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Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb von Verpuffungsbrennkraftturbinenanlagen
Während man Verpuffungsbrennkraftturbinenanlagen zunächst einstufig ausgeführt hat,
machte der Übergang zu höheren Aufladedrücken eine mehrstufige Ausnutzung des in
den Feuergasen enthaltenen Arbeitsvermögens erforderlich, wobei die erste Turbinenstufe
stets von der eigentlichen Verpuffungsbrennkraftturbine gebildet wurde. In der Verpuffungsbrennkraftturbine
werden also die starken Druckschwankungen des Teildehnungsvorganges unmittelbar
verarbeitet, während den nachgeschalteten Turbinenstufen, die man auch als Dauerstromturbinen
bezeichnet, das Feuergas verhältnismäßig gleichmäßig unter dem entsprechend hoch
gehaltenen Gegendruck der Verpuffungsbrennkraftturbine zuströmt, wobei das Auftreten
eines verhältnismäßig gleichen Druckes noch dadurch gefördert wird, daß man die
Hochdruckräder der Verpuffungsbrennkraftturbine speisenden Verpuffungskammern mit
zeitlich versetzten Zündungen arbeiten läßt.
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Man hat den durch den Treibmittelfluß an sich gegebenen und zu erhaltenden
Zusammenhang zwischen V erpuffungsbrennkraftturbine und nachgeschalteten Turbinenstufen
in örtlicher Beziehung auch schon dadurch aufgelöst, daß man die einzelnen Turbinenstufen
auf verschiedenen Wellen angeordnet hat. Dabei ergab sich eine Reihe von Möglichkeiten,
die, je nachdem, ob es sich um ortsbewegte oder ortsfeste Anlagen, um die Erleichterung
des Anlassens, um die Regelung oder um Verbesserungen anderer Maßnahmen dieser Art
handelte, in der verschiedensten Art und Weise wahrgenommen
worden
sind. So hat man den Axntrieb der Verdichter durch die Vefpuffungsbrennkraftturbine
bewirkt, während die Nutzleistung der Dauerstromturbinenwelle entnommen wurde. Auch
die umgekehrte Maßnahme ist bekanntgeworden. Weiter hat man bei Brennkraftturbinenanlagen
mit Abwärmeverwertung die Verdichter durch die Dampfturbine angetrieben, die mit
dem mittels der Abwärme erzeugten und überhitzten Dampf gespeist werden. Man hat
aber auch derartige Dampfturbinen bereits mit der die Nutzleistung abgebenden Welle
gekuppelt. In allen Fällen hat man aber entsprechend der Tatsache, daß die Verpuffungsbrennkraftturbine
die Primärmaschine zur Erzeugung des Treibmittels darstellt, sich darauf beschränkt,
das so gelieferte Treibmittel in möglichst wirtschaftlicher Weise auszunutzen und
weiter abzuarbeiten, so daß in den bisher vorgeschlagenen Verpuffungsbrennkraftturbinenanlagen
stets eine einzige Verpuffungsbrennkraftturbine die Hochdruckstufe eines Turbinensatzes
bildete, wenn man auch naturgemäß mehrere, gleichartig ausgebildete Sätze zur Bewältigung
größerer Leistungen vorgesehen hat.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß zur möglichst wirtschaftlichen
Erzeugung größerer und größter Leistungen nicht mehr von der Verpuffungsbrennkraftturbineneinheit
als gegebener Erzeugerin des Treibmittels ausgegangen werden darf, womit sich alle
weiteren Bemühungen auf die Anordnung und Ausbildung der zweiten und folgenden Turbinenstufen
zu beschränken haben, sondern daß im Gegenteil von der zweiten und den folgenden
Turbinenstufen auszugehen ist, denen gegenüber die Verpuffungsbrennkraftturbinen
nur noch den Charakter einer möglichst wirtschaftlich arbeitenden Maschine zur Anlieferung
genügend hoch gespannten und mit annähernd gleichem Druck abgegebenen Treibmittels
annehmen. Die so gewonnene Erkenntnis beruht auf folgenden überlegungen.
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Zur Erzielung eines hohen thermodynamischen Wirkungsgrades einer Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage
müssen neben der Anwendung hoher Aufladedrücke die Wärmeübergänge durch die gekühlten,
feuergasberührten Wandungen möglichst klein gehalten werden. Kleine Wärmeübergänge
lassen sich durch die Anwendung der Heißkühlung und insbesondere durch Schaffung
kleiner, feuergasberührter Wandungsflächen erreichen.
