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Gasturbine für flüssige Brennstoffe Vorliegende Erfindung hat eine
Gasturbine für flüssigen Brennstoff zum Gegenstand, mit welcher hohe thermische
Wirkungsgrade erzielt werden sollen. Bekannte Gasturbinenbauarten können nicht mit
hohen Gastemperaturen arbeiten, da die Baustoffe der Schaufeln diesen Temperaturen
nicht standhalten. Durch die notwendige niedere Eintrittstemperatur der Gase in
die Turbine wird der thermische Wirkungsgrad stark herabgedrückt.
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In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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. Es wurde eine Bauart vorgeschlagen, bei der die Gase nach ihrer
Verpuffung in mehreren rund um die Turbinenwelle angeordneten und nacheinander arbeitenden
Verpuffungskarnmern in einen äußeren Ringraum geleitet werden. In diesem werden
die hocherhitzten Gase mit Wasserdampf gemischt und hierdurch abgekühlt. Dann erst
leistet das Gemisch in der Turbinenbeschaufelung Arbeit. Der Wasserdampf wird- in
einem um die Turbine gelegten Wassermantel erzeugt.
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Bei einer anderen Bauart geben die Brenngase in einem trommelförmigen,
mit der Turbine gleichachsigen Wasserröhrenkessel so viel Wärme an das Wasser ab,
daß sie auf die zulässige Schaufeleintrittstemperatur abgekühlt werden. Dann erst
treten die Verbrennungsgase in eine auf der Außenseite der Kesseltrommel sitzende
wassergekühlte Gasturbinenbeschaufelung. Der im Kessel entwickelte Wasserdampf wird
in einer Dampfturbine entspannt.
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Die Turbine gemäß der Erfindung arbeitet ohne Herabsetzung der Verbrennungstemperatur,
wobei die Kühlung der höheren Temperaturen ausgesetzten Teile durch den Brennstoff
selbst erfolgt.
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Die Kühlung durch den Brennstoff selbst ist an sich z. B. bei Raketenmotoren
bekanntgeworden. Doch wird dort die gesamte
Kühlwärme der Brennkammer
wieder zugef ührt.
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Demgegenüber besteht die Erfindung darin. daß der in Hohlräumen der
Gasturbine, insbesondere in hohlen Schaufeln, bei der Wärmeaufnahme verdampfte Brennstoff
in einer diesen Hohlräumen, insbesondere Hohlschaufeln, nachgeschalteten Dampfturbine
entspannt und dabei abgekühlt und als Brennstoffdampf nach dem Austritt aus der
Dampfturbine in einem Verbrennungsraum oder in Kanälen zwischen Hohlschaufeln der
Gasturbine unter Entspannung und Abkühlung der Brenngase verbrannt wird.
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Bild i zeigt im oberen Teil einen Längsschnitt längs der Achse I-I
des Bildes 2, im unteren Teil einen teilweisen Schnitt längs der Linie 11-II des
Bildes i und im verbleibenden Teil eine Ansicht der Turbine. Bild z zeigt teilweise
einen Schnitt längs der Linie III-III in Bild i und teilweise eine Ansicht der inneren
Teile der Turbine sowie teilweise eine Ansicht der Turbine von außen.
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Bild 3 ist ein Schnitt durch einen vergrößerten Teil der Turbine.
Bild 4. zeigt beispielsweise den Arbeitsverlauf der Gase in der Turbine.
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Bild 5 stellt im oberen Teil den Schnitt durch eine Turbine ähnlicher
Bauart wie in Bild i dar. Der Schnitt ist längs der Linie I-I des Bildes 2 geführt.
Im unteren Teil ist teilweise ein Schnitt längs der Linie V-V des Bildes 5 eingezeichnet
sowie eine Ansicht des restlichen Teiles der Turbine. Bild 6 stellt beispielsweise
den Arbeitsverlauf der Gase in der Turbine laut Bild 5 dar.
