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Beaufschlagungsregelung bei Turbinen, insbesondere Frischgas-und Abgasturbinen
Es ist bekannt, daß für die Regelung von Turbinen, z. B. Frischgas- oder Abgasturbinen,
die Düsenschaltregelung, d. h. die Veränderung der vom Treibmittel durchströmten
Düsenfläche, besonders günstig ist, da hierbei weder durch Drosseln noch durch Abblasen,
z. B. mittels eines Umgehungsventils, der Energievorrat des zur Verfügung stehenden
Treibmittels verringert wird. Gleichzeitig besteht die Forderung, daß der Durchmesser
von Turbinenrädern und die Länge der Schaufeln möglichst klein gehalten wird, da
durch diese beiden Größen einerseits das Volumen der Maschinen und andererseits
die Drehzahl derselben beeinflußt wird. In besonderem Maße spielt die Erleichterung
der Turbinen auf Fahrzeugen, insbesondere Flugzeugen, eine Rolle. Hier ist eine
möglichst weitgehende Ausnutzung der insgesamt verfügbaren Beaufschlagungsflächen
eines Turbinenrades geboten.
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Es ist bei periodisch arbeitenden Turbinen mit mehreren Verbrennungskammern
schon vorgeschlagen worden, den Feuerstrahl einer Verbrennungskammer zwischen zwei
Kühlstrahlen der benachbarten Kammern einzubetten. Für die den Gegenstand der Erfindung
bildenden Turbinen kommt dieser Vorschlag nicht in Betracht, es kann auch bei dieser
bekannten Turbine von einer Teilbeaufschlagung im Sinne der vorliegenden Erfindung
nicht gesprochen werden.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, bei Verbrennungsturbinen im
normalen Betrieb einen bestimmten Bogen des Laufrades dauernd mit Kühlluft zu beaufschlagen.
Eine solche Anordnung
diente ausschließlich der Kühlung, konnte
aber keinesfalls zur Regelung der Turbinenleistung benutzt werden. Es ist ferner
schon vorgeschlagen worden, bei Abgasturbinen, die also mit einer gegebenen, dauernd
gleichbleibenden Gasmenge arbeiten, zwecks Regelung einen Teil der Düsen mit Druckluft
zu beaufschlagen, die normalerweise mit Gas beaufschlagt sind. Hier soll die Leistung
dadurch erhöht werden, daß die Aufstau und die arbeitende Menge vergrößert werden.
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Auf diese Weise ist nur eine begrenzte Leistungssteigerung und eine
Regelung in engen Grenzen möglich.
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Durch die Erfindung sollen nun die folgenden Aufgabengelöst werden:
i. Leistungserhöhung von Frischgasturbinen durch Anpassung des Gasquerschnitts an
eine zu diesem Zweck vergrößerte Gasmenge; 2. bei Abgasturbinen die Anpassung des
Gasquerschnitts an die gewünschte Leistung unter Verwertung eines entsprechenden
Anteils der konstanten Gasmenge des Verbrennungsmotors; teils durch Verringerung
der abgeblasenen Gasmenge, teils infolge der Volumensteigerung in großen Höhen wird
eine Vergrößerung des gasbeaufschlagten Querschnitts erforderlich.
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In beiden Fällen wird die Leistung der Turbine dadurch geregelt daß
der normalerweise durch das Kühlmittel beaufschlagte Bogen ganz oder zum Teil von
diesem abgeschaltet und durch das Treibmittel beaufschlagt und so der gasbeaufschlagte
Auerschnitt um diesen Bogen vergrößert wird.
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Andererseits ist nun aber bei solchen Turbinen, die teilweise durch
ein Kühlmittel beaufschlagt werden, der hierfür benötigte Teil der verfügbaren Düsenfläche
für die Beaufschlagung durch das Treibmittel verloren. Da nun in manchen Betriebsfällen
eine besonders große Düsenfläche zur Bewältigung des zum Antrieb notwendigen Treibmittels
erforderlich ist, die weit über das Maß der in den anderen Betriebszuständen nötigen
Größe hinausgeht, sieht die Erfindung weiterhin eine Regelungsmöglichkeit für diese
Betriebsfälle derart vor, daß ein Teil des gesamten Beaufschlagungsquerschnitts
z-eitwei;se durch das Treibmittel und zeitweise durch das Kühlmittel, z. B. Fahrtwindluft,
beaufschlagt werden kann. Insbesondere kann hierdurch ein Teil des normalerweise
von Kühlluft durchströmten Beaufschlagungsbogens zeitweise vom Treibmittel durchströmt
werden, so daß der für die Kühlung übrigblzibende Beaufachlagungsbogen entsprechend
verkleinert wird. Dies ist natürlich nur in solchen Fällen möglich, wo die, insbesondere
bei Gasturbinen, notwendige Kühlung eine solche Verringerung des Kühlbeaufschlagungsbogens
gestattet.
