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Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines gasförmigen Treibmittels,
insbesondere für Turbinen Die heute bekannten Bauarten von Gasturbinen mit Gleichdruckverbrennung
zeigen zwei Hauptmängel, erstens ist der Gesamtwirkungsgrad gegenüber dem Dieselmotor
wesentlich geringer, und zweitens wird der größte Teil der in der Turbine erzeugten
Leistung zum Antrieb des Verdichters gebraucht. Es ist bekannt, daß diese beiden
Mängel durch Kopplung von Kolbenmotor und Gasturbine beseitigt werden können. Der
Kolbenmotor bildet dabei den Treibgaserzeuger für die Turbine und treibt den Luftverdichter
an. Die ganze in der Turbine erzeugte Leistung steht dann als Nutzleistung zur Verfügung;
der Brennstoffverbrauch ist fast ebenso gut wie bei Dieselmotoren. Der Kolbenmotor
bringt jedoch gegenüber der reinen Gasturbine infolge seiner hin und her gehenden
Maschinenteile eine große Komplikation, auch dann, wenn man. einen Freiflugkolbenverdichter
verwendet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Teil der Verdichterleistung
einzusparen und damit den Gesamtwirkungsgrad der Turbinenanlage zu erhöhen. Gelöst
wird die Aufgabe in der Weise, daß das Treibmittel in eurer oder mehreren Rohrleitungen
durch Druckschwingungen oder Druckstöße vor der Wärmezufuhr auf einen höheren Druck
verdichtet wird und die Wärmezufuhr dann bei diesem erhöhten Druck beginnt.
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Mit dem Arbeitsverfahren nach der Erfindung ist eine Möglichkeit gegeben,
die Vorteile des Treibgasverfalirens zu erreichen, ohne daß Maschinenteile
eine
hin und her gehende Bewegung ausführen. An Hand der schematischen Darstellung nach
Abb. i ist das Verfahren nach der Erfindung im Grundprinzip veranschaulicht. Ein
nicht dargestelltes Gebläse saugt Frischluft aus der Atmosphäre an und drückt sie
in einen Behälter i, der zunächst .als unendlich groß angenommen werde. In dem Behälter
herrscht der Druck p. An den Behälter schließt sich ein Rohr 2 an, das an seinen
beidem, Enden durch die Schieber 3 und 4 verschlossen ist. Im Rohr herrscht der
Druck po < p, das Gas, im Rohrrist in Ruhe. Nun wird plötzlich der Schieber
3 voll geöffnet, die Luft strömt in das Rohr ein. Dieser Einströmvorgang spielt
sich nach den Lehren, der Gasdynamik so ab, daß in das Rohr hinein ein Druckstoß
mit unend#-licher steiler Front läuft; hinter dem Druckstoß herrscht ein Druck p1
> p. und eine Gasgeschwindigkeit zum geschlossenen Rohrende hin. An diesem
Ende wird der Druckstoß reflektiert und läuft gegen das offene Rohrende zurück.
Hinter dem reflektierten Druckstoß verbleibt im Rohr die Geschwindigkeit Null und
der Druck p2 > p. Sobald der reflektierte Druckstoß das linke Rohrende wieder
erreicht, wird der Schieber 3 plötzlich wieder geschlossen.
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Durch den beschriebenen Vorgang ist es gelungen, das zu Beginn des
Vorgangs im Rohr befindliche Gas von p. auf p2 und das einströmende Gas von p auf
p2 >_ p zu verdichten, Die Tatsache, daß p. größer ist als der Druck im Behälter,
steht keinesfalls im Widerspruch mit dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik, wie
man bei Betrachtung des in der Abb. 2 dargestellten p-v-Diagramms unschwer erkennt.
Die von einem Verdichter zur Verdichtung von i kg des Gases vom Druck p. .auf den
Druck p geleistete Arbeit entspricht nämlich der links schraffierten Fläche i-i'-a-b,
die nach Beendigung des beschriebenen Vorganges im Rohr gespeicherte Arbeit pro
Kilogramm Gas jedoch der rechts schraffierten Fläche i-2-c; diese ist kleiner als
die links schraffierte, da das Gewicht des Gases im Rohr nach Beendigung des Vorganges
größer ist als das eingeströmte Gasgewicht.
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In der Abb. 3 ist die Drucksteigerung im Rohr als Funktion des Druckverhältnisses
p/po dargestellt. Wählt man z. B. p/po = 3 und p. = i,o ata, so wird nach
Schluß des Schiebers 3 ein Druck von 5,15 ata im Rohr vorhanden sein. Zur Drucksteigerung
von 3 ata auf 5,15 ata ist keine weitere Antriebsleistung benötigt worden. Darin
liegt bereits der erste Vorteil des Verfahrens. Bei den. angeführten Drücken wird
zur Verdichtung' nur ein Teil der sonst üblichen von der Turbine abzuzweigenden
Verdichterleistung benötigt. Vor allem ist noch darauf hinzuweisen, daß die Höherverdichtung
einen sehr guten Wirkungsgrad aufweist, die Verdichtung durch den Druckstoß erfolgt
nahezu adiabatisch.
