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Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinen-Anlage
| Die Gesamtwirkungsgrade unserer Energieerzeu- |
| gungsanlagen liegen bei rd. 200/a, die der Lokomotiven |
| nur bei 8 bis Z20/0. |
| Um dieser umwirtschaftlichen Arbeitsweise Abhilfe |
| zu verschaffen, dürfte an erster Stelle die Gasturbine |
| berufen sein. |
| Die meisten Gasturbinen wurden bisher mit Brennöl |
| betrieben. Die Brennölbeschaffung stößt in vielen |
| Ländern auf größere Schwierigkeiten, und die Brenn- |
| stoffkosten liegen dementsprechend zu hoch. In der |
| letzten Zeit ist man dazu übergegangen, die Gastur- |
| binen mit Kohlenstaub zu betreiben. Dieses Verfahren |
| dürfte weiterhin die wirtschaftlichen Grundlagen nach |
| der günstigen Seite verschieben. Die betrieblichen |
| Schwierigkeiten dagegen sind ganz erheblich, da die |
| Aufarbeitung der Kohle zu Kohlenstaub, der Versand, |
| die Lagerung sowie die Einschleusung nicht gefahrlos |
| ist. Für den Versand muß ein besonderer Fahrzeug- |
park angeschafft werden und für die Lagerung besondere Silos eingerichtet werden,
so daß allein schon die Anschaffungskosten sehr hoch liegen.
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Weiterhin tritt die Frage auf, ob die Schaufeln genügend verschleißfest
ausgebildet werden können, da die Ascheteilchen wie ein Sandstrahlgebläse wirken
und die Verschleißfestigkeit der Stähle bei hohen Temperaturen nicht groß ist.
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Die Gasturbinen, mit 01 sowie auch mit Kohlenstaub angetrieben,
müssen zwecks Abkühlung der Verbrennungsgase auf die Arbeitstemperatur mit einem
8- bis rofachen Luftüberschuß arbeiten. Durch den beträchtlichen Luftüberschuß ergeben
sich große Querschnitte der Abgasleitungen und sonstigen Apparaturen, die gerade
bei Fahrzeugen recht unerwünscht sind. Außerdem sind bei großen Abgasmengen die
auftretenden Geräusche untragbar.
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Weiterhin sollten große Abmessungen der beiden
Teile
mit Rücksicht auf die Menge der dazu notwendigen Sonderbaustoffe tunlichst vermieden
werden. Die Raumfrage ist ebenfalls recht wichtig.
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Die von der Turbine erzeugte Leistung wird nur zum Teil dem Stromerzeuger,
der Lokomotive oder einem sonstigen Antriebsaggregat übertragen, etwa ein, Viertel
bei Vollast, da der restliche Teil zum Antrieb des Gebläses verwandt wird. Beispiel
Um eine an der Stromerzeugungskupplung verfügbare Nutzleistung von 2ooo PS zu erhalten,
muß die Gasturbine rd. 8ooo PS leisten, weil der Verdichter rd. 6ooo PS verbraucht.
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Bei einer 4000-kW-Turbine ist das stündlich benötigte Luftgewicht
223 t. Die 225 t Brenngase verlassen mit einer Temperatur von rd. 25o bis 300° C
die Turbine, aIso mit einem hohen Wärmeinhalt, so daß die Abgaswärme über 50°/o
der hereingesteckten Energiemengen beträgt. Von der für die Verdichtung der Luft
erforderlichen Energie wird auch nur ein geringer Prozentsatz zurückgewonnen, da
der Luftverdichterwirkungsgrad rd. o,8 beträgt und bei der Entspannung auch nur
ein Teil der angewandten Energie zurückgewonnen wird.
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Die in der Erfindung beschriebene Gasturbine mit einem vorgeschalteten
Druckgenerator arbeitet mit einem so geringen Luftüberschuß, daß noch eine gute
Verbrennung erzielt wird. Der Verdichter wird also wesentlich kleiner bemessen.
