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Verbrennungsturbine mit Kühlvorrichtung Die vorliegende Erfindung
betrifft eine Turbine mit innerer Verbrennung, dadurch gekennzeichnet, daß durch
Kühlung ihrer festen und rotierenden Teile nach einem besonderen System' die Verbrennungstemperatur
sehr hoch gehalten werden kann, ohne dadurch den Widerstand der dieser Temperatur
ausgesetzten Turbinenteile zu beeinträchtigen und ohne deshalb spezielle Metalle
verwenden zu müssen.
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Überdies sind bei der erfindungsgemäßen Turbine besondere Maßnahmen
vorgesehen, um die Kompressionsarbeit der Verbrennungsluft zu vermindern, und fernerhin
Maßnahmen, um die Wärme der Abzuggase auszunutzen, so daß die Leistung, der Maschine
weitaus höher ist als bei gleichartigen bekannten Maschinen.
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Die Zeichnungen zeigen eine schematische, beispielsweise, nicht beschränkende
Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Abb. i ist ein Längsschnitt der Turbine nach der Symmetrieebene I-I
der Abb. 2; Abb. 2 ist ein Schnitt mach der Ebene II-II der Abb. i senkrecht zur
Achse; Abb. 3 ist ein Längsschnitt der oberen Hälfte nach der radialen Ebene 1-I
der Abb. 2 und, der unteren Hälfte nach der radialen Ebene III-III, 45° zur senkrechten
Ebene; Abb. 4 zeigt eine Einzelheit eines Längsschnittes
nach der
axialen Ebene entsprechend dien rotierenden Schaufeln; Abb. 5 und 6 stellen eine
Aktions- bzw. Reaktionsschaufel dar; Abb. 7 zeigt im Längsschnitt einige feste Schaufeln;
Abb. 8 ist eine Einzelheit der Befestigung einer festen Schaufel, und Abb.9 zeigt
einen senkrechten Schnitt zur Achse des Turbinengehäuses nach Abnahme der Laufräder.
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Wie aus den Zeichnungen ersichtlich, besteht die Turbine aus nachfolgenden
Teilen: dem Kompressor C, der eigentlichen Turbine T, einer oder mehreren Verbrennungskammern
B (im vorliegenden Beispiel fünf), dem Kühlapparat R und den Heizvorrichtungen F
(im gegebenenBeispiel zwei).
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Die Maschine ist um die Lager 2 und 3 drehbar auf der Achse i montiert
und mittels Flansch 4 mit der Transmission verbunden:.
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Die Luft tritt bei der Öffnung 5 ein und wird in dem Turbokompressor
C mit mehrstufigen Laufrädern, die durch eine Kammer 8 in zwei Gruppen 6 und 6'
geteilt werden, progressiv verdichtet. Der Kompressormantel7 besitzt eine Doppelwand
mit Wasserumlauf. Aus der Kammer 8 strömt die teilweise verdichtete Luft durch das
Rohr 9 zum Apparat R, wo dieselbe abgekühlt wird, las eine Verminderung der
nachfolgenden Kompressionsarbeit bewirkt.
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Nach einer bevorzugten Ausführung besteht dieser Apparat R aus einem
Zylinder mit horizontaler Achse, welche durch einen Sektor 12 in zwei Halbzylinder
io und ii geteilt wird, wodurch nur bei den Zylinderenden Luft durchgelassen wird.
Das Rohr 9 ist ebenfalls in zwei Teile durch die Längsscheidewand 13 geteilt, welche
eine Verlängerung der nämlichen Scheidewand darstellt, welche die Laufräder des
Kompressors C in zwei Gruppen 6 und 6' teilt.
