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Gasturbine mit Innenkühlung der umlaufenden Teile Der Wirkungsgrad
einer aus Verdichter, Brennkammer und Gasturbine bestehenden Wärmekraftanlage hängt
außer vom Druck wesentlich von der Höhe der zulässigen Temperatur des Gases vor
der Turbine ab. Dank der Entwicklung der warmfesten Stähle hat man die Temperatur
in den letzten Jahren erhöhen können. Durch innere Kühlung Ales Laufrades und der
Schaufeln einkranziger Abgasturbinen mit hindurchströmender Kühlluft oder durch
Verdampfen von Wasser wurden zulässige Gastemperaturen von goo° erreicht. Aber bei
dieser Temperatur bleiben die Wirkungsgrade noch erheblich unter den bei anderen
Brennkraftmaschinen erreichten Werten.
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Mehr- bis vielstufige Gasturbinen mit Innenkühlung der umlaufenden
Teile und mit Kühlmittelförderung durch Fliehkraft sind bekannt, bei welchen der
Druck im Läuferinnern größer ist als im Kühler und das verdampfte Kühlmittel als
Arbeitsmittel z. B. für einen Dampfmaschinenprozeß verwendet wird.
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Man hat auch, wie bekannt, vorgeschlagen, den heißen Brenngasen, bevor
sie in die Be$chaufelung der Turbine eintreten, einen Teil ihrer Wärme zu entziehen
und an ein' anderes Arbeitsmittel zu übertragen, das dann gemeinsam mit den auf
etwa die Temperatur dieses zweiten Arbeitsmittels herabgekühlten Brenngasen Arbeit
leistet. Aber bei diesem Verfahren geht gerade die hohe Temperatur der Brenngase
vor ihrer Arbeitsleistung verloren, während sie zu erhalten für die Erfindung gerade
wesentlich ist.
Die Erfindung hat zum Gegenstand eine Gasturbine
mit Innenkühlung der umlaufenden Teile und mit Kühlmittelförderung durch Fliehkraft,
bei welcher der Druck des Kühlmittels im Läuferinnern größer ist als im Kühler und
das verdampfte Kühlmittel als Arbeitsmittel verwendet wird. Hierdurch ist es möglich,
die Gastemperaturen bis auf die in Feuerungen auftretenden Werte zu steigern. Dabei
können zugleich die Drücke in der Brennkammer wesentlich erhöht werden. Die Gasturbinen
erreichen dadurch dieselben Wirkungsgrade wie die Kol:benbrennkraftmaschinen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das Erfinderische darin, daß der
hohle Innenraum des Läufers einer mehr- bis vielstufigen Gasturbine als einbauloser
Trommelkessel mit im Innern der Turbinenschaufeln gebildeten Fingerlingrohren ausgestaltet
ist, der in diesen erzeugte Dampf aus einer freien Flüssigkeitsoberfläche in das
Kesselinnere ausdampft und die Speiseflüssigkeit in an sich bekannter Weise einseitig
durch die Umdrehung in den Kessel gefördert wird.
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Bei diesem Vorschlag einer Gasturbine mit Innenkühlung ist der Läufer
der Turbine als geschlossener Hohlkörper für höheren Druck ausgebildet, dem z. B.
durch die hohle Welle das Kühlmittel zugeführt und entnommen wird. Die Schaufeln
sind in der Regel ebenfalls hohl ausgeführt und stehen mit dem Innern des Läufers
in Verbindung. In dem Läufer herrscht ein höherer Druck alis in der Umgebung bzw.
im Kühler, der die dem Läufer entzogene Wärme wieder abgibt. Durch diesen höheren
Druck wird die Kühlung, wie weiter unten ausgeführt wird, in sehr wirksamer Weise
verbessert. Außerdem wird es möglich, das Kühlmittel in einem eigenen Wärmekraftprozeß,
der in der Regel aus einer Dampfturbine, einem Kühler und einer Speisepumpe besteht.
Arbeit leisten zu lassen. Die dem heißen Gaisstrom in der Gasturbine entzogene Wärme
ist dann kein Verlust mehr, sondern wird mit dem guten Wirkungsgrad der Dampfturbine
in Arbeit verwandelt.
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Die besondere Wirksamkeit der Kühlung bei höherem Druck wird durch
folgende Umstände erzielt: In dem mit hoher Drehzahl umlaufenden Läufer treten sehr
hohe Fliehkräfte auf, die das 5oooofache der Schwerebeschleunigung übersteigen können.
In gleichem Maße erhöht sich der nach- der Läuferachse gerichtete Auftrieb der wärmeren
Teile des Kühlmittels gegen die kälteren. Dieser Auftrieb ist andererseits der Dichte
des Mittels verhältnisgleich; er wächst' also bei Gas oder Dampf als Kühlmittel
proportional dem Druck, während die der Bewegung widerstehende Zähigkeit vom Druck
praktisch unabhängig ist. Die in den äußeren Teilen des Läufers und in den Schaufeln
durch Wärmezufuhr ausgedehnten Teile des Kühlmittels werden also mit außerordentlich
hohem Auftrieb der Fliehkraft entgegen nach der Achse des Läufers geführt, während
die kälteren Teile sich nach außen bewegen. Hierdurch wird die Kühlung in sehr wirksamer
Weise verbessert, und man erreicht bei Drücken von beispielsweise 20 bis 5o kt mit
Gasen und Dämpfen Wärmeübergangszahlen, wie sie sonst nur bei Flüssigkeiten vorkommen.
Man braucht daher nicht notwendig mit einer Flüssigkeit zu kühlen, durch deren größere
Masse die kritische Drehzahl des Läufers herabgesetzt wird. Aber auch bei Flüssigkeitskühlung
besitzt der höhere Druck Vorteile, denn mit steigendem Druck steigt auch die Sättigungstemperatur
der Flüssigkeit, wobei die Zähigkeit sich vermindert und der Ausdehnungskoeffizient
zunimmt.
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In besonders hohem Maße wird die Kühlwirkung gesteigert, wenn man
als Kühlmittel einen Stoff benutzt unter solchem Druck, daß er sich in den äußeren
Teilen des Läufers bei der dort vorhandenen Temperatur in der Nähe seines kritischen
Punktes befindet. In diesem Zustand ist ein Stoff zum Transport von Wärme besonders
geeignet, weil der Ausdehnungskoeffizient und die spezifische Wärme in der Nähe
des kritischen Punktes sehr große Werte annehmen und im kritischen Punkt selbst
sogar unendlich groß werden. Bei Wasser liegt der kritische Punkt zwar bei dem ziemlich
hohen Druck von 225 at, aber es gibt zahlreiche Flüssigkeiten, wie z. B. Benzol,
Alkohol und die meisten anderen Kohlenwasserstoffe mit kritischen Drücken zwischen
30 und 7o at. Da das Kühlmittel in geschlossenem Kreislauf arbeitet, ist
man nicht an Wasser gebunden, sondern kann sich beliebige Flüssigkeiten oder Dämpfe
mit günstigen thermischen Eigenschaften aussuchen. Dabei kann ein Stoff höheren
Molekulargewichtes als Wasser Vorteile bieten, da er bei demselben Druckgefälle
mit weniger Stufen in der Dampfturbine auszukommen gestattet, wodurch deren Abmessungen
kleiner ausfallen. Auch Zweistoffgemische, z. B. aus Wasser und Alkoholen, können
benutzt werden. Dabei wird zugleich der Gefrierpunkt gegenüber reinem Wasser gesenkt
und die Gefahr des Einfrierens in der Kälte vermindert. Da das Kühlmittel dem mit
hoher Drehzahl umlaufenden Läufer bei niederer Temperatur und damit höherer Dichte
zugeführt und in ihm durch Wärmezufuhr auf niedrigere Dichten kommt, kann man durch
geeignete Führung des Kühlmittels erreichen, daß es durch die Fliehkraft auf Druck
gebracht wird, so daß die Speisepumpe entbehrt oder für ein kleineres Druckgefälle
ausgelegt werden kann. Diese Wirkung ist nicht auf verdampfende Flüssigkeiten beschränkt,
sondern tritt in den hohen Fliehkraftfeldern in rasch umlaufenden Körpern auch schon
bei Gasen oder Dämpfen auf.
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Man kann den gekühlten Läufer auch .so weit verlängern, daß sein Mantel
einen Teil der Begrenzung der Brennkammer bildet; dann ist dieser Teil sehr wirksam
gekühlt, und es wird durch die bewegte Wand starke Turbulenz in der Brennkammer
erzeugt, denn die an der umlaufenden Wand gekühlten Gasteile werden durch Fliehkraft
nach außen geschleudert und stark verwirbelt. Auf diese Weise wird die Brennkammer
kleiner
und ihr Wärmeumsatz je Raumeinheit erheblich erhöht.
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Die anderen ruhenden Wandteile der Brennkammer kann man als Vorwärmer
oder als Überhitzer verwenden und in den Dampfkraftprozeß einbeziehen.
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t'nter Umständen ist es vorteilhaft, den Dampf gleich im Läufer der
Gasturbine zu überhitzen. Dann kann er unmittelbar, z. B. durch die hohle Welle
einer auf derselben Achse mit der Gasturbine angeordneten Dampfturbine zugeführt
werden, und man spart die bei Überführung des Dampfes hohen Druckes von bewegten
auf ruhende Teile nötigen Stopfbüchsen oder Labyrinthdichtungen. Der Läufer der
Gasturbine läßt sich mit dem Läufer der Dampfturbine vereinigen, indem man den Dampf
durch Düsen entgegengesetzt der Drehrichtung austreten läßt, wobei durch Reaktion
ein Teil des Druckgefälles bereits in Arbeit verwandelt wird. Der Rest des Arbeitsvermögens
kann dann in weiteren. Stufen verarbeitet werden, deren Schaufelkränze am Läufer
der Gasturbine oder auch in einem besonderen gleichachsigen Läufer sitzen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung zeigt Abb. i. Dabei ist
a der Verdichter, b die Brennkammer, c die Gasturbine, d die Dampfturbine,
e der Kühler, f die Speisepumpe; bei g kann die Leistung der Gasturbinen-Verdichter-Anlage
z. B. über ein Zahnradgetriebe abgenommen werden. Die Dampfturbine gibt hier ihre
Leistung gesondert ab; man kann sie aber auch auf dieselbe Welle mit dem Versdichter
und der Gasturbine setzen oder sie durch Getriebe damit verbinden.
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Die Verbrennungsluft tritt bei h, wie durch die gefiederten Pfeile
angedeutet, in den Verdichter ein und wird darin auf den Brennkammerdruck verdichtet.
In die Brennkammer wird bei i Brennstoff eingespritzt, die Flammengase durchströmen
die Gasturbine und treten bei k in den Abgaskanal ein, wobei sie gegebenenfalls
noch durch einen Wärmeaustauscher gehen, der ihre Temperatur weiter vermindert durch
Weitergabe der Wärme, z. B. an die verdichtete Luft.
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Das Kühlmittel wird vom Kühler e vermittels der Speisepumpe f durch
-die hohle Welle des Verdichters der Trommel des Gasturbinenläufers zugeführt. Sein
Weg ist durch kleine ungefiederte Pfeile angedeutet. Sorgt man dafür, daß das Kühlmittel
die Trommel nicht ausfüllt, sondern nur den inneren Mantel der Trommel bedeckt,
so kann der Druck in der Trommel durch die Fliehkraft der Flüssigkeit auf ihrem
Wege von der Achse zum Umfang erzeugt werden. Zu dem Zwecke ist in der Trommel ein
fester Einbau L vorgesehen, der geschlossene vom Dampfraum abgetrennte Kanäle für
das eintretende Kühlmittel schafft. In der Trommel bildet die Flüssigkeit durch
die Fliehkraft einen Ring, der die innere Wand der Trommel bedeckt. Dabei dringt
sie auch in die Hohlräume der Schaufeln ein. Bei den hohen Fliehkräften und dem
großen Druckgefälle in der Flüssigkeit verdampft diese nicht in den Schaufeln oder
an der Trommelwand, sondern erst an oder in der Nähe ihrer Oberfläche, wobei der
Wärmetransport in der Flüssigkeit durch die im Fliehkraftfelde außerordentlich erhöhte
Konvektion erfolgt. Der Dampf verläßt die Trommel durch die hohle Welle über die
Stopfbüchse m, wobei zur Regelung des Druckes noch ein selbsttätiges oder gesteuertes
Ventil eingebaut sein kann. Bildet man dieses Ventil so aus, daß es Dampf erst austreten
läßt, wenn der Druck in der Trommel einen bestimmten Wert erreicht hat, so ergibt
sich eine außerordenlich einfache Regelung der Anlage. Der Dampf durchströmt weiter
die Leitschaufeln n der Turbine und den äußeren z. B. aus Rohrschlangen beistehenden
Mantel o der Brennkammer, wobei er sich überhitzt. Dann tritt er in die Turbine
d ein, leistet dort Arbeit, wird im Kondensator e niedergeschlagen. Das Kondensat
wird durch die Speisepumpe wieder in den Kreislauf gefördert. Falls die Kühlwirkung
durch sich überhitzenden Dampf zur Kühlung der Leitschaufeln der Gasturbine oder
der Brennkammerwand nicht ausreicht, kann man diese auch durch Flüssigkeit kühlen,
die von der Speisepumpe zugeführt wird. Dabei kann man die Flüssigkeit teilweise
verdampfen lassen, das Unverdampfte in die Gasturbinentrommel einspeisen und den
gebildeten Dampf gegebenenfalls nach Überhitzung dem Niederdruckteil der Turbine
zuführen. Außerdem sind ebenso wie bei Dampfkraftanlagen eine Anzahl von zusätzlichen
Vorrichtungen zur Erhöhung der Wärmeausnutzung, wie z. B. Vorwärmer für Wasser und
Verbrennungsluft, Regelvorrichtungen usw., möglich. Man kann z. B. die Kühlung der
Leitschaufeln und der Außenwand der Brennkatnmer auch ganz von der Kühlung der umlaufenden
Teile der Turbine trennen und die hier anfallende Wärme gesondert ausnutzen.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel des gekühlten Gasturbinenläufers zeigt
Abb.2. Dabei dient nur ein Teil des Läufers mit den ersten beiden Laufschaufelkränzen
als Verdampfer, der andere als Überhitzer. Die Ringwand p verhindert die Flüssigkeit
am Übertritt in den als überhitzer dienenden Teil des Läufers. In ihre zentrale
Öffnung kann gegebenenfalls noch ein Ventil eingebaut werden, das nur Dampf durchläßt.
Der Dampf wird, wie aus der Abbildung ersichtlich, mit Hilfe von Zwischenwänden
q durch die Schaufeln des dritten und vierten Kranzes geführt. Dann verläßt er die
Trommel durch Reaktionsdüsen bei r und tritt in eine Dampfturbine ein, deren Laufschaufeln
auf der inneren Wand der verlängerten Gasturbinentrommel sitzen. Die Leitschaufeln
sind auf einem Leitschaufelträger t angebracht, der entweder feststeht oder sich
im entgegengesetzten Drehsinn dreht, so daß die Leitschaufeln auch Arbeit leisten,
die man durch ein Umkehrgetriebe auf die Welle übertragen kann. Der Dampf sammelt
sich dann in dem Ringraum u, der durch ein Labyrinth v gegen die Läufertrommel und
gegen den Leitschaufelträger abgedichtet ist, falls dieser auch umläuft. Diese Ausbildung
bietet keine Schwierigkeiten, da es sich um Dampf hinter der
Turbine
handelt, dessen Druck nur etwa z at beträgt. Auf der äußeren Wand der verlängerten
Gasturbinentrommel sitzt bei Abh. 2 noch ein 1111-gekühlter Schaufelkranz der Gasturbine,
da hier die Gastemperatur im allgemeinen schon so niedrig ist, daß es einer Kühlung
nicht mehr bedarf.
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Wenn der Dampf im Läufer überhitzt wird und dann unmittelbar in die
Turbine eintritt. muß die Kühlung der Leitschaufeln der Gasturhine und der äußeren
Brennkammerwand in anderer `Veise erfolgen. Man kann dazu einen besonderen Kreislauf
vorsehen, in dem eine Flüssigkeit verdampft wird, man kann aber auch die aus dein
Verdichter kommende Luft zur Kühlung verwenden und so die Kühlwärme dem Gasturbinenprozeß
wieder zuführen. Schwierigkeiten macht dabei die Kühlung der Leitschaufeln, da man
die Luft durch sie nicht mit genügend großer Geschwindigkeit hindurchpressen kann.
Es wird daher eines flüssigen Wärmeträgers bedürfen, der die Schaufeln durchläuft
und in einem Wärmetauscher die aufgenommene Wärme an die Verbrennungsluft weitergibt.
Dazu kann ebenfalls ein Stoff in der Nähe seines kritischen Punktes gewählt «-erden.
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Die Regelung des Kühlmittelzuflusses zum Läufer der Gasturbine kann,
wenn dieser den Dampf zugleich überhitzt, mit Hilfe der Überhitzungstemperatur geschehen,
derart, daß mit steigender Überhitzung der Zufluß erhöht wird und umgekehrt. Um
diese Regelung zu erleichtern, wird man die Trommel so bauen, daß die von der Flüssigkeit
benetzte Oberfläche mit «-achsender Flüssigkeitsmenge in ihr zunimmt. Zu diesem
Zwecke kann z. B. der innere Durchmesser der Trommel sich nach dein Überhitzerteil
hin konisch verjüngen.
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Durch die mit Hilfe der vorliegenden Erfindung mögliche Steigerung
des Druckes und der Temperatur der Brennkarrimer und durch die Ausnutzung der Kühlwärme
in einer Dampfturbine lassen sich nicht nur hohe Wirkungsgrade erzielen, sondern
man kann auch große Leistungen in sehr kleinem Raum unterbringen. Die Erfindung
ist daher nicht auf ortsfeste Anlagen beschränkt, sondern hat ihre Hauptbedeutung
auf dein Gebiete des Fahrzeugantriebes, im Schiffbau und in der Luftfahrt.