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Die Temperatur der Verbrennungsgase wird auf ein für die Turbine erträgliches
Maß nicht durch Beimischung von Luft herabgesetzt, sondern durch eine stufenweise
Verbrennung der erzeugten Gasmengen und durch eine Mischung mit den jeweils vorhandenen,
sich von Stufe zu Stufe steigernden Rauchgasmengen. Die Nachteile der bisherigen
Bauarten und Betriebsweisen von Gasturbinen sind folgende: i. bei Brennöl die hohen
Brennstoffkosten; 2. bei Kohlenstaub die komplizierten und gefahrvollen Vorarbeiten
und der hohe Verschleiß der Turbinenschaufeln; 3. für unter i und 2 die hohen Verbrennungstemperaturen,
verbunden mit der unwirtschaftlichen Verdichtung von enormen Luftmengen.
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Man hat vorgeschlagen, die Verbrennung von Kohle unter Druck durchzuführen,
die dabei auftretenden Schwierigkeiten sind erheblich. Weiter wurde vorgeschlagen,
die Vergasung von festen Brennstoffen im Gaserzeuger vorzunehmen, mit anschließender
Gasfeuerung im Lufterhitzer einer geschlossenen Turbine.
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Unbekannt ist aber, daß man einer Gasturbine einen Druckgasgenerator,
arbeitend bis zu den höchsten Drücken, vorschaltet, so daß die Gaswärme des abgeführten
Gases als erstes in einer Gruppe von mehreren Stufen Arbeit leistet. Mit der beschriebenen
Anlage wird es möglich, ohne große Schwierigkeiten mit dem geringsten Materialaufwand
'Wirkungsgrade von über 5o0/0 zu erreichen, und es steht mithin eine außerordentliche
wirtschaftliche Kraftanlage für große Leistungen zur Verfügung. Die Stromerzeugungsselbstkosten
werden durch dieses Arbeitsverfahren um über 50°/o verringert. Es kann für die Gaserzeugung
jeder feste und flüssige Brennstoff genommen werden. In einem Druckgasgenerator,
arbeitend bis zii den höchsten Drücken, wird unter Zusatz von Dampf und Luft oder
Sauerstoff ein Brenngas erzeugt, dessen Temperaturhöhe von dem Gemischverhältnis
Dampf-Sauerstoff oder Dampf-Luft abhängig ist, und kann auf die Arbeitstemperatur,
welche die Turbine zuläßt, ohne Luftüberschuß eingestellt werden. Wird die in den
Generator eintretende Luft noch erhitzt, durch einen 7o°/oigen Wärmerückgewinn mittels
der Abgabe durch den Einbau eines Wärmeaustau.scliers, so erhält der Generator einen
außergewöhnlichen Wirkungsgrad. Der Wärmeaustauscher erhält nur geringe Abmessungen
gegenüber einer Gasturbine, welche mit 8- bis iofachem Luftüberschuß arbeitet. Bei
einer beweglichen Anlage könnte derselbe nicht voll ausgebaut werden, da die Anlage
durch den Wärmeaustauscher äußerst umfangreich wird. Für den geschlossenen Kreislauf
sind Wärmeaustauscher nötig, die der offene Kreislauf nicht braucht: einen Vorkühler
zur Kühlung der Kreislaufluft vor Eintritt in den Verdichter, einen Lufterhitzer
zur Übertragung der Wärme vom Verbrennungsgas auf die Kreislaufluft vor Eintritt
in die Turbine sowie einen Luftvorwärmer für die Verbrennungsluft zur Ausnutzung
der im Verbrennungsgas nach Austritt aus dem Lufterhitzer noch steckenden Wärme.
