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Zellenradschleusenanordnung für Gasturbinenanlagen Die Erfindung betrifft
eine Zellenradschleusenanordnung für Gasturbinenanlagen mit zwei- oder mehrstufiger
thermischer Aufheizung und Wärmeentzug bei konstantem Druck nach der Aufheizung.
Bei solchen Gasturbinenanlagen ist das Verhältnis der verfügbaren Arbeit zur Verlustwärme
gegenüber den bekannten Kreisprozessen verbessert, da der vorverdichteten Luft bei
konstantem Volumen Wärme zugeführt wird und dann in einer zweiten Stufe oder in
weiteren Stufen der erwärmten Luft bei weiterhin konstantem Volumen erneut Wärme
in einer oder mehreren Brennkammern zugeführt wird. Dem sehr hoch erhitzten und
mehrstufig auf -höheren Druck gebrachten Gas wird dann bei konstantem Druck so lange
Wärme entzogen, bis die Temperatur auf ein für die bewegten Teile der Turbinenanlage
erträgliches Maß gesenkt ist. Es sind als Stoßwellenverdichter arbeitende Zellenräder
bekannt, bei denen ein Gas von niederem Druck auf einen höheren Druck gebracht wird,
indem gleichzeitig ein Gas von gleichem aber hohem Druck auf den niederen Druck
entspannt wird. Das eine Gas wird dabei durch Verdünnungswellen von höherem auf
niederen Druck und das andere Gas durch Verdichtungswellen von niederem Druck auf
höheren Druck gebracht. Diese Wanderwellen werden in bekannter Weise durch rasches
Öffnen und Schließen der Zellen eines Druckaustauschers bei stillstehendem oder
strömendem Zelleninhalt erzeugt.
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Die bekannten Druckaustauscher sind zur Lösung der erfindungsgemäßen
Aufgabe nicht geeignet, da bei der isochoren Verdichtung ein stets gleich großes
Volumen in einen abgeschlossenen Raum gefördert bzw. aus demselben herausgefördert
wird.
Jede Zelle muß immer entleert und gefüllt werden. Außerdem muß bei der isochoren
Verdichtung nach Möglichkeit jeder Schwingungsvorgang vermieden werden, da dieser
die Funktion stört.
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Für eine nach dem beschriebenen Verfahren arbeitende Gasturbinenanlage
ist erfindungsgemäß das Zellenrad von einem Schleusengehäuse allseitig umgeben.
Das Schleusengehäuse ist in einem oder mehrere am Umfang aufeinanderfolgende Brennkammersektoren
aufgeteilt, die außenseitige, etwa axiale Gas-Ein- und -Auslaßöffnungen aufweisen.
In jedem Sektor sind neben der Brennkammer mindestens zwei Wärmeaustauscherkammern
vorhanden, die innenseitige, etwa axiale Verbindungen von und zu den Zellen des
Rades besitzen.
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Die Wärmeaustauscherkammern liegen erfindungsgemäß in der Gasströmungsrichtung
vor und hinter der Brennkammer. Sie besitzen. Zwischenwände, die das von der Schleuse
in die Kammern geförderte Gas zwingen, einen vorgeschriebenen Weg zwischen Kammereintritt
und Kammeraustritt zurückzulegen, wobei die Gase wiederholt an den Wänden des Schleusenrades
vorbeigeführt werden.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in einem Ausführungsbeispiel
dargestellt,.und zwar zeigt Abb. i einen Schnitt durch eine Wärmetauscherkammer
nach Linie I-I der Abb. a, Abb. a einen Schnitt nach Linie II-II der Abb. i bei
abgewickeltem Zellenrad, Abb. 3 einen Schnitt nach Linie III-III der Abb. i bei
abgewickeltem Zellenrad, Ab b. 4 einen Schnitt nach Linie IV-IV der Abb. z, Abb.
5 einen Schnitt nach Linie- V-V der Abb. @@ und Abb. 6 einen Schnitt nach Linie
VI-VI der Abb. 2.
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Das an sich bekannte Zellenrad i ist auf der Welle z angeordnet. Die
Welle z ist meist mit dem Verdichter und der Arbeitsturbine verbunden und dreht
alle beweglichen Teile der Gasturbinenanlage. Das Zellenrad i besitzt an seinem
Umfang Kammern 3, die in einem Schleusengehäuse 4 umlaufen. Das Schleusengehäuse
4 umgibt das Zellenrad i allseitig und ist in mehrere am Umfang aufeinanderfolgende
Brennkammersektoren aufgeteilt. Außenseitig besitzt das Schleusengehäuse 4 für jeden
Sektor etwa axiale Eintrittsöffnungen 5 für die vom Verdichter kommende Luft und
Austrittsöffnungen 6 für das Arbeitsgas.
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Das Schleusengehäuse 4 enthält die Brennkammer 7 und zu beiden Seiten
der Brennkammer Wärmetauscherkammern 8, 9. Die Kammern 8, 9 besitzen innenseitige,
etwa axiale Verbindungen von und zu den Zellen 3 des Rades i. In den Wärmetaus.cherkammern
8, 9 sind Zwischenwände io vorhanden, die das von der Schleuse in die Kammern geförderte
Gas zwingen, einen vorgeschriebenen Weg zwischen dem Kammereintritt und dem Kammeraustritt
zurückzulegen. Auf diesem Wege werden die Gase wiederholt an den Wänden des Schleusenrades
i, 3 vorbeigeführt.
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Die bei 5 eintretende vorverdichtete Luft ge langt über die Zellen
3 in Pfeilrichtung i i durch die erste Wärmetauscherkammer 8 und wird durch die
Zellenradwände vorgewärmt, um dann bei i a in die Brennkammer 7 zu gelangen, wo
eine weitere Aufheizung durch Kraftstoffeinspritzung erfolgt. Die nunmehr sehr hoch
aufgeheizten Gase gelangen dann in die zweite Wärmetauscherkammer 9 und geben hier
an die Zwischenwände io und die Kammern des Zellenrades Wärme ab, um dann bei 6
zur Arbeitsturbine geführt zu werden. Der beschriebene Vorgang kann sich am Umfang
des Zellenrades in den einzelnen Brennkammersektoren wiederholen.
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In den Wärmetauscherkammern 8, 9 können neben den Zwischenwänden io
zusätzliche Mittel zur Wärmeübertragung vorgesehen sein, welche einmal