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Das Kühlwasser des Apparats R strömt zu einer Kammer 14 am Kopf des
Apparats selbst. Auch diese Kammer 14 wird durch den Sektor 15 in zwei Hälften
geteilt und besitzt an der zum Apparat gerichteten Seite einen Rohrboden 16, worin
die Rohre 17 münden. Diese gehen zuerst durch den Oberteil io des Apparats, durchqueren
dabei die Scheidewand 13, münden sodann in den anderen Rohrboden 16' und gehen in
die Kammer 14', von wo dieselben zum Rohrboden 16 zurückkehren, wobei das in den
Rohren umlaufende Wasser bei Ankunft an dem Unterteil der Kammer 14 beim Ablauf
18 ausfließt. Der Strömungsweg der abzukühlenden Luft ist durch den Pfeil angegeben,
und die zum Kompressor in die Kammer I9 zurückströmende Luft wird in den Laufrädern
6' bei Ankunft in der mit der Verbrennungskammer in Verbindung stehenden Kammer
2o der zweiten Verdichtungsphase unterworfen.
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Von der Kammer 20 aus verteilt sieh die Luft zwischen den zwei Heizvorrichtungen
F (Abb. 3). Zuerst zirkuliert die Luft in dem Zwischenraum 22 der Zylinder F (Abb.
3) zwecks. Ausnutzung der Wärme der Abzuggase, welche, wie später beschrieben, den
Zylinder F an der Innenseite durchstreifen, und strömt sodann durch das Rohr 23
in die Kammer 24, wo sich der Rohrboden 25 befindet, bei dem die von der zu erhitzenden
Luft durchströmten Rohre münden. Die Luft strömt auf diese Weise in die Kammer 26,
jenseits eines anderen Rohrbodens 25' und stets vermittels der die Heizvorrichtung
der ganzen Länge nach durchquerenden Rohre in die Kammer 27, von wo aus über Rohre
28 die Luft in die Verbrennungskammern B, von denen eine zweckmäßige Anzahl vorgesehen
wird, einströmt. Im vorliegenden Beispiel sind im oberen Turbinenteil fünf Verbrennungskammern
radial angeordnet.
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Die aus den Rohren 28 herkommende Luft geht in die Kammer 29, welche
im Innern einen konischen Teil mit einer Anzahl von Löchern be-
sitzt, durch
welche die Luft mit dem vom Zerstäuber 31 eingespritzten Brennstoff in Berührung
kommt. Infolge der hohen Temperatur entzündet sich der Brennstoff und die Produkte
überströmen die Kammer 32, von wo aus dieselben über die festen Schaufeln 33 ein
erstes Laufrad in Bewegung setzen, dabei in die Kammer 35 abströmen, wo die Verbrennung
durch eine Zusatzluft aus der Kompressorkammer 20 gegebenenfalls vervollständigt
wird.
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Von der Kammer 35 wird' dann über Sätze von abwechselnd festen und
rotierenden Schaufeln die ganze Turbine von den Gasen betätigt, die in die Kammer
36 abströmen und von dort in zwei geteilten Strömen durch die Kanäle 38 zu den bereits
beschriebenen Heizvorrichtungen F strömen, die .ihrerseits je von einem horizontalen
Sektor 37 abgeteilt werden, wodurch die Verbrennungsprodukte gezwungen sind, die
Heizvorrichtungen F in umgekehrter Richtung zu derjenigen der aus der Kammer 20
kommenden Luft zu durchströmen.
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Die Abb. 4 zeigt, wie bereits gesagt, das Kühlsystem der Schaufellaufräder
der Turbine.
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Die Laufräder werden von der Welle I getragen, an deren Emden zwei
Kreuzstücke 41 verkeilt sind, in deren einer äußeren Einpassung eine zur Welle I
konzentrische und mit dieser drehbare Hohlwelle 42 angebracht wird. Auf dieser Hohlwelle
42 sind die Scheiben 43, 43' und 43" . . . befestigt, die aus je zwei Flanschen
44-44 bestehen, welche aneinander aufliegen und gegen den Umfang zu durch einen
Ring 45 verbunden sind, welcher die ganze, zwischen den zwei Flanschen 44-44 gebildete
innere Höhlung umschließt. Diese Hölilung wird durch eine Scheidewand 47 abermals
in zwei gleiche Kammern 46 und' 46' geteilt.
