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Dampferzeuger mit aufgeladenem Feuerraum Es sind Dampferzeuger bekannt,
bei denen, der Feuerraum des Dampfkessels durch einen Kompressor mit Luft aufgeladen
wird, wobei der Kompressor durch eine Gasturbine angetrieben wird, die ihrerseits
durch die aus dem Feuerraum des Dampfkessels entweichenden Verbrennungsgase angetrieben
wird, nachdem diese das Röhrensystem zur Verdampfung des Wassers und zur Überhitzung
des Dampfes erwärmt haben. Bei diesen Dampferzeugern arbeitet somit der Feuerraum
des Dampfkessels unter Druck. Die Restwärme der Gase, welche in der Turbine gearbeitet
haben, kann noch in Wärmeaustauschern nutzbar gemacht werden, um die Verbrennungsluft
"vor ihrem Eintritt in den Feuerraum des, Dampfkessels oder das Speisewasser für
den Dampfkessel oder beide vorzuwärmen.
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Die .Berechnungen und die experimentellen Ergebnisse, welche mit derartigen
Dampferzeugern erhalten worden sind, zeigen, daB je höher die für den Feuerraum
des Dampfkessels bestimmte Verbrennungsluft verdichtet :ist, um so kleiner bei gleichem
Wirkungsgrad die vor oder hinter die Gasturbine geschalteten Wärmeaustauschflächen
sein können.
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Andererseits eröffnet die Verbesserung der Wirkungsgrade der Turbinen
und der Kompressoren, wie spie sich aus neueren Fortschritten ergibt, auf Grund
der möglichen Senkung der Temperaturen
der aus der Turbine kommenden
Abgase neue Wege für den Bau von Dampfkesseln mit aufgeladenem Feuerraum im Hinblick
auf die Vereinfachung des Aufbaus und insbesondere im Hinblick darauf, daß Ekonomiser
hinter dem Kessel entbehrlich werden. Jedoch hat die sich daraus ergebende Verkleinerung
der Wärmeaustauschflächen bei Dampfkesseln mit aufgeladenem Feuerraum einige Schwierigkeiten
ergeben, die insbesondere in folgendem liegen: a) der Feuerraum, das Röhrensystem
und der Sammelkanal der Dampfkessel müssen in einem geschlossenen Behälter unter
erhöhten Drücken eingeschlossen sein, woraus sich eine gewisse Komplizierung des
Aufbaus ergibt; b) die Gasturbine empfängti die Produkte der Verbrennung, welche
im Feuerraum des Dämpfkessels mit einem kleinsten Luftüberschuß durchgeführt worden
ist, und unterliegt einer raschen Verschmutzung;; c) die Änderungen in der Menge
des in dem Feuerraum des Dampferzeugers verbrannten Brennstoffes wirken nur langsam
auf die Temperatur am Eingang der Gasturbine zurück, und da diese Temperatur sich
mit der Umlaufgeschwindigkeit der Turbine verkleinert, ist das Gleichgewicht zwischen
den Leistungen -der Turbine und des Kompressors bei Langsamlauf nicht mehr vorhanden,
was zu einem unelastischen Betrieb führt; d) schließlich ist die Herstellung des
Gleichgewichts zwischen den. Leistungen des Kompressors und der Turbine von einer
großen Instabilität begleitet, welche für die Gleichmäßigkeit der Durchführung der
Dampferhitzung nachteilig ist.
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Gemäß der Erfindung ist die Gasturbine nicht mehr hinter dem Feuerraum
des, Dampfkessels angeordnet, und das, die Turbine speisende Arbeitsmittel ist Luft,
welche dem Aufladekompressor entnommen und vor ihrem Eintritt in die Turbine durch
eine geeignete andere Wärmequelle als durch die Dampfkesselfeuerung ,erhitzt worden
ist. Es ist dadurch möglich, den Feuerraum des Dampfkessels nicht mehr bei dem Höchstdruck
im Kreislauf der Gasturbine arbeiten zu lassen, wie es bei den bekannten mit aufgeladenem
Feuerraum arbeitenden Dampfkesseln der Fall isst, sondern bei einem Druck, welcher
um den Wert der Ausdehnung in der Turbine verkleinert ist.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert.
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Die Abb. i bis 3 sind schematische Darstellungen von drei verschiedenen
Ausführungsformen eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Dampferzeugers mit aufgeladenem
Feuerraum.
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Bei der in Abb. i wiedergegebenen ersten Ausführungsform wird die
zur Verbrennung im FeuerraumFc des Dampfkessels Ch erforderliche Luft aus einer
Zwischenstufe S des Luftkompressors C entnommen. Dieser Kompressor läßt den übrigen
Teil der Luft unter hohem Druck durch einen Vorwärmer R; der im Weg der Feuerungsgase
des Dampfkessels Ch angeordnet ist, und dann durch eine Verbrennungskammer F hindurchströmen,
in welcher beispielsweise ein flüssiger Brennstoff verbrannt werden kann. Der Vorwärmer
R ist nicht unbedingt erforderlich; die Verbrennungskammer F könnte auch allein
vorgesehen sein.