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Verhältnismäßig kleine, feuergasberührte Wandungsflächen erzielt man
aber bei der Verpuffungsbrennkraftturbine durch Beaufschlagung eines möglichst großen
Teiles des Radumfanges, weil sich dadurch bei erprobter, noch zulässiger Schaufellänge
der größtmögliche Düsenquerschnitt unterbringen läßt. Hierbei ergeben sich kleine
Raddurchtnesser und damit auch kleine Turbinengehäuse mit entsprechend geringen,
feuergasberührten Flächen. Der Vorteil stellt sich besonders ein, wenn nur eine
Verpuffungskammer und ein Düsenvorraum für das Turbinenrad vorhanden sind. Läßt
man, wie es auch schon ausgeführt wurde, zwei Kammern von insgesamt doppeltem Inhalt
über einen gemeinsamen Düsenvorraum auf ein einziges Rad arbeiten, so ergibt sich
bei gleicher, durch die zulässige Schaufellänge festgelegter Düsenhöhe einte doppelt
so lange Beaufschlagungsdauer des Rades.
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Nun verursacht aber eine zu lang andauernde Beaufschlagung des Rades
eine hohe thermische Beanspruchung des Schaufelwerkstoffes. Für diese Beanspruchung
ist es vielmehr vorteilhafter, nur einen möglichst kleinen Teil des Umfanges der
Beaufschlagung durch die Feuergase auszusetzen und den anderen Teil zu kühlen, indem
man ihn einfach eine nicht von Feuergas durchströmte, also kühle Zone durchlaufen
läßt. Aus diesem Grunde ist es auch nicht ohne weiteres möglich, die an sich günstigste
Lösung vorzusehen, die in der An-,vendung eines voll beaufschlagten Turbinenrades
besteht. Bei zu hoher thermischer Beanspruchung des Rades ist man vielmehr gezwungen,
auch bei Anwendung der besonders bewährten Fußkühlung, kürzere Schaufeln zu verwenden.
Muß man aber kürzere Schaufeln verwirklichen, so ergeben sich wieder größere Raddurchmesser
und damit auch größere Turbinengehäuse mit einem entsprechenden Zuwachs an feuergasberührter
Fläche. Anzustreben bleibt also stets die Beaufschlagung eines möglichst großen,
mit Rücksicht auf die Wärmebeanspruchung des Schaufelwerkstoffes gerade noch zulässigen
Teiles der Beschaufelung. Denn die Abmaße der Turbinenräder und -gehäusedurchmesser
vergrößern sich proportional dem Beaufschlagungsbogen, während die Abmaße der feuergasberührten
Flächen von Rädern und Gehäusen mit dem Quadrat des Durchmessers ansteigen. Ein
doppelt so großes Turbinengehäuse besitzt also viermal so große Stirnflächen wie
ein nur halb so großes.
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Wendet man diese Überlegungen auf die Ausbildung mehrstufiger Turbinenanlagen
an, so ergibt sich also, daß man die Leistungssteigerung nicht mehr auf dem früher
üblichen und stets vorgeschlagenen Weg einer Vergrößerung der Verpuffungsbrennkraftturbineneinheiten
suchen darf, sondern daß mit Rücksicht auf die Verringerung der Wärmeverluste es
richtig und weit vorteilhafter ist, eine größere Zahl von Verpuffungsbrennkraftturbinen
mit verhältnismäßig kleinen Rad- und Gehäusedurchmessern auf die gleichen, ihnen
nachgeschalteten Turbinenstufen arbeiten zu lassen.
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Ausgehend von diesen Überlegungen und Erkenntnissen kennzeichnet sich
das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zum Betrieb von Verpuffungsbrennkraftturbinenanlagen
mit Ausnutzung des Arbeitsvermögens der Feuergase in mehreren Turbinenstufen, deren
zweite und folgende vorzugsweise im Dauerstrom beaufschlagt sind, dadurch, daß die
der zweiten und gegebenenfalls den folgenden Turbinenstufen zugeführten Feuergase
in mehreren Verpuffungsbrennkraftturbineneinheiten erzeugt und in ihnen teilweise
abgearbeitet werden.