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In Bild i ist auf einer Arbeitswelle i eine Trommel 2 mit Rippen .a..1.
und Nabe .15 aufgekeilt, die eine Beschaufelung 3 des als Gasturbine arbeitenden
Teiles der Maschine trägt. Fest mit der Trommel 2 ist eine Trommel .1 verbunden,
die eine Beschaufelung 5 des als Dampfturbine arbeitenden Teiles trägt. An die Beschaufelung
5 anschließend und fest mit ihr verbunden ist eine mit Verdichterflügeln 6' versehene
ringwulstförmige Verteilerkammer 6 angeordnet. An die Verteilerkammer 6 ist eine
ähnlich geformte Verteilerkammer 7 fest angeschlossen, die Verbrennungsluft mit
Hilfe von Verdichterflügeln 8 aus Hohlraum 9 innerhalb der Trommeln - und .1 absaugt
und verdichtet.
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Die Verteilerkammern 6 und 7 münden in einen gemeinsamen Düsenring
io, der radiale Düsenschlitze i i aufweist, die von keilförmigen Rippen 12 des Düsenringes
io begrenzt sind. Gegenüber den Düsenschlitzen i i enden Seitenrippen 13 der Verteilerkammern
6 und 7 so, daß jedem Düsenschlitz i i eine Kammeröffnung 1q. der Verteilerkammer
6 für das Gas gegenüberliegt. Die Verteilerkammer 7 für Verbrennungsluft hat ebensoviel
Kammeröffnungen 15, die zwischen je zwei Kammeröffnungen liegen, so daß die Öffnungen
i.1 und 15 regelmäßig abwechseln. Hierdurch stehen die Kammeröffnungen 15 vor den
keilförmigen Teilen 12 der Düsenringfläche io.
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Axial anschließend an den Düsenring io liegt eine ringförmige Verbrennungskammer
16, die eine aus hohlen Schaufeln 17 bestehende Beschaufelung enthält. Die hohlen
Schaufeln 17 sind außen wie gewöhnliche Schaufeln geformt, so daß in ihren die Verbrennungskammer
16 bildenden Zwischenräumen das aus dem Düsenring io austretende Gemisch wie in
den Zügen eines Kessels verbrennen kann. Innen haben die Schaufeln 17 Hohlräume
18 mit Zwischenrippen i9. Die Hohlräume 18 sind durch einen inneren Ringraum
2o miteinander verbunden, in den sie durch Öffnungen :2i einmünden, die in dem inneren
Tragring 22 der Verbrennungskammer 16 vorgesehen sind. Die Schaufeln 17 sind im
Ring 22 sowie in einem äußeren konzentrischen Tragring 23 der Brennkammer 16 gas-
und druckdicht eingesetzt. Der Ringraum 2o trägt eine Eintrittsbeschaufelung 2.1
des als Dampfturbine arbeitenden Teiles. 'Mit dem Tragring 22 ist auch ein Ring
25 fest verbunden, in dem alle Urnlenkschaufeln 26 des Dampfturbinenteiles sitzen.
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Außerhalb des Tragringes 23 der Verbrennungskammer 16 ist ein Ringrauen
2; angeordnet, mit dein die Hohlräume iS der Schaufeln 17 durch Öffnungen iS verbunden
sind. 1n den Ringraum 27 münden druckdicht an zwei oder mehreren Stellen seines
Umfanges gleichmäßig verteilt bogenförmige Zuleitungsrohre 28 für den Brennstoff.
Die anderen der Welle i nahen Enden der Zuleitungsrohre 2,9 sind durch Rückschlagventile
29 abgeschlossen, so daß der in den Rohren a8 vorhandene Brennstoff nicht zurückfließen
kann. Die Ventile 29 münden in eine nach der Welle i zu offene, ringförmige Rinne
30. In dieser liegt ein feststehender Ring 31 mit einer gegenüberliegenden
Rinne 3-a, in die an der tiefsten Stelle ein Zuflußrohr 33 für den flüssigen Brennstoff
eingesetzt ist.
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Der äußere Tragring23 der Verbrennungskammer 16 setzt sich in axialer
Richtung an seinem dem Düsenring 1o entgegengesetzten Ende fort und trägt eine Uinkehrbeschaufelung
3.1 des als Gasturbine arbeitenden Teiles, die mit der Beschaufelung 3 zusammenwirkt.