Der geschlossene Kreislauf ist in der Anwendung höherer Gastemperaturen stärker
beschränkt als der offene, da die dem Wärmeaustausch vermittelnden Rohre im Kreislauflufterhitzer
eine über der höchsten Kreisprozeßtemperatur liegende Temperatur annehmen, während
die Turbinenschaufeln, die bei offenem Kreislauf die kritischen Stellen bilden,
unter der höchsten Kreisprozeßtemperatur bleiben und gegebenenfalls durch Kühlung
weiter darunter gehalten werden können. Der Bedarf an warmfesten Stählen beschränkt
sich bei offenem Kreislauf auf die Turbinenschaufeln, während bei geschlossenem
Kreislauf auch ein Teil der Lufterhitzerrohre aus hochwertigem Werkstoff hergestellt
werden muß, Kreislauflufterhitzer und V erbrennungsluftvorwärmer sind in ihren Abmessungen
den Kesselanlagen von Dampfkraftwerken durchaus vergleichbar, da hier die Wärmeübertragung
entweder auf einer Seite (Lufterhitzer) oder auf beiden Seiten (Luftvorwärmer) nur
bei atmosphärischem Druck erfolgt.
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Das im Druckgasgenerator erzeugte Gas wird der Gasturbine mit hoher
Temperatur zugeführt, so daß hier in der ersten Gruppe von mehreren Stufen mit dem
Generatorgas ein Teilwirkungsgrad erzeugt wird, der über io°/a betragen kann. Nachdem
die Generatorgastemperatur gesunken ist, wird in einer weiteren Gruppe von mehreren
Stufen jeweils so viel Verbrennungsluft zugeführt und dementsprechend Gas verbrannt,
bis die gewünschte Gastemperatur wieder erreicht ist. So wird in mehreren Gruppen
ein Wirkungsgrad erzielt, der rd. 20°,'o je Gruppe betragen kann.
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In der letzten Gruppe wird infolge der sich inzwischen angesammelten
großen Abgasmengen die größte Menge Brenngas verbrannt, und hierbei kann der größte
Teilwirkungsgrad erreicht werden.
Durch diese stufenweise Zuführung
von Verbrennungsluft im Gegensatz zu anderen Verfahren, wo die gesamte Verbrennungs-
und Kühlluft schon dem Feuerraum zugeführt wird, werden die Arbeitstemperaturen,
bestimmt durch die Güte des warmfesten Werkstoffes der Laufschaufeln, reguliert.
Auf diese Weise erfolgt in der Turbine eine isothermische Ausdehnung, da während
der Expansion eine Verbrennung stattfindet.
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Der Gesamtwirkungsgrad der Turbine erreicht bei diesem Verfahren über
5o0,/, und übertrifft den Dieselmotor, die bisher energiewirtschaftlichste Wärmekraftmaschine,
mit einem Nutzwirkungsgrad von rd. 40%.
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Nach der VDI Zeitschrift Band 84 Nr. 1 6. Januar 194o bringt Prof.
S t o d o 1 a »Leistungsversuche an einer Verbrennungsturbine«.
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Bei einem Gasölverbrauch von 2000 kg/h mit rd. io ooo kcal/kg wären
20 000 000 WE vorhanden; das verbrauchte Luftgewicht beträgt 223 t,/h; die
Abgastemperatur beträgt rd. 275° C (Eintritt 25° C) cp -- 0,25 kcal/kg ; der Abgasverlust
beträgt 225 000 - 0,25
.25o = 12 5oo ooo WE;
Da der Wirkungsgrad i80/, beträgt, betragen die anderen Verluste (Verdichter, Turbine
u. a. m.) 1g,50/,.
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In dem beschriebenen Verfahren erfolgt die Kühlung der Rauchgase nicht
durch einen rd. 8fachen Luftüberschuß, da die anfallenden Rauchgase immer wieder
als Kühlgase eingesetzt werden und mithin statt der 223 t Luft nur rd. 36 t Luft
benötigt werden.
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Es brauchen also 1. 223 - 36 = 187 t Luft nicht komprimiert werden.