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Nach Beendigung des Verdichtungsvorganges wird dem Gas im Rohr durch
Verbrennung Wärme zugeführt. Das kann entweder dadurch geschehen, daß eine gewisse
Menge Treibstoff eingespritzt und gezündet wird, es kann aber auch ein fertiges
Brennstoff-Luft-Gemisch in das Rohr eingebracht und, gezündet werdien. Infolge der
Wärmezufuhr steigt der Druck im Rohr z. B. auf io atü und dtie Temperatur auf 7o0°.
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Nach beendeter Verbrennung wird der Schieber 4 plötzlich geöffnet.
Dadurch strömt das Gas aus dem Rohr aus und treibt das Turbinenrad 5 an. Hinter
dem Turbinenrad herrscht der Druck p6 = 3,5 ata. In das Rohr hinein laufen Verdünnungswellen,
die am geschlossenen Rohrende reflektiert werden. Wichtig ist dabei, daß der größte
Teil der im Rohr enthaltenen Gase mit konstanten Werten von Geschwindrigkeit und
Druck ausströmt. Bei den bekanntgewordenen Gasturbinen mit Verpuffungskammern verlassen
demgegenüber die Gase die Verpuffungskammer mit allmählich fallendem Druck undabnehmender
Geschwindigkeit; die zeitlich stark schwankenden Gasgeschwindigkeiten ergeben eine
unter Umständen beträchtliche Einbuße an Turbinenwirkungsgrad, die bei dem vorgeschlagenen
Arbeitsverfahren vermieden wird. Hierbei sinkt erst gegen Schluß des Ausströmvorganges
die Geschwindigkeit bis auf Null ab. Wenn die Geschwindigkeit bis auf Null gesunken
ist, wird der Schieber 4 wieder geschlossen.
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Die Eigenart der Ausströmung aus dem Rohr bringt einen weiteren Vorteil.
Es läßt sich zeigen, daß bei gleicher Verbrennungstemperatur die Staupunktstemperatur
der auf das Turbinenrad strömenden Gase, die für die Temperatur der Turbinenschaufeln
maßgebend ist, wesentlich niedriger als bei einer Turbine mit kontinuierlicher Gleichdruckverbrennung
wird.
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Der Druck der im Rohr verbliebenen Gase ist wesentlich niedriger als
der Druck hinter dem Turbinenrad. Man. kann unschwer erreichen, daß er gleich dem
Druck p. zu Beginn der beschriebenen Vorgänge ist. Nunmehr kann wieder der Schieber
3 geöffnet werden, und der Kreislauf beginnt von vorn.
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Mahr kann auch auf den Schieber 4 am Ende des Rohres verzichten und
bei genügender Leistungsführung und Ausbildung des Schiebers -3 das Treibmittel
durch den Schieber 3 austreten lassen. Die Erfindung ist auch nicht an die Verwendung
in einer Gasturbinenanlage gebunden, sondern kann auch z. B. bei reiner Verdichtung
des gasförmigen Mediums ohne nachfolgende Verbrennung verwendet werden.
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Das Verfahren nach der Erfindung läßt sich im Rahmen einer Gasturbinenanlage
in einer sehr einfachen Weise verwirklichen. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen
Turbinenanlage nach der Erfindüng ist in den Abb. 4 und 5 dargestellt, und, zwar
zeigt Abb.4 einen Längsschnitt durch die Anlage und Abb.5 einen Querschnitt durch
den Röhrenkranz nach der Linie h- TV in Abb. 4.
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Es ist eine Vielzahl von Röhren :2 mit etwa rechteckigem Querschnitt
auf den Mantel eines Zylinders 6 angeordnet. An den beiden Enden des so entstehenden
Hohlzylinders läuft je eine Steuerscheibe 3 und 4 um, die am Umfang ausgespart sind,
@so daß die einzelnen Zellen während eines Teils des Umlaufs der Scheinen mit dem
Druckgasbehälter 7
oder mit dein Turbinenlaufrad S verbunden werden.
Die Abdichtung der Steuerscheiben gegen die Rohre 2 kamt durch Labyrinthdichtungeng
erfolgen. Bei richtiger Abmessung der einzelnen Bauteile wird es möglich sein, die
Steuerscheiben 3 und 4 mit der gleichen Drehzahl umlaufen zu lassen wie das Turbinenrad
S; in letzterem Fall kann man die Steuersclieil>e .4 selbst auf einen Teil ihres
Umfanges mit Turhinenschaufeln versehen. @'m an Baulänge zu sparen, kann man die
Trennwände der einzelnen Rohre 2 auf dem Innenzylinder 6 schraubenförmig anordnen.
Dadurch gewinnt man den Vorteil, daß man den Leitapparat vor dein ersten Turbinenrad
völlig einsl>:iren kann, sofern man den: Steigungswinkel der Scliratilre gleich
dem Ausströmwinkel aus dem Leitrad macht. .\uf der gemeinsamen Welle io ist auch
<las Gebläserad t i für die Vorverd:ichtung der Luft angeordnet.