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Von besonderer Bedeutung ist die Erfindung beispielsweise bei auf
Flugzeugen angeordneten, zum Antrieb von Ladegebläsen dienenden Abgasturbinen. So
ist z. B. in Bodennähe infolge der geringen Gasgeschwindigkeit eine besonders große
Düsenfläche erforderlich. Andererseits kann jedoch, da infolge der geringen Drehzahl
der Turbine die Fliehkraftbeanspruchung des Läufers viel kleiner ist als in großen
Höhen und daher die Beschaufelung eine viel höhere Temperatur annehmen darf, die
Kühlwirkung ohne Nachteil verringert werden. Ein anderer Fall liegt z. B. in besonders
großen Höhen vor, wenn hier, wie es sich zuweilen aus den thermodynamischen Zusammenhängen
des Arbeitsprozesses ergibt, besonders große Düsenquerschnitte für das Treibgas
notwendig werden. Zwar sind in diesem Falle die Fliebkraftbeanspruchungen des Läufers
besonders hoch, jedoch wird durch die viel stärkere Expansion des Gases die Temperatur
desselben so stark gesenkt, daß die Schaufeln weniger hoch erhitzt werden als im
Bodenbetrieb. Auch ist die Temperatur der Außenluft in der Regel geringer, was insbesondere
bei Kühlbeaufschlagung durch den Flugwind von Vorteil ist. Aus diesem Grunde ist
eine nicht so starke Kühlung notwendig und eine Verringerung des Luftbogens zulässig.
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Eine weitere vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit der Erfindung ist
ferner bei einer zum Antrieb eines Bodenfahrzeuges dienenden Frischgasturbine gegeben.
Hier ist beim Start ein besonders hohes Drehmoment notwendig, während die Drehzahlen
der Antriebsturbine noch sehr gering sind. Nimmt man z. B. ein zu 30% des Umfanges
mit sehr heißem Gas beaufschlagtes Turbinenrad an, so kann durch eine Verdoppelung
.des Gasbeaufschlagungsgrades auf 6o % eine Verdoppelung des Drehmomentes erzielt
werden. Unte:r Umständen kann sogar eine kurzzeitige Verdreifachung des Bleaufschlagungsbogens
für das Frischgas, also im erwähnten Falle auf go-% des Umfanges oder mehr zulässig
sein.
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Da sich die Einströmgehäuse für das heiße Gas und für das Kühlmittel
im Betrieb vielfach in verschiedener Weise ausdehnen, werden zweckmäßig zur Vermeidung
von Verziehungen beide Gehäuse voneinander getrennt. Insbesondere empfiehlt es sich,
denjenigen Beaufschlagungsbogen, der während des größten Teiles des Betriebes von
Gas durchströmt wird, zu einem Gehäuse zusammenzufassen und das Luftantriebsgehäuse,
welches ganz oder teilweise nur kurzzeitig vom Gas durchströmt wird, hiervon zu
trennen.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt, und zwar zeigen die Abbildungen jeweils das Einströmgehäuse a mit den
Düsen b für die Beaufschlagung der Turbine in einem OOuersch.rnitt. c ist
der Einströmkanat für das Gas, d der Einströmkanal für die Luft.
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In Abb. i ist das Einströmgehäuse in drei Sektoren A, B und
C unterteilt. A ist derjenige Sektor oder Beaufschlagungsbogen, welcher ausschließlich
vom Treibmittel (z. B. den Abgasen einer Breninkraftmaschine), B derjenige Sektor
oder Beaufschlagungsbogen, welcher ausschließlich vom Kühlmittel (z. B. Fahrtwind
öder ein anderes Kühlmittel, z. B. auch Gebläseluft) beaufschlagt wird. Der Sektor
C kann entweder vom Treibmittel oder vom Kühlmittel beaufschlagt werden. Zu diesem
Zweck ist zwischen .dem iEiinrströmrohr c und
dem Einströmrohr d
ein Verbindungsrohr e vorgesehen, welches mit dem Gehäusesektor C bei f in
Verbindung steht. Innerhalb des Verbindungsrohres e ist eine in beliebiger Weise
zu betätigende Umschaltklappe g vorgesehen, welche in der dargestellten Stellung
einen Zutritt des Treibmittels zum Gehäusesektor C gestattet. Wird die Klappe in
die Stellung-' umgestellt, so kann statt dessen das Kühlmittel aus dem Einströmkanal
d in die Kammer C überströmen.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind die Kammern oder Gehäusesektoren
B und C zu einem gemeinsamen Gehäuse a1 vereinigt und werden lediglich durch eine
Trennungswand h voneinander getrennt. Das den hohen Temperaturen der Gase ausgesetzte
Gehäuse a2 für die Kammer A ist dagegen vom Gehäuse a1 durch Spalte il und
i2 getrennt, so daß Spannungen infolge der verschiedenen Temperaturen der Gehäuse
a1 und a2 weitgehend vermieden werden.
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Im Falle der Abb. z sind lediglich zwei Sektoren Al und Cl vorgesehen.
Der Sektor Al wird wieder ausschließlich vom Treibmittel beaufschlagt, während der
Sektor Cl, welcher allein zur Kühlmittelbeaufschlagung dient, gleichzeitig auch
insgesamt zeitweise vom Treibmittel beaufschlagt werden kann. Eine Verbindungsleitung
e1 verbindet die Einströmkanäle c und d miteinander. Eine Umschaltklappe k verhindert
in der dargestellten Lage den Zutritt des Kühlmittels zur Gehäusekammer Cl, während
in der Lage k' der Klappe der Zutritt vom Treibmittel zur Kammer Cl unterbunden
und gleichzeitig eine Beaufschlagung des der Kammer Cl zugeordneten Düsenquerschnitts
durch das Kühlmittel ermöglicht ist.
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Im Falle der Abb. 2 sind die Kammern Al und Cl lediglich durch Zwischenwände
lal und lag getrennt, doch können natürlich auch in diesem Falle durch Zwischenräume
vollständig getrennte Gehäuseteile angeordnet werden.
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Des weiteren besteht auch die Möglichkeit, den zugeschalteten Gasbogen
zu unterteilen und mehrere Segmente nacheinander zuzuschalten.