-Nach dem letzten Schaufelring der Beschaufelung 3.1 wird der äußere Tragring 23
durch schaufelartige Rippen 35 abgestützt, die auf einem inneren Tragring 36 gleichen
Durchmessers wie die Trommel e endigen. Der Ring 36 stützt sich durch Rippen 37,
die als Lüfterflügel ausgebildet sind, auf eine Hülse
38, die in
einem Lager 58 gelagert ist. In der Hülse 38 ist die Welle i gelagert. Hülse 38
und Welle i übertragen die Drehmomente der Turbine auf den Verbraucher. An die Tragringe
23 und 36 schließt sich ein hohlringförmiger, feststehender Deckel 39' einer
Abgaskammer 39 an, der an einer Stelle seines Umfanges oder deren mehreren Abgasstutzen
4o zur Ableitung der Abgase trägt.
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Das andere Ende des äußeren Tragringes 23 ist mit einem kappenartigen
Gehäuseabschluß 41 fest verbunden, der außen die Brennstoffzuleitungsrohre 28 und
Verdichter flüge142 trägt. Die Gehäusekappe4i ist durch ein Lager 43 auf der Welle
i drehbar gelagert. Diese ist in einem Lager 56' gelagert, das mit seinem Lagerschild
56" und Maschinengehäuse 55 ein Ganzes bildet.
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Die Trommel 2 ist durch die Arme 44, die als Lüfterflügel ausgebildet
sind und durch Nabe 45 mit der Welle i fest verbunden, ebenso die Trommel 4 durch
Arme 46 und Nabe 47.
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Es bilden demnach die Trommeln 2 und 4 mit ihren Beschaufelungen 3
und 5, ferner mit den Verteilerkammern 6 und 7, dem Düsenring io und der Welle i
ein in einer Richtung umlaufendes Ganzes. Ebenso bildet der äußere Tragring 23,
die Brennkammer 16 mit ihren Beschaufelungen 17 und 24, den Tragringen 22 und 25
und den Beschaufelungen 24 und 26, der Gehäusekappe 41, den Brennstoffzuleitungen
28, 29, 3o, der Lagerung 43, den Armen 35 und 37 mit Ring 36 und der Hülse 38 ein
Ganzes, das infolge der gewählten Schaufelneigungen in Gegenrichtung der mit Welle
i verbundenen Teile umläuft. Die Maschine arbeitet demnach als Doppellaufturbine.
Die Abdichtung der einzelnen Teile gegeneinander erfolgt durch Labyrinthdichtungen
48 bis 53.
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Die Außenfläche des äußeren Tragringes 23 trägt über ihre ganze Länge
schraubenförmige Verdichterflügel 54. Darüber liegt der dicht anschließende, feststehende
Mantel 55, der am linken Maschinenende in eine äußere Haube 57' mit Hauptlager 58
übergeht. Zwischen äußerer Haube 57' und innerer Haube,39' entsteht ein Ringraum
57 für die Zufuhr von Verbrennungsluft.
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Eine Schaufel i7 oder deren mehrere tragen in ihre Hohlräume eingesetzte
elektrische Heizkörper 59 (Bild 3), die von bei 63 und 64 angedeuteten
Stromzuführungen gespeist werden können. In die Schaufelspitzen einiger Hohlschaufeln
17 sind außerdem elektrische Heizkörper 6o mit angedeuteten Zuleitungen 65
und 66 eingesetzt und als Glühstifte ausgebildet, die durch Kanäle6i und 62 mit
dem Verbrennungsraum 16 verbunden sind.
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Die erfindungsmäßige Turbine arbeitet nun wie folgt: Wie in Bild 4
dargestellt, wird der flüssige Brennstoff durch den als umlaufende Hohlschaufeln
17 ausgeführten Verdampferraum geführt, die entstehenden Dämpfe, durch die Dampfturbinenbeschaufelung
24, 5, 26 geleitet, worauf die Mischung mit der Verbrennungsluft und die Verbrennung
an der Außenseite der Hohlschaufeln 17 durchgeführt wird. Dann durchströmen die
Verbrennungsgase die Gasturbinenbeschaufelung und treten durch den Stutzen 4o aus.