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Durch die \'orriclitung nach der Erfindung gelingt es, einen Kreisl>rozeß
finit Gleichrauniverbrennung zti verwirklichen. Daraus ergeben sich eine Reihe von
Vorteilen, die man am einfachsten bei Betrachtung des p-! '-Diagratnnis nach der
:\bb. 6 erkennt. Die Diagraninie sind maßstäblich für einen: Verdichtungsdruck von
3 ata. Für die Verdichtung ist ein Wirkungsgrad von 8oo!o, bezogen auf die Adiabate,
zugrunde gelegt. Bei Gleichraumverbrennung nach dem hier gemachten Vorschlag ist
vom Verdichter nur die der Fläche t-2-1" entsprechende Leistung aufzubringen. Diese
beträgt, gleichen Verdichtungsdruck vorausgesetzt. nur einen Bruchteil der bei dem
üblichen Gleichdruckprozeß nötigen Verdichterleistung, die der Fläche i-2-2'-1'
entspricht. Da-bei sei nochmals in Erinnerung gebracht, daß hei dem Verfahren
nach der Erfindung der Verdichter das Arbeitsgas nur auf einen Druck p"Gpz
zu verdichten hat. Die Verdichtung von p,. auf p, erfolgt durch den Druckstoß
im Rohr 2.
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An die \'erdiclittitig schließt sich beim Gleichraumprozeli die Verbrennung
2-3 an. Infolge der Eigenart des dynamischen Ausströmens kann dabei die @erl)rennun"sliöclisttemperatur
bei gleicher Temperatur der Turbinenschaufeln. wesentlich, zum Teil i oo° und mehr,
höher sein als beim Gleichdruckprozel.i, bei dem die Verbrennung durch die Linie
2-3a dargestellt ist. Die in der Turbine bei adiabatischer 1#_nt.spannung gewonnene
Arbeit ist durch die Fläche 3-.I-1" lxini Gleichraum- und durch die Fläche 2'-3u-4a-t'
beim Gleichdruckprozeß dargestellt.
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Um die Nutzleistung der Gasturbine zu erhalten, ist die bei adiahatischer
Entspannung gewinnbare Turl>,inenarbeit finit dein Turbinenwirkungsgrad zu inultil>lizieren
und davon dann die Verdichterleistung abzuziehen; die letztere ergibt sich durch
Division der adiabatischen Verdichterleistung durch den adiabatischun \'erdichterwirkungsgrad.
Aus dem p-V-Diagramm sieht man sofort, daß bei dem Verfahren nach der Erfindung
von der in der Turbine gewonnenen Leistung nur ein geringer Teil zum :\ntricit des
Verdichters verbraucht wird.
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Beim Gleichdruckprozeß dagegen wird der größte Teil der in der Turbine
gewonnenen Arbeit zum Antrieb des Gebläses benötigt. Die Nutzleistung ist nur ein
Bruchteil der Turbinenleistung.
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Bei dem erfindungsgemäßen Arbeitsverfahren wird die Summe aus Turbinen-
und Gebl-äseleistung, die insgesamt zu installierendeLeistung, bei gleicher Nutzleistung
des Aggregates wesentlich geringer als beim Gleichdruckprozeß. Es ergeben sich also
große Vorteile hinsichtlich Leichtigkeit und Preis der Turbinenanlage. Infolge der
geringeren, bei gleichem Verdichtungsdruck benötigten Gebläseleistung zusammen mit
den Vorteilen, die :sich aus der Gleichdruckverbrennung und der höheren zulässigen
Verbrennungstemperatur ergeben, ist ein besserer Gesamtwirkungsgrad zu erwarten
als bei dem üblichen Gleichdruckprozeß, auch wenn man berücksichtigt, daß bei dem
letzteren bessere Wirkungsgrade von Verdichtung und Entspannung zu erreichen sind.
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Der einfache Aufbau und der günstige Wirkungsgrad machen das: Verfahzen
für den Antrieb von Flugzeugen besonders geeignet. Bei hoher Fluggeschwindigkeit
ist es möglich, Gebläse und Turbine völlig einzusparen. Die Verdichtung erfolgt
dann durch Ausnutzung des Staudruckes; durch die Wirkung der Druckstöße bei dem
periodischen Einströmen wird der Verdichtungsdruck in den Verpuffungszellen unter
Umständen doppelt so hoch als der der Fluggeschwindigkeit zugeordnete Staudruck.
Der Vortrieb erfolgt durch die Reaktion der periodisch aus den Zellen ausgestoßenen
Gasmassen. Dabei wirkt sich auf dien Vortriebwirkungsgrad besonders günstig aus,
daß die Ausströmgeschwindigkeit aus den Gaszellen wesentlich geringer ist, als dem
aclial)atisclien Gefälle vom Zellendruck auf den Außendruck entspricht.