Der Abgaswärmeverlust beträgt nur (2000 - 18 -+- 2000) - 0,25 - 250
= 2 400 000 WE;
Im obigen Beispiel betragen die Maschinenverluste i9,50/,. Würde angenommen, die
Verluste lägen etwas höher, so könnten dieselben bis 370/, ansteigen, und es verbliebe
immer noch ein Wirkungsgrad von ioo -(12 + 37) = 51% Da die Maschinenverluste aber
niemals eine derartige Höhe von 370/, annehmen können, ist ein Gesamtwirkungsgrad
von mindestens 510/, gewährleistet.
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Die Verwendung von festen Brennstoffen aller Art in einer Gasturbine
bietet die aussichtsreichsten Verwendungsmöglichkeiten, da sie auch von der unübersichtlichen
Entwicklung des Preises von Heizöl auf dem Weltmarkt frei macht.
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Die Vorteile der mit einem Druckgasgenerator betriebenen Gasturbinen
sind mannigfach, neben den kostenmäßigen sind die betriebsmäßigen von Bedeutung.
(Verwendung fester Brennstoffe, geringer Verdichterleistungsbedarf, einfache Regulierung
der Gastemperaturen, geringe Abmessungen der Apparatur usw.) Wird dieses Verfahren
für die Gasturbinenlokomotive angewandt, so hat die Maschine mit einer einmaligen
Beschickung des Generators den doppelten Aktionsradius einer Dampflokomotive, infolge
des hohen Wirkungsgrades. Der Druckgasgenerator fällt klein aus und kann bequem
entsprechend des begrenzten Umgrenzungsprofils bei der Eisenbahn auf der Lokomotive
untergebracht werden.
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Die Durchsatzleistung des Druckgenerators wird wegen des mit dem Druck
verringerten Gasvolumens entsprechend dem Wurzelwert des Druckes (bei 25 atü um
das Fünffache) gesteigert werden.
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Es ist bekannt, das Brenngas von 2o atü auf den Brennkammerdruck von
5 bis 6 atü zu entspannen, um unbedingt aber nur aus diesem Grunde auf diesen Brennkammerdruck
zu kommen. In diesem bekannten Verfahren wurde aber der erhöhte Druck gewählt, um
genügend Entspannungsstufen (also ein großes Wärmegefälle) zur Verfügung zu haben,
um ohne Luftüberschuß die Verbrennung während der Expansion durchzuführen.
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Diese Verbrennung kann aber nicht überstürzt durchgeführt werden,`sondern
immer nur in dem Maße, wie groß jeweils die Menge von Rauchgas und Brenngas ist.
Denn die Kühlgase sind ja nur die Brenngase selbst und die jeweils von Stufe zu
Stufe sich mehrenden Rauchgase.
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Für diese Art der Verbrennung ist ein sehr hohes Druckgefälle erforderlich
im Gegensatz zu dem Brennkammerprozeß, wo mit einem 6- bis 8fachem Luftüberschuß
verbrannt wird. Genau gesagt, findet in diesem Verfahren ja jede Verbrennung bis
auf die letzte unter Luftmangel statt.
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Dieser geringe Luftmengenverbrauch verbürgt ja erst die außergewöhnliche
Erhöhung des Wirkungsgrades.
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Diese höhere Anzahl der Entspannungsstufen wurde aus dem Grunde gewählt,
um das Gas vollständig zu verbrennen, ohne einen nennenswerten Luftüberschuß einzusetzen
und bei dieser Verbrennung genügend Druckgefälle vorhanden ist, um die Temperaturen
in erträglicher Höhe gemäß der Warmfestigkeit der Stähle halten zu können.
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Kennzeichnend für den Druckgenerator oder Brennöldruckvergaser ist,
daß derselbe nicht für einen bestimmten Druck von 2o atü, wie es in dem bekannten
Vorschlag angegeben ist, arbeitet, sondern bis zu den höchsten Drücken arbeitet,
also über 2o atü hinaus. Weiterhin kann der Druckgasgenerator oder Brennöldruckvergaser
entweder mit festen oder flüssigen Brennstoffen oder gleichzeitig mit festen und
flüssigen Brennstoffen gefahren werden.