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Die Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens können in der
verschiedensten Art und Weise ausgebildet sein. Derartige Verpuffungsbrennkraftturbinenanlagen
kennzeichnen
sich vorzugsweise dadurch, daß einer Dauerstromturbineneinheit mindestens zwei Verpuffungsbrennkraftturbineneinheiten,
zweckmäßig mit zueinander versetzten Zündungen, zugeordnet sind.
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Diese Verpuffungsbrennkraftturbineneinheiten können mit Rücksicht
auf die Erfüllung der hierbei einzuhaltenden Forderung eines bei größter Schaufellänge
möglichst weit gespannten Beaufschlagungsbogens eine weitere, vorteilhafte Ausbildung
dadurch erfahren, daß in den Einheiten jedes Turbinenrad nur von je einer Verpuffungskammer
beaufschlagt ist, so daß der Beaufschlagungsbogen gleich oder größer als die Hälfte
des Radumfanges werden kann. Sind die Verpuffungsbrennkraftturbineneinheiten als
Zwillingsturbinen mit achsgegenständigen Verpuffungskammern ausgebildet, wobei zwischen
den vorteilhaft auf einer gemeinsamen Welle angeordneten, von je einer Kammer beaufschlagten
und die Hochdruckstufe bildenden Rädern ein gemeinsamer Feuergassammelraum liegt,
so können an den gemeinsamen Sammelraum auch die durch Ausströmventile zu den Kammern
zu abzuschließenden bzw. eröffenbaren Überführungen für die Restverbrennungsgase
angeschlossen sein, die unter Umgehung der Hochdruckstufe den nachgeschalteten Turbinenstufen
unmittelbar zugeführt werden. Dadurch erreicht man sogar, daß Überführungsleitungen
zwischen Sammelraum und Düsenvorraum der nachgeschalteten Turbinenstufen ganz fortfallen
können, womit die Möglichkeit einer unmittelbaren Aneinanderflanschung beider Teile
entsteht. Dadurch erreicht man einerseits die Verwirklichung eines als Beruhigungs-und
Druckausgleichsbehälter wirkenden Sammelraumes, während andererseits dessen Wärmeübergangsflächen
auf das denkbar kleinste Maß beschränkt werden. Man erreicht weiter den Vorteil,
daß sich auf diese Weise die Verpuffungsbrennkraftturbineneinheiten mit ihrem verhältnismäßig
kleinen Gehäuse viel näher an die zugehörige Dauerstromturbine heranrücken lassen,
als es bei Ausbildung größerer Brennkraftturbineneinheiten möglich wäre. Man erreicht
schließlich eine besonders vorteilhafte Anordnung dadurch, daß man je eine Dauerstromturbineneinheit
zwischen zwei Verpuffungsbrennkraftturbineneinheiten vorzugsweise achsparallel mit
ihnen aufstellen kann, wobei ohne weiteres die Möglichkeit gegeben ist, insbesondere
bei Unterfluraufstellung, weitere, mindestens aber eine Verpuffungsbrennkraftturbineneinheit
an die Dauerstromturbineneinheit anzuschließen. Dabei werden die Dauerstromturbinen
zweckmäßig doppelflutig ausgeführt, um entsprechend der Zwillingsanordnung der Verpuffungsbrennkraftturbineneinheiten
auf annähernd gleiche Turbinenlänge zu kommen. Benutzt man die Dauerstromturbineneinheiten
zur Abgabe der äußeren Arbeit, so werden sie demgemäß mit den Arbeitsmaschinen,
vorzugsweise also mit einem Generator gekuppelt. Auf der gleichen Welle können auch
die die Abwärme der Anlage verarbeitenden Dampfturbinen vorgesehen sein. Die vorgeschlagene
Dreiwellenanordnung hat den weiteren Vorteil eines besonders einfachen Antriebes
und einer zweckvollen Aufteilung der Verdichtersätze, insbesondere bei Gasbetrieb.