Wird die noch kalte Turbine angelassen, so werden zunächst durch eine «-eiter nicht
veranschaulichte Hilfsmaschine der äußere Tragring 23, die Brennkammer 16
und alle mit diesen verbundenen Teile über Hülse 38 in Umdrehung versetzt. Gleichzeitig
wird die Brennstoffzuleitung 33 geöffnet und Heizstrom in die elektrischen Heizkörper
59 und 6o geschickt, so daß der Brennstoffinhalt der betreffenden Schaufeln verdampft
und durch die Beschaufelungen 5 und 26 in die Verteilerkammer 6 und in den vorläufig
noch ruhenden Düsenring io eintritt. Hier mischt sich der Brennstoffdampf mit der
durch die Flügel 42, 54 und 37 zugeführten Luft und tritt in den Verbrennungsraum
16 und die Kanäle 61 und 62 ein. Die Glühstifte 6o zünden das Gasgemisch, worauf
die Turbine anläuft.
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Hierauf werden die elektrischen Heizkörper 59 und 6o ausgeschaltet.
Der Brennstoff strömt nun durch das Zuleitungsrohr 33 in die Gegenrinne 32 des Ringes
31 und wird durch die Fliehkräfte in die Rinne 30 und durch das sich
öffnende Ventil 29 und Rohr 28 in den Ring 27 gedrückt. Von dort gelangt der Brennstoff
durch die Öffnungen 18' in die Hohlräume 18 der Hohlschaufeln 17, wird hier durch
die Flammen im Verbrennungsraum 16 verdampft und strömt durch die Öffnungen 2,1
und Ringraum 2o in die Beschaufelungen 24, 5, 26 des als Dampfturbine arbeitenden
inneren Teiles der Maschine, indem der Brennstoffdampf Arbeit leistet. Nach dieser
Teilentspannung tritt er in die Verteilerkammer 6 und wird von dort dem Düsenring
io zugeführt.
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Die Verbrennungsluft tritt durch die Öffnungen 56 des Lagerschildes
56", wird von den Verdichterflügeln 42, 54 an dem äußeren Tragring 23 entlang nach
dem ruhenden Ringraum 57 geführt, tritt durch die Flügel 37 und 44 in den Trommelraum
9 und von hier durch die 'Flügel 8 in die Verteilerkammer 7 und den Düsenring io,
wobei ihr. Druck den des Brennstoffdampfes aus der Verteilerkammer 7 erreicht hat.
Gleichzeitig wird die Luft durch die aus dem Tragring 23, dem Abgaskammerdeckel
3c)' und den Trommeln 2 und 4 aufgenommene Wärme auf die notwendige Temperatur erwärmt,
wobei sie
als Kühlmittel der genannten Teile dient. Der aus den
Öffnungen 15 austretende Verbrennungsluftstrom wird durch die Keilflächen
12 schräg zu dem aus den Öffnungen 14 austretenden Gasstrom geblasen und tritt mit
diesem unter inniger Vermischung durch die Düsenöffnungen i i in die Verbrennungskammer
16, in der er in ununterbrochener Flamme unter Druck verbrennt.
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Nach genügend großer Wärmeabgabe und gleichzeitiger mechanischer Arbeitsleistung
in der Beschaufelung 17 treten die Gase in die Beschaufelungen 3 und 34 und leisten
bis zu möglichst weitgehender Abkühlung Arbeit. Dann verlassen sie durch die Abgaskammer
39 und den Abgasstutzen 4.o die Turbine.
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Die Leistungsregelung erfolgt durch Mengenregelung des Brennstoffes
und der Verbrennungsluft mittels nicht veranschaulichter, an sich bekannter Regeleinrichtungen,
wobei das Mengenverhältnis gleichbleibend gehalten wird.