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Weiter ist bei diesem Verfahren das Kennzeichnende, daß das Brenngas
vom Gaserzeuger bis zum Auspuff sämtliche Stufen durchläuft und daß, obwohl das
gesamte Brenngas jede Verbrennungsstufe durchläuft, immer nur ein Teil davon ausgebrannt
wird, da die Verbrennung ja dadurch geregelt wird, daß die Luft stufenweise zugeführt
wird und immer Brenngasüberschuß vorhanden ist, im Gegensatz zur Normalverbrennung,
wo mit 1,3- bis i,5 fachem Luftüberschuß gearbeitet wird.
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Kennzeichnend ist also, daß das Brenngas am Anfang der letzten Stufe
den ganzen Prozeß durchlaufen hat und nun die restliche Verbrennung durch Einspritzung
von Luft vor sich geht. Die gesamte Art der stufenweisen Verbrennung ist also grundsätzlich
verschieden gegenüber allen bisherigen Verfahren.
Weiterhin ist
kennzeichnend, daß die flammenlose Verbrennung innerhalb der Expansionsstufen nicht
durch die Einführung eines Brennstoffes erfolgt. Da (las Gas fast nur aus CO und
H, besteht, bedingt ja schon, (laß die Verbrennung flammenlos vor sich geht, während
im Gegensatz zu anderen Verbrennungen eine flammenlose Verbrennung unmöglich ist,
da diese Gase größere Mengen schwere Kohlenwasserstoffe enthalten. Der Vorteil des
erfindungsgemäßen Verfahrens liegt ja eben darin, daß nicht Brennstoff in den Gasstrom
eingeführt wird, da derselbe ja vom Gaserzeuger bis zur letzten Stufe ein Bestandteil
des Gasstromes ist. Dieser Mischbrenngasstrom wird nun verzehrt bzw. verbraucht
durch die dosierte Einführung von Verbrennungsluft.
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Es wird also kein Brennstoff eingeführt, sondern umgekehrt Luft. Der
Vorteil dieses Verfahrens liegt eben darin, daß nicht die 6- bis 3fache Luftüberschußmenge
erforderlich ist, die ja bekanntlich zu ihrer Verdichtung rd. 75°/o der Turbinenleistung
braucht. Die schematische Zeichnung zeigt eine Einrichtung zur Durchführung des
vorgeschlagenen Verfahrens. In dieser ist a der Gaserzeugerschacht. Das in demselben
erzeugte Öl- oder Generatordruckgas wird über das Filter b der ersten Turbinengruppe
c zugeleitet, wo das komprimierte Gas einen Teil seiner Wärme abgibt. Hinter der
Turbinenstufe c wird das austretende Gas in zwei Ströme aufgeteilt. Ein Teil gelangt
in die Brennkammern d, g, i und wird hier mit der komprimierten Luft verbrannt.
Die aus der Brennkammer d tretenden Gase werden der Strahlpumpe e zugeleitet, die
aus der Turbinengruppe c Gas ansaugt und dieses komprimierte Gemisch in die nächste
Turbinengruppe f drückt. Dieser Vorgang muß sich mehrere Male wiederholen, abhängig
von der Zusammensetzung des erzeugten Gases. Je nach der zulässigen Arbeitstemperatur
wird in den Brennkammern mit einem geringen Luftüberschuß gearbeitet, welcher einen
bestimmten Teil der jeweils angesaugten Gasmengen verbrennt.
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Die Anlage kann aber auch ohne Strahlpumpe gefahren werden. In der
letzten Verbrennungsstufe wird mit dem größten Luftüberschuß gearbeitet, damit sämtliche
noch im Arbeitsgas vorhandenen brennbaren Bestandteile verbrannt werden. Die aus
der letzten Stufe austretenden Gase werden über den Wärmeaustauscher m geleitet.
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Der Verdichter n arbeitet bei o mit einer Rückführleitung. Die komprimierte
Luft gelangt über den Wär-