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Die Schaufeln 48 sind mit ihrer Basis in am Umfang der Scheiben 43-43
. . . ausgesparte eigene Einpassungen angeordnet. Die Schaufeln sind hohl, wobei
diese Höhlung entweder einzeln hergestellt oder gezogen wird (s. Abb. 5 und 6).
Die Einpassungen der Schaufeln auf den Scheiben sind derart, @daß unter der Schaufelbasis
ein Raum 49 bleibt, der mittels öffnungen 5o und 50' mit den
Kammern
46 bzw. 46' in Verbindung steht. Die öffnungspaare 5o und 5o' sind jeweils jeder
Schaufel entsprechend vorgesehen.
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Auf der Hohlwelle, den Kammern 46-46' der verschiedenen Scheiben entsprechend,
sind Löcher 51 ausgespart. Mit der Hauptwelle i fest verbunden und auf die Innenfläche
der Hohlwelle 42 abgedichtet, sind jeder Scheidewand 47 entsprechend runde Scheidewände
52 angeordnet, -durch welche der Zwischenraum zwischen der Welle i und der Hohlwelle
42 in so viele gleichachsige Zonen 53, 53', 53" . . . geteilt wird, als die Anzahl
der Laufschaufeln der Turbine beträgt.
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Am Kopf der Welle i ist ein Kühlluftgebläse angebracht, das mit seinen
Schaufeln 54 frische Luft vom anderen Wellenende ansaugt. Diese Saugwirkung wird
dadurch ermöglicht, daß sämtliche Kammern 53, 53', 53" . . . untereinander verbunden
sind. Tatsächlich strömt die z. B. in dem Raume 53 befindliche Luft durch die Öffnungen
51 in die Kammer 46 und von hier aus durch die Öffnungen 50 in das Innere
der Schaufel 48. Sodann strömt die Luft durch die Öffnung 5o', die Kammer 46' und
die anderen Öffnungen 51 links von der Scheidewand 52 zur Kammer 53', von, wo ab
ein ähnlicher Strömungsweg beginnt, bis die Luft das Kühlluftgebläse 54 erreicht,
welches dieselbe in die Ableitungskammer 55 absaugt.
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Seitlich vom Kühlluftgebläse 54 wird ein zweites Kiihlluftgebläse
beigeordnet, welches Luft für sich ansaugt, welche zur Kühlung der Leitapparate
der Turbine ausgenützt wird.
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Die Räume 57 zwischen zwei Schaufelreihen in der gleichen Ebene werden
zur Zwischenschaltung der festen Leitschaufeln verwendet.
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Die Kammer 36, in welche die Verbrennungsgase nach Einwirkung auf
sämtliche Schaufelreihen einströmen, ist mit dem Gasaustritt über die Heizapparate
F, wie bereits früher besprochen, in Verbindung.
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Wie aus den Abb. 7, 8, 9 zu ersehen, sind die Leitschaufeln der Turbine
am Umfang einer Reihe von längs deren Achse verteilten Scheidewänden befestigt.
Diese Scheidewände bestehen aus hohlen zylindrischen Körpern 61, 62, von denen jeder
durch eine 'horizontale diametrale Ebene, d. h. längs der Linie o-o der Abb.9 in
zwei Hälften geteilt wird.
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Diese Scheidewände haben einen schlanken U-förmigen Querschnitt, zwischen
dessen zwei Armen die Schaufeln verkeilt werden. Nach der Aufmontierung auf den
Scheidewänden werden die Schaufeln außen gedreht, wodurch die Scheidewände, auf
denen die Schaufeln befestigt sind, sich in eigene Aussparungen des Turbinengehäuses
einpassen können, während die Schaufelenden sich in ebenfalls im Gehäuse vorgesehene
Einpassungen verkeilen.
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Die Schaufeln sind' innen hohl, wie dies bereits hinsichtlich der
Laufschaufeln bemerkt wurde. Die Abb.7 zeigt im Querschnitt die beiden Scheidewände
61 und 62 mit deren montierten Schaufeln 63 und 64. Die Schaufel 63 erscheint in
Ansicht, während die Schaufel 64 im Schnitt längs der Mittellinie erscheint, um
den Kanal 65
hervorzuheben.
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In dem zwischen den beiden Wänden der hohlen Scheibenhälfte, welche
die Scheidewan 61 bildet, befindlichen Innenraum 66 sind Rippen 67 radial verteilt,
die in Abb. 7 in Ansicht und in der Abb. 9 im Querschnitt gezeigt sind.
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In der gleichen Abb. 7 sind die Scheiben 44 und 44 des Laufrades derTurbine
strichliert eingezeichnet, auf deren Umfange die rotierenden Schaufeln 48 und 48'
angebracht sind. Die auf die Turbine anströmenden Gase treten bei a ein und bei
b aus.
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Das Turbinengehäuse 69 hat eingegossene Kanäle 72 und 73, welche über
die Schlitze 75 bzw. 76 mit dem Kanal 74 verbunden sind. In der unteren Gehäusehälfte
wiederholt sich symmetrisch die gleiche Konstruktion.
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Das Kühlluftgebläse 56 leitet die Luft in den Kanal 74 (Abb. 4, 7
und 9), von wo dieselbe über die Kanäle im Schaufelinneren zum Mittelteil
66
der Scheidewände anlangt und dabei die Gesamtoberfläche der Rippen 67 überströmt.
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In der Abb. 7 erscheint die Kammer 73 in Verbindung mit dem Kanal
65 mittels einer Öffnung 77. Diese Verbindung ist selbstverständlich notwendig,
damit der obige Umlauf vor sich gehen kann. Hierzu wird bemerkt, daß die der Schaufel
63 entsprechende Öffnung 77 nicht ersichtlich ist, weil dieselbe gegenüber der Öffnung
77 der Schaufel 64 verstellet ist.
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Die Kammer 74 wird durch zwei Längssektoren 78 und 78' begrenzt, welche
ihrerseits einen Sektor begrenzen, innerhalb welchen eine gewisse Anzahl von Leitschaufeln
inbegriffen ist. Wie bereits erwähnt, strömt die Kühlluft aus, der Kammer 74 zum
mittleren Tei.166 der Scheidewände. Betrachtet man von diesem Punkt aus die obere
Gehäusehälfte (Abb. 9), so sieht man, daß der Luft zwei Wege offen stehen, und zwar
einer rechts und einer links gegen die Kammern 79 und 8o über die Kanäle 65.
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Die Kammern 79 und 8o sind ihrerseits mit den Kammern 81 und 82 verbunden
oder besser, die letzteren sind die Fortsetzung davon. Die in die Kammern 81 und
82 eingeströmte Luft, welche aus der Zone 66 des Ge'häuseoberteileskommt, strömt
durch die zwischen der horizontalen Ebene o-o und den Sektoren 83 und 83' gelegenen
Kanäle 65 hindurch in die Zone 66' des Gehäuseunterteiles und erreicht endlich von
dort, immer durch die Kanäle 65 hindurch, die Kammer 86, welche symmetrisch zur
Kammer 74, jedoch mit dem Ausfluß verbunden ist.
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Mit anderen Worten, nachdem die Sektoren 78 und 78', 83 und 83', die
außen am Gehäuse angeordneten Kammern in vier Teile abteilen, paarweise symmetrisch
sind, so sind die Strömungswege der Kühlluft vom Eintritt zum Austritt abwechselnd
zentripetal bzw. zentrifugal. Dieser Kreislauf erfolgt parallel für sämtlicheSchaufelsätze,
welche der Länge nach in der Turbine, längs jeden Sektors angeordnet sind, im Gegensatz
zum Verlauf
des Kühlumlaufes der Laufschaufeln, welcher gruppenweise
erfolgt.