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Die Bauart des Brennstoffzuführungsrohres 28 erspart durch Ausnützung
der Fliehkräfte die Brennstoffpumpe. Werden hingegen der äußere Tragring 23 und
alle mit ihm verbundenen Teile stillgesetzt, arbeitet also die Turbine als Einlaufturbine,
so muß zur Brennstoffzufuhr eine besondere Brennstoffpumpe an die Rohre 28 angeschlossen
werden. Ebenso muß in diesem durch die Ansaugöffnungen 56 bereits vorverdichtete
Luft zugeführt werden.
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Das Ausführungsbeispiel in Bild i überträgt verhältnismäßig wenig
Dampfwärme in der Brennkammer 16 auf den Brennstoff. die in der Dampfturbine in
mechanische Arbeit umgesetzt wird, und nützt verhältnismäßig viel Gaswärme im Gasturbinenteil
aus.
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Das in Bild 5 vorgesehene Ausführungsbeispiel ist für den umgekehrten
Fall bestimmt. Die gleichen Teile mit gleicher Arbeitsweise tragen dieselben Bezeichnungen
wie in Bild i. Abweichend von der Ausführungsform in Bild i ist der Verbrennungsraum
16 in eine Anzahl von axial hintereinandergeschalteten Ringräumen 16 und 16' aufgeteilt,
von denen die Räume 16 eine rechtsläufige Hohlbeschaufelung 17 erhalten, während
die Räume 16' eine linksläufigeHohlbeschaufelung i7' haben. Die Hohlräume i8 der
Schaufeln i7 sind durch Öffnungen 21 im gemeinsamen äußeren Tragring 23 mit Ringräumen
2o auf der Außenseite des Tragringes 23 verbunden. Axial anschließend liegen Eintrittsbeschaufelungen
24., Umlenkbeschaufeltingen 5 und Austrittsbeschaufelungen 26. Diese gehören mit
Ringräumen 27 und Öffnungen 1,9 zu der jeweils folgenden Beschaufelung 17. Nur die
dem Düsenring io benachbarte Beschaufelung 17 ist mit ihrem Ringraum 27 an
die Zuführungsrohre28 für Brennstoff, wie in Bild i, angeschlossen. Die Beschaufelung
17 am anderen Ende arbeitet mit ihrer Eintrittsbeschaufelung 24 unmittelbar
auf die Beschaufelung 26' der letzten entgegengesetzt laufenden Beschaufelung i7'.
Die Beschaufelungen 5 sitzen auf einem feststehenden Mantel 55', der mit dem äußeren
Mantel 55 verbunden ist. Die einzelnen so gebildeten Geschwindigkeitsstufen sind
durch Zwischenböden 67 und Labyrinthdichtungen 68 gegeneinander abgeschlossen. Ebenso
ist die letzte Beschaufelung 26' durch Labyrintlidichtungen 69 und 70 gegen
den Verbrennungsraum 16 und die Beschaufelungen 3 und 34 des als Gasturbine
arbeitenden Teiles abgeschlossen.
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Die linksläufigen Beschaufelungen 17' der Verbrennungskammern
16' sind durch Öffnungen 2i' mit Ringräumen 20' und Eintrittsbeschaufelungen 24'
auf der Innenseite des inneren Tragringes 22 verbunden. Die Beschaufelungen 24'
arbeiten mit Beschaufelungen 5' zusammen, die mit der Welle i fest verbunden sind
und in die Bcschaufelungen 26', Ringräume 27' und Öffnungen i8" der jeweils folgenden,
der Verteilerkammer 6 näherliegenden Beschaufelung 17' führen. Die der Verteilerkammer
6 nächste Beschaufelung 26' mündet in diese. Die auf der Innenseite des inneren
Tragringes 22 auf diese Weise gebildeten Geschwindigkeitsstufen sind gegeneinander
durch Zwischenböden 7 i und Labyrinthdichtungen 72 abgedichtet.
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Die Verteilerkammer 7 für die Verbrennungsluft schließt an einen Ringraum
8' mit Rippen 8" an, der außen in den Kappenabschluß .I1 des Tragringes 23 übergeht.
Die Rippen 8" sitzen innen auf der Nabe .43 auf. Die Rohre 28 sind durch den Ringraum
8' hindurch in die Nabe 43 geführt und enden auf der Innenseite der Nabe in der
Rinne 30. Diese erhält den Brennstoff durch die Zuleitung 33' in der durchbohrten
Welle i.
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An Ringraum 8' schließt ein mit dem Gehäuse 55' fest verbundener Umlenkkanal
; 4 an, in den Verdichterflügel75 Luft drücken. Die Nabe 43 der Kappe .I1 ist gegen
das Lager 56' zu hülsenförmig verlängert. läuft auf der feststehenden Welle i um
und trägt außerhalb des Gehäuses 55 ein Zahnrad .13' zur Kraftübertragung. Nach
außen ist die Hülse .I3 gegen das Gehäuse 55 durch eine Labyrinthdichtung 77 abgeschlossen.
DieVerdichterfliigel 75 sind mit Nabe 76 auf Hülse 4.3 aufgekeilt. Die Dichtung
73 schließt die Kappen 41 und den Umlenkkanal 7.4 gegen den Raum im Gehäuse 55 ab.
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Die Rippen 37 sind durch einen Zwischenring 37' abgeteilt, ebenso
die Rippen ,I-. durch einen Zwischenring 44'. Die Rippen 37
und
44 sind wiederum als Verdichterflügel ausgebildet und haben innerhalb der Ringe
37' und 44' die entgegengesetzte Neigungsrichtung zu der außerhalb der Ringe vorhandenen
Neigungsrichtung. Die Nabe 38 läuft drehbar gelagert auf der hülsenartig bis zum
Lager 57' verlängerten Nabe 45, die auf der feststehenden Welle i umläuft und ein
Zahnrad 45' zur Kraftübertragung trägt. Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform
der Erfindung deckt sich im wesentlichen- mit der nach dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Unterschiedlich von diesem wird hier die Verbrennungsluft durch die
Flügel 37 beim linken Lager 57' angesaugt, durch Flügel 44 verdichtet, im Hohlraum
9 durch Trommel :2 erwärmt, dann durch die Flügel 44 und 37 oberhalb der Ringe 37'
und 44' nochmals verdichtet, durch den feststehenden Raum 58 und dann im Gehäuse
55 längs dem äußerenTragring 23 und dem Gehäuseteil 55' bis zum anderen Lager 56'
geführt. Hierbei kühlt die Luft diese Teile, während die Lufttemperatur steigt.
Durch die Öffnungen 56 tritt die Luft zwischen die Verdichterflügel75, wird weiter
verdichtet und. gelangt durch den Umlenkkanal 74 und Ringraum 8' bis zu den Verdichterflügeln
8, die die Endstufe der Verdichtung bilden und die Luft durch die Verteilerkammer
7 in den Düsenring io drücken.
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Der in den Hohlschaufeln 17 und 17' entwickelte Brennstoffdampf entspannt
sich in den Beschaufelüngen 24, 5, 26 und 2q.', 5', 26', wobei er in den Schaufelreihen
17 vom Düsenring io weg zur letzten Beschaufelung 17' und von dieser zurück zur
Verteilerkammer 6 geführt wird. Durch die Aufteilung der Verbrennungskammer auf
die Kammerreihen 16 und 16' wird eine höhere Dampfwärme entwickelt und in dem als
Dampfturbine arbeitenden Teil in mechanische Arbeit umgesetzt als beim Ausführungsbeispiel
i. Die beiden feststehenden Umkehrbeschaufelungen 5 und 5'setzen die absoluten Geschwindigkeiten
der beiden umlaufenden Teile für eine bestimmte Belastung fest. Doch ist es ohne
weiteres möglich, z. B. die feststehende Welle i mit der Beschaufelung 5' drehbar
zu lagern und hiermit einen dritten umlaufenden Arbeitsteil zu erhalten. Bildhaft
ist die Arbeitsweise des zweiten Ausführungsbeispieles im Bild 6 veranschaulicht.
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Die beiden Ausführungsbeispiele sind von axial durchströmter Bauart,
doch ist es ohne weiteres möglich, die Grundsätze der Erfindung auf die radial durchströmte
Bauart zu übertragen.