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Ist der Vorwärmer R vorgesehen, dann besteht die Aufgabe der Verbrennungskammer
F darin, auf die Luft eine regelbare Wärmemenge zu übertragen, durch welche es möglich
wird, den der Gasturbine T, welche mit dem -Ausgang der Verbrennungskammer F verbunden
ist, zuzuführenden Leistungwert zu regeln und infolgedessen auch die von dem Kompressor
C, der durch diese Turbine angetrieben wird, gelieferte Luftmenge zu regeln.
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Die in der Gasturbine T ausgedehnten Gase v@erden in den Strom der
Verbrennungsgase in einer Zwischenstufe des Dampfkessels Ch unter einem Druck abgegeben,
der etwas größer als, der Atmosphärendruck ist. Der Feuerraum Fc wird mit dem in
der Zwischenstufe S des Luftkompressors C herrschenden Druck aufgeladen, d. h. also
nicht mehr mit dem in der Endstufe des Kompressors herrschenden Druck, welcher dem
Höchstdruck im Gaskreis entspricht.
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Die beschriebene Ausführungsform hat den Vorteil, daß sie die Anordnung
eines Vorwärmers R1 für niedrige Temperatur in dem Stromkreis der Verbrennungsluft
gestattet, wobei dieser Vorwärmer durch die Restwärme der aus dem Feuerraum des
Dampfkessels entweichenden Abgase erwärmt wird.
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Bei der in Abb.2 dargestellten zweiten Ausführungsform wird in den
Feuerraum Fc des: Dampfkessels Ch ein Gemisch aus den noch sauerstoffreichen Abgasen
der Turbine T und der aus der Zwischenstufe S des Kompressors C entnommenen Luft
eingeführt. Der Druck der aus der Turbine T kommenden Abgase ist hier auf den Druck
der aus dem Kompressor in der Zwischenstufe S entnommenen Luft erhöht. Es ist möglich,
die Gasnnenge, welche durch die Verbrennungskammer F und die Gasturbine T hindurchströmt,
und infolgedessen auch die Querschnitte dieser Teile dadurch zu verkleinern, daß
der Förderdruck des Kompressors; also der Eintrittsdruck in die Turbine etwas erhöht
wird. Weiterhin wird dadurch ermöglicht, dem Vorwärmer R, für niedrige Temperatur
geringere Größenabmessungen als im ersten Ausführungsbeispiel zu geben.
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Die in Abb.3 wiedergegebene dritte Ausführungsform macht die Entnahme
von Luft aus einer Zwischenstufe des Kompressors entbehrlich. Alle Gase strömen
hier durch die Verbrennungskammer F, welche der Turbine T vorangeht, und dann durch
die Turbine hindurch. Sie gehen dann zum Feuerraum Fc des Dampfkessels Cla, wo sie
mit als verbrennendes Mittel verwendet werden. Der Vorwärmer R .kann, gegebenenfalls
auch in Fortfall kommen. Auf jeden Fall ist aber ein zusätzlicher Vorwärmer für
die Verbrennungsluft hier nicht möglich. Bei dieser dritten Ausführungsform sind
für einen gleichen Druck an der Eintrittsstelle in den Dampfkessel der Kompressionsgrad,
das Ausdehnungsverhältnis, die Zahl der Kompressionsstufen und die Zahl der Stufen
der Turbine viel kleiner als, bei der vorhergehend beschriebenen Ausführungsform,
weil die
zur Verbesserung der Wärmeaustauschvorgänge ausgenutzte
Arbeit hier ein Maximum ist.
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Die Ausführungsbeispiele sind in der Reihenfolge ihrer Bedeutung beschrieben,
wobei die dritte Ausführungsform die einfachste isst. Bei Dampferzeugern, die dazu
bestimmt sind, eine Antriebseinrichtung mit Dampfturbine auf einem Schiff zu speisen,
ändert sich die Leistung des Kompressors vielfach soviel wie die Geschwindigkeit
des Schiffes. Beispielsweise ist bei einem Kriegsschiff die-mittlere Nutzleistung
des Turbokompressors, welcher den Feuerraum des Dampfkessels auflädt, im Verhältnis
zur maximalen Leistung sehr klein, und die Zahl der Arbeitsstunden bei Maximalleistung
ist noch kleiner als in einem Luftfahrzeug. Es ist daher gerechtfertigt, die Turbogaskompressoren
für Schiffskessel mit erhöhten Arbeitscharakteristiken (Temperatur, Drehzahl usw.)
einzurichten.