Denn in diesem Fall können die Verpuffungsbrennkraftturbineneinheiten unmittelbar
die Verdichter antreiben. Für hohe Drehzahlen sind dabei insbesondere Axialverdichter
geeignet, die sich wegen ihres besonders hohen adiabatischen Wirkungsgrades von
So 0/u und mehr eignen, da die Erzielung eines guten Gesamtwirkungsgrades in besonders
hohem Ausmaß von dem Wirkungsgrad der Verdichteranlage abhängt. Darüber hinaus kann
durch Aufteilung der Verdichteranlage in luft- und gasverdichtende Sätze eine besonders
übersichtliche Anordnung erzielt werden. Bei Gichtgas beispielsweise sind die benötigten
Verdichterleistungen für Luft und Gas ungefähr gleich, da sich das Mischungsverhältnis
der Ladung annähernd wie r : i verhält. Durch diese Aufteilung lassen sich insbesondere
dann, wenn die einzelnen Verdichterstufen in mehreren Gehäusen untergebracht sind,
klare Rohrleitungsverhältnisse schaffen.
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Das Anfahren derartiger Brennkraftturbinenanlagen kann in verschiedener
Weise vorgenommen werden. Weist eine der Luftverdichtungsstufen, vorzugsweise die
etwa über eine Flüssigkeitskupplung mit einem Elektromotor oder einer anderen Antriebsquelle
kuppelbare, entgegengesetzt zur Antriebsturbine liegende letzte Luftverdichterstufe,
Einrichtungen auf, über die sie auf Gasbetrieb umschaltbar ist, so kann bei laufender,
fremd angetriebener Steuerung zunächst die Luftverdichterseite durch Anlassen des
Elektromotors in Betrieb genommen werden. Auf diese Weise wird die diese Seite antreibende
Verpuffungsbrennkraftturbineneinheit hochgefahren, so daß der Elektromotor durch
Lösen der Flüssigkeitskupplung abgeschaltet werden kann. Nunmehr läßt sich die zweite
Turbinenseite mit der Druckluft hochfahren, welche die von der ersten Turbineneinheit
angetriebenen Luftverdichter liefern. Dadurch kommt die Gasverdichterseite in Betrieb,
so daß nunmehr die Verdichterstufe auf der Luftseite auf Luftverdichtung umgeschaltet
werden kann, die bis zu diesem Zeitpunkt das Gas verdichtet hatte.
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Beim Betrieb der Brennkraftturbinenanlage mit flüssigen Brennstoffen
ist insbesondere bei größeren Anlagen eine Aufteilung der in diesem Fall nur noch
vorhandenen Luftverdichter in Gruppen ebenfalls von Vorteil. Auch hier wird das
Anfahren zweckmäßig nur durch Inbetriebnahme einer Verdichtergruppe durchgeführt,
wobei die Brennstoffpumpe mit der fremdgetriebenen Steuerwelle gekuppelt ist.
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Die Zeichnung zeigt eine Ausführung der Erfindung am Beispiel einer
gichtgasbetriebenen Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage, in der einer auf einer
Mittelwelle angeordneten, die Nutzleistung abgebenden Dauerstromturbine zwei zum
Antrieb der Verdichtersätze arbeitende Verpuffungsbrennkraftturbineneinheiten auf
zwei Seitenwellen zugeordnet sind.
Es bezeichnen i und 2 die beiden
Verpuffungsbrennkraftturbineneinheiten, die auf je einer Seite der gemeinsamen Dauerstromturbine
3 achsparallel zu ihr angeordnet sind. Jede der beiden Verpuffungsbrennkraftturbinen
ist als Zwillingsturbine ausgebildet. Unter den Gehäusen liegen demgemäß je zwei
Verpuffungskammern q. und 5 bzw. 6 und 7 mit senkrechter Längsachse. Die als zweikränzige
Curtis-Räder ausgebildeten Hochdruckstufen 8 und 9 werden von den Verpuffungskammern
q. und 5 aus über die Düsenventile To und i i bzw. 12 und 13 beaufschlagt und verarbeiten
unmittelbar die Druckschwankungen des ersten Teildehnungsvorganges. Die Curtis-Räder
8 und 9 sind dabei auf der gemeinsamen Welle 1.4 bzw. 15 angeordnet. Beide Kammern
je einer Turbine, deren Arbeitsspiele zueinander versetzt sind, puffen gegenseitig
in den zwischen dem Doppelläufer 8, 9 angeordneten Feuergassammelraum 16 bzw. 17
aus. In die gleichen Sammelräume gelangen auch die über die Auslaßventile 18, i9
bzw. 2o, 21 unter Umgehung der Hochdruckstufe unmittelbar aus den Kammern mittels
der Ladeluft ausgeschobenen Restverbrennungsgase. An die Sammelräume 16, 17 unmittelbar
angeflanscht ist der Düsenvorraum 22 der gemeinsamen Dauerstromturbine 3. Zum Ausgleich
der Wärmedehnungen der drei Einheiten kann die Verbindung derselben auch über nicht
gezeichnete elastische, kurze Verbindungsglieder erfolgen. Man erkennt, daß sich
auf diese Weise äußerst kleine Räume 16, 17 und 22 ergeben, die bei einem Inhalt,
der die Beruhigung der Feuergaswirbel und den Druckausgleich in dem erforderlichen
Ausmaß gewährleistet, ein Kleinstmaß an feuergasberührten Flächen aufweisen. Die
Dauerstromturbine 3 selbst ist doppelflutig ausgebildet. Die Beschaufelungen sind
mit 23, 2.a. bezeichnet worden. Die Feuergase verlassen die Dauerstromturbine 3
über die Ausströmräume 25, 26. An die Ausströmräume 25, 26 schließen sich nicht
gezeichnete, zweckmäßig senkrecht angeordnete überhitzer an, die durch ein gemeinsames,
zum Abhitzkessel führendes Hosenrohr verbunden sind. Überhitzer dienen zur Überhitzung
des durch Heißkühlung in den Turbinengehäusen und mittels der Abwärme imAbhitzkessel
erzeugten Naßdampfes.
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Entsprechend dem Gichtgasbetrieb der Anlage dient die Verpuffungsbrennkraftturbine
i zum Antrieb der Luftverdichter-, die Verpuffungsbrennkraftturbine 2 im wesentlichen
zum Antrieb der Gasverdichtersätze. Da es sich um eine Anlage zur Erzeugung größerer
Leistungen. handelt, sind die Verdichterstufen in mehreren Gehäusen untergebracht.
Die Verdichterstufen für die Ladeluft sind mit 27, 28, die Verdichterstufen für
das Gas mit 29, 3o bezeichnet. Die Gasverdichterstufe 30 wird mit dem Nachladeluftverdichter
31 zur Erzielung eines besonders günstigen adiabatischen Wirkungsgrades über das
Übersetzungsgetriebe 32 mit höheren Drehzahlen betrieben; aus diesem Grunde erfolgt
an dieser Stelle eine Durchbrechung der Aufteilung von Luft- und Gasseite, um ein
zweites Übersetzungsgetriebe entbehrlich zu machen. Zur Erleichterung des Anlassens
der Anlage ist noch ein Elektromotor 33 vorgesehen, der mittels der Flüssigkeitskupplung
34 mit dem Maschinensatz 1, 27, 28 verbindbar ist. Weiter weist die Luftverdichterstufe
28 Einrichtungen auf, um sie in der Zeit des Anfahrpns mit den Gassaug- und -druckleitungen
zu verbinden. Es wird also mittels des Elektromotors 33 zunächst Luft und Gas in
den Stufen 27 und 28 verdichtet. Auf diese Weise wird die Brennkraftturbineneinheit
i hochgefahren. Nach Abschaltung des Elektromotors 33 über die Kupplung 34 wird
die Brennkraftturbineneinheit 2 in der bereits beschriebenen Art und Weise hochgefahren,
worauf die Luftverdicliterstufe 28 ihrer Bestimmung gemäß in Betrieb genommen wird.
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Die Dauerstromturbine 3 gibt ihre Leistung an den gleichfalls auf
der Mittelwelle angeordneten Generator 35 ab. Angeflanscht ist auch noch die Dampfturbine
36, die den mittels der Abwärme der Anlage erzeugten, überhitzten Dampf verarbeitet.
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Die gesamte Anlage ist klar und harmonisch aufgegliedert und arbeitet
deshalb mit höchstem Wirkungsgrad, weil es gelungen ist, in ihr die Forderung nach
geringsten Wärmeverlusten durch Schaffung kleinster Wärmeübergangsflächen mit der
Verwirklichung der Heißkühlung und mit der Anwendung hoher, in wirtschaftlichster
Weise in Axialverdichtern erzeugter Aufladedrücke unter Erfüllung aller weiteren,
oben im einzelnen dargelegten Einzelbedingungen zu erfüllen.