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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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Abb. i stellt einen radialen und Abb. 2 einen axialen Schnitt der
Heiztrommel, Abb. 3 einen axialen Schnitt der Turbine dar.
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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.
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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.
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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.