DE695364C - - Google Patents

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DE695364C
DE695364C DE1936B0175892 DEB0175892D DE695364C DE 695364 C DE695364 C DE 695364C DE 1936B0175892 DE1936B0175892 DE 1936B0175892 DE B0175892 D DEB0175892 D DE B0175892D DE 695364 C DE695364 C DE 695364C
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DE
Germany
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turbine
propellants
propellant
heating drum
combustion
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Expired
Application number
DE1936B0175892
Other languages
English (en)
Inventor
Hugo Blank
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HUGO BLANK
Original Assignee
HUGO BLANK
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Publication date
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Publication of DE695364C publication Critical patent/DE695364C/de
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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/085Heating, heat-insulating or cooling means cooling fluid circulating inside the rotor

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Description

  • Verfahren zurr Betrieb von Brennkraftturbinen Bei Gas-, oder Brennkraftturbinen bereiten neben anderem hauptsächlich die hohen Temperaturen der entzündeten Gase, welche gerade die wichtigsten Turbinenteile, die Schaufeln, in kurzer Zeit zerstören; Schwie= rigkeiten. Es wurde zwar versucht, durch Einblasen von kalter Spülluft diesem Verschleiß wirksam zu begegnen, jedoch ist der auf diese Weise erzielte Erfolg immer mit einem Verlust an nutzbarer Arbeit erkauft. Nun sind auch Vorschläge vorhanden, bei Verbrennungsturbinen statt der Spülung ein zweites Treibmittel zu verwenden, welches wechselweise oder mit den Brenngasen. gemischt die Turbinenschaufeln beaufschlagt.
  • Die bekannten Erzeugungsanlagen oder Wärmeaustauscher lassen vielfach die Nachahmung des vom Dampfkessel her bekannten Verdampfungsvorganges und der Bauweise desselben erkennen. Es wird fast ausschließlich nach zwei nicht wesentlich verschiedenen Vorschlägen gearbeitet, indem entweder von dem Strom der glühenden Verbrennungsgase eine Anzahl Siederohre mehr oder weniger zwanglos umspült werden, oder aber .es sind in einem Wasser- oder Dampfbehälter Feuerrohre angebracht, durch welche die heißen Gase strömen und so den Inhalt des Behälterserwärmen oder verdampfen sollen. Diese Anlagen haben infolge ihrer Bauweise den Nachteil, daß durch unzureichende Führung der zwei wärmeaustauschenden Stoffe, der heißen 'Verbrennungsgase und des zu verdampfenden Wassers, die Wärmeübergangs-und somit auch die Verdampfungsziffer verhältnismäßig gering bleibt und daß zwei Treibmittel mit erheblichen DruckA und Temperaturunterschieden gebildet werden. Der Ausgleich dieses Unterschiedes erfolgt erst beim Zusammentreffen oder Mischen der beiden Treibmittel und hat einen energievernichtenden -Temperatursprung zur Folge, welcher allein schon die Leistungsfähigkeit der Gesamtanlage vermindert. Daß die Treibmittel -in dem Wärmeaustauscher weder im einzelnen regelbar noch zusammen auf den günstigsten. gemeinsamen Arbeitswert einstellbar sind, macht sich als ein weiterer fühlbarer Mangel bemerkbar.
  • Eine andere Ausführungsform des Wärmeaustauschers - läßt diesen ohne eigene Verbrennung arbeiten. Derselbe ist ähnlich wie ein Oberflächenkondensator hinter die Turbine geschaltet und wird ausschließlich von den Turbinenabgasen betrieben. Da die Abgase einer wirtschaftlich arbeitenden Turbine dieselbe weitgehend entspannt verlassen, sind' sie in dieser Form eine schlechte Wärmequelle und als solche unzureichend, um eins` zweites wirksames Treibmittel zu erzeugen. Die Wirksamkeit eines solchen Wärmeaustauschers ist, weil von der thermischen Beschaffenheit der Abgase abhängig, beschränkt und hat daneben den Nachteil, daß bei fehlender Ausdehnungsmöglichkeit der Abgase in den engen Kanälen des Wärmeaustauschers die Gesch@vndigkeit der Abgase in Druck verwandelt werden kann, welcher sich dann rückwirkend als Gegendruck auf den Turbinenläufer unliebsam durch Bremswirkung bemerkbar macht.
  • Durch die vorliegende Erfindung sollen die aufgeführten Mängel behoben und ein verbesserter thermischer Wirkungsgrad angestrebt werden. Das Wesen der Erfindung besteht darin, =daß in einer Heiztrommel die Temperatur der Brenngase vor dem Eintritt in die Düsen der Turbine durch `ein in gleicher oder entgegengesetzter Richtung mit den Gasen fließendes kühles Treibmittel auf ein für die Baustoffe der Turbine zulässiges Maß herabgesetzt wird und das die Wärme aufnehmende Treibmittel dann die gespeicherte Wärme `nieder dem Arbeitsvorgang in der Turbine zuführt, wobei beide Treibmittel mit gleicher oder annähernd gleicher Temperatur in die Turbine eintreten. Durch zwangsweise Führung in vorgezeichneten Wegen werden die Verbrennungsgase und das Verdampfungsmittel in völlig gleicher Weise so einander zugeleitet, daß eine einzige durchgehende Berührungsfläche entsteht, durch welche ein stufenloser Wärmeübergang derart stattfindet, daß im Strömungsverlauf stets die bereits erwärmten Teile des Verdampfungsrnittels so lange mit immer noch wärmeren Teilen der Verbrennungsgase in Berührung kommen, bis der erstrebte Grad des Wärmeausgleichs eines . oder beider Treibmittel erreicht ist. Die so gebildeten Treibmittel gelangen jedoch erst dann ,zwecks Arbeitsleistung in die Turbine, wenn ihre Temperaturen bereits so weit ausgeglichen sind, daß die nunmehr von ihnen geforderte Arbeit ohne weitere besondere Energieverluste geleistet werden kann. Sie sind also völlig betriebsfähig und erfahren nach dem Verlassen der Heiztrommel keine Umwandlung oder Zusätze mehr.
  • Die Bauart der Heiztrommel mit der ins Innere gelegten Brennkammer und den Zwangsführungskanälen gestattet die Zuführung eines Treibmittels oder beider mengenmäßig beliebig zu ändern oder während des Betriebes zu regeln: Diese Regelbarkeit ist erforderlich und von Nutzen, um das zweite leibmittel schnellstens zu verdampfen, die 'genwarme der beiden Ströme aufeinander Nbzustimmen und so die Arbeitsanfangs-@-temperatur und den Druck eines Treibmittels oder beider beliebig festlegen zu können. Zwecks schnellen und gründlichen Wärmeaustausches wird nun außerdem die Strömungsgeschwindigkeit beider Treibmittel in den Kanälen der Heiztrommel gedrosselt. Die Drosselung hat zur Folge, daß an allen Punkten der Heizfläche die Wärmeausgleichb-strebungen beider Treibmittel zeitlich etwas ausgedehnt werden und so über die ganze Fläche gleichmäßig wirkungsvoll verlaufen. Durch diesen Vorgang wird ein allgemein beschleunigter Wärmeübergang ermöglicht und eine hohe Verdampfungsziffer für den O_uadratmeter Heizfläche erzielt. Die Drosselung der Heizgase erfolgt zwar teilweise auf Kosten der kinetischen Energie derselben. Der auftretende Verlust ist jedoch gering, weil Druck und Geschwindigkeit der Gase wieder sofort in Wärme umgewandelt werden. Auf der Seite des Verdampfungsmittels findet jedoch mit zunehmender Temperatur: auch eine entsprechende Drucksteigerung statt, .so daß dep etwaigen Verlust auf der einen Seite ein ausgleichender Gewinn auf der anderen gegenübersteht.
  • Durch das günstige Zusammenwirken der planmäßig eingesetzten Drosselung und Zwangsführung mit der ebenso gestaltbaren regelungsfähigen - Zuführung beider Treibmittel wird in der Heiztrommel ein stets gleichmäßig verlaufender Wärmeübergang erzielt; jeder energievernichtende Temperatursprung vermieden und zwei ausgeglichene Treibmittel gebildet, deren Verwendung eine wesentliche Steigerung der Leistungsfähigkeit und Betriebssicherheit der Turbinenanlage gewährleistet.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
  • Abb. i stellt einen radialen und Abb. 2 einen axialen Schnitt der Heiztrommel, Abb. 3 einen axialen Schnitt der Turbine dar.
  • Die Heiztrommel besteht aus dem äußeren Mantel a, in welchem sich die Brennkammer b und der Drosselkanal c befinden, welcher zwischen den einzelnen Windungen den Wasser- oder Dampfkanal d bildet. In der Abbildung ist der Einfachheit und besseren ÜUbersichtlichkeit wegen nur ein Drosselkanal mit dazugehörigem Wasser- oder Dampfkanal gezeichnet, doch können deren mehrere in Anwendung gebracht werden. Die zwischerz Drosselkanal und Seitenwand der Trommel befindliche Rippe e bildet einen drchten seitlichen Abschluß zwischen den einzelnen Windungen des Kanals; somit wird durch diese und die Wandungen der Trommel der Verdampfungskanal d gebildet, welcher das durch die Öffnung f eintretende Wasser zwingt, den Weg entlang des Drosselkanals, dessen Wandungen wärmedurchlässig sind, zu nehmen. Die Rippe e kann auch, zwischen j e zwei Windungen des Kanals c hindurchgehend, die Seitenwände der Trommel unmittelbar verbinden, ohne die Windungen des Kanals c zu berühren. Die Brennkammer ist -mit der Trommel fest und gasdicht verbunden, und :es wird das Breningemisch durch die Düsenöffnungen oder Ventile g und h eingeführt. An der entgegengesetzten Seite der Brennkammer befindet sich etwa bei i die Zündeinrichtung, welche nur andeutungsweise angegeben ist. Die Drosselkanalwand kann zweckmäßig außen mit Rippen k versehen werden, durch welche ein besserer Wärmeaustausch und ein schnelleres Abfließen der Wärme vom Drosselkanal zur Verdampfungskammer ermöglicht wird. Ferner bedeuten L die Austrittsöffnung der Brenngase und m die Austrittsöffnung des Dampfes bei Anwendung des Gleichstromverfahrens. Soll aber das Gegenstromverfahren .in Anwendung kommen, so liegen umgekehrt der Wassereintritt bei m und der Austritt des Dampfes, bei f, bei gleichbleibender Strömungsrichtung der Brenngase von g, h nach 1.
  • Das in Abb.3 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Turbine zeigt in den Läufer eine Heiztrommel eingebaut. Der punktierte Halbkreis n-n deutet die ungefähre Lage der Heiztrommel bei einer Anordnung von einer Heiztrommel oder deren mehreren außerhalb der Turbine an. Doch können diese auch beliebig anders angeordnet sein; Öffnung o stellt die Eintrittsöffnung der Brenngase oder des Dampfes in die Turbine dar, wenn die Heiztrommel sich außerhalb der Turbine befindet. Brennstoffpumpen, Verdichter, Regler und andere Hilfsmaschinen sind nicht eingezeichnet.
  • Die beschriebene Anlage hat folgende einfache Arbeitsweise: Durch die Ventile oder Brennndüsen g, h wird der Brennstoff und die erforderliche Luft in die Brennkammer b eingeführt und dort vermittels der Zündvorrichtung i entzündet. Es ist hierbei dem Wesen nach gleich, ob, die ,so erzielte Verbrennung unter atmosphärischem oder höherem Druck erfolgt, ob Verbrennungsluft und Gas getrennt oder miteinander vermischt in die Brennkammer eintreten, und schließlich kann jeder beliebige Brennstoff in flüssigem, gasförmigem und auch festem, d. h. staubförmigem Zustand Verwendung finden. Es ist nur nötig, die jeweils erforderliche Luft dem betreffenden Brennstoff reichlich zuzumessen, um eine völlige und möglichst rückstandslose Verbrennung zu erzielen. Gleichzeitig. mit Beginn der Brennstoffzuführung und der Verbrennung desselben wird durch die Öffnung f oder bei Anwendung des Gegenstromverfahrens durch Öffnung m das zweite Treibmittel in den Verdampfungskanal d geleitet oder gedrückt. Gelangen nun die in der Brennkammer b entzündeten, -nunmehr heißen Brenngase in den Drosselkanal c, so wird deren Strömungsgeschwindigkeit je nach der Länge und dem Querschnitt des zwangsweise zu durchlaufenden Drosselkanals mehr oder weniger stark herabgesetzt oder vermindert. In demselben Maße erfolgt zwangsläufig die Umwandlung der kinetischen Energie in Wärme, welche nun völlig von dem den Drosselkanal umgebenden Wasser oder Wasserdampf aufgenommen und abgeleitet wird. Die Menge des einzuführenden Wassers richtet sich nach dem vorhandenen Heizwert des jeweils zur -Verwendung kommenden Brennstoffes und nach der erwünschten Anfangstemperatur eines Treibmittels oder beider bei beginnender Arbeitsleistung in der Turbine. Es darf jedoch niemals mehr Wasser eingeführt werden, als mit Sicherheit verdampft und überhitzt werden kann. Dasselbe gilt im Hinblick auf die zeitliche Dauer sowohl als auch für die Intensität des Umwandlungsvorganges bei der Bemessung des Drossel- und Verdampfungskanals und die Anordnung von nur einem oder mehreren solcher Kanäle. Es kann hierdurch nicht nur die Anfangstemperatur der Treibmittel vor dir Schaufelbeaufschlagung beliebig festgelegt werden, sondern darüber hinaus auch der Anteil des einen oder des anderen Treibmittels an der Gesamtleistung in der Turbine beliebig festgelegt oder geändert werden. Der Wärmeaustausch zwischen den beiden Treibmitteln erfolgt am zweckmäßigsten im an sich bekannten Gleichstromverfahren dann, wenn die Heiztrommel als ein mitumlaufender Teil des Läufers ausgeführt wird. Eine ungleich bessere Wirkung wird jedoch durch die Anordnung einer Heiztrommel oder deren mehrerer außerhalb der eigentlichen Turbine erzielt, weil hierdurch erstmalig das Gegenstromverfahren, das eine weit größere Wärmeausnutzung des Brennstoffes gestattet, in befriedigender Weise verwendet werden kann. Im weiteren Verlauf der Arbeitsweise treffen der aus l austretende Abgasstrom und der aus der Verdampfungskammer d entströmende Dampf zusammen und vermischen sich. Der zwischen den beiden Strömen bestehende Temperaturunterschied ist an sich nicht mehr erheblich, und es entsteht ein aus Dämpf und Gas gemischter, aber einheitlicher Strom von nahezu gleichmäßiger Temperatur und gleichbleibendem Druck. In dieser Form ist d2,s so entstandene Treibmittel geeignet, in der Turbine durch Ausdehnung Arbeit zu leisten, und wird somit unmittelbar diesem Zweck zugeführt. Die Vermischung der Brenngas-und Dampfströme ist jedoch nicht immer vorteilhaft und deshalb auch nicht immer erwünscht, weil einmal dadurch die Anwendung von Kondensation des Dampfes unmöglich gemacht wird und zweitens bei Verwendung staubförmigen Brennstoffes sich ein Vermischen von selbst verbietet. Diese Nachteile können in einfacher Weise durch eine Ausführungsform behoben werden, welche gestattet, die Brenngase und den Dampfstrom getrennt aufzufangen und jedes gesondert Arbeit leisten zu lassen. Es kann aber auch auf die Benutzung der Brenngase als Arbeitskörper in der Turbine verzichtet werden; denn es ist beispielsweise durchaus möglich, die gesamte verfügbare Wärme, soweit irgend möglich, auf das Wasser oder den Wasserdampf zu übertragen und eine Turbine oder ändere Kraftmaschinen ausschließlich mit hocherhitztem Wasserdampf zu betreiben, während die Verbrennungsgase völlig entspannt und abgekühlt ins Freie gelangen.

Claims (1)

  1. PÄTE.N-TANSPRÜCFIE: r. Verfahren zum Betrieb von Brennkraftturbinen mit zwei verschiedenen Treibmitteln, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Heiztrommel die Temperatur der Brenngase vor dein Eintritt in die Düsen der Turbine durch ein in gleicher oder entgegengesetzter Richtung mit den Gasen fließendes kühles Treibmittel auf ein für die 'Baustoffe der Turbine zulässiges Maß herabgesetzt wird und das die Wärme aufnehmende Treibmittel dann die gespeicherte Wärme wieder dem Arbeitsvorgang in der Turbine zuführt, wobei beide Treibmittel mit gleicher oder annähernd gleicher Temperatur in die Turbine eintreten. z. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die _ Anfangstemperaturen beider Treibmittel in dir Heiztrommel durch Regelung der Verbrennung und der Zuführung des kühlen Treibmittels eingestellt werden, wobei beide Treibmittel in mengenmäßiger übereinstimmung zueinander gebracht werden. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, . dadurch gekennzeichnet, daß die Heiztrommel eine Brennkammer und je einen für beide Treibmittel getrennt verlaufenden Führungs- oder Drosselkanal enthält. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Führungs- oder Drosselkanäle von nur einem durch die Trommel umgebenen spiralig gewundenen Rohr gebildet werden, dessen Wandung als Heizfläche dient,- welche von beiden Treibmitteln gleichmäßig umspült wird. 5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, das eine Führungsrippe am spiraligen Rohr in Verbindung mit der Seitenwand der Heiztrommel steht und so den seitlichen Abschluß des Kanals für das kühle Treibmittel bildet.
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