und Leitung stärker abzukühlen, so daß die den Behälter 2 bildenden
Wandungen vor den unmittelbaren Auswirkungen der in der Rohrtrompete q., 5 hin und
her flutenden hocherhitzten Brenngase geschützt sind. Die Rohrtrompete selbst ist
von allen einseitigen Drücken entlastet, so daß ihr Baustoff nur die Festigkeit
aufzuweisen braucht, die genügt, um ihr eignes Gewicht zu tragen. Demgemäß braucht
der die Rohrtrompete bildende Werkstöff nur genügend Wärmebeständigkeit aufzuweisen,
während es auf seine Warmfestigkeit in keiner Weise ankommt. Andererseits sind die
Wandungen des Behälters :2 durch die die Rohrtrompete 4, 5 umgebende kühlere Gasmasse
geschützt. Da zugleich die Temperatur- und Druckspannungen durch die Anordnung des
Druckausgleichsbehälters 2 innerhalb der Ausströmleitung i herabgezogen sind,- reichen
die vorhandenen, ohne Störung der Wirtschaftlichkeit der Anlage zu verwendenden
Werkstoffe ohne weiteres aus, um den Druckausgleichsbehälter 2 so herstellen zu
können, daß er allen Beanspruchungen im Dauerbetrieb gewachsen ist. Zur zahlenmäßigen
Veranschaulichung ist darauf hinzuweisen, daß beispielsweise die mittlere Temperatur
der ein- und austretenden Brenngase bei 725° liegt, während die den Behälter 2 umgebenden
Ausströmgase etwa eine Temperatur von 5oo° besitzen. Demgemäß erreichen die Gase,
die sich zwischen den Teilen 4, 5 und 2 befinden, etwa eine Temperatur von 55o°.
Da die beiden Zylindermäntel 4, 5 und z ungefähr die mittleren Temperaturen zwischen
den sie umgebenden Brenngastemperaturen annehmen, so kann man damit rechnen, daß
die Rohrstücke 4, 5 eine Temperatur von etwa 637°, die Wandung des Behälters 2 dagegen
eine Temperatur von rund 525° annehmen. Es macht keine Schwierigkeiten, einen so
gering beanspruchten Bauteil, wie die Rohrtrompete 5, aus Werkstoffen auszubilden,
die diesen Beanspruchungen im Dauerbetrieb widerstehen.
Andererseits
beträgt die Temperatur der Behälterwandungen, die unter Zugrundelegung der üblichen
Druckverhältnisse mit etwa 5oo kg/cm2 auf Zug beansprucht sind, nur 525°. Werkstoffe
mit derartiger Warmfestigkeit sind allgemein bekannt, ohne daß ihre Verwendung zu
die Wirtschaftlichkeit des Turbinenbetriebes beeinträchtigenden Kosten führt, so
daß es erfindungsgemäß gelungen ist, die Beanspruchungen so herabzuziehen, daß den
genannten Voraussetzungen genügende Werkstoffe verwendbar werden.
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Es liegt im Wesen der so gekennzeichneten Erfindung, daß der Druckausgleichsraum
nicht an die Anordnung innerhalb der Ausströmleitung der Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage
oder nicht daran gebunden ist, daß seine Wandungen von heißen Druckgasen umgeben
sind. Diese Anordnung hat lediglich eine Reihe von Vorteilen, während die erfindungsgemäß
erstrebten Fortschritte auch dann eintreten, wenn diese weiteren Vorteile nicht
verwirklicht werden.
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Besondere Berücksichtigung war auf die leichte Ausbauarbeit des Behälters
2 aus dem Teil i der Ausströmleitung zu verwenden. Zu diesem Zwecke ist der Innenteil
q., 5 lösbar über den Flansch 7 mit einem Gegenflansch 8 verbunden. Unter Lösen
der nach Entfernung des Flansches 9 zugänglichen Schrauben io kann der Behälter
6 seitwärts verschoben werden, sobald der Führungsbolzen i i herausgenommen ist.
Der Behälter 6 kann nun nach oben ausgezogen werden. Die Bolzen 12 dienen zur zeitlichen
Führung des unteren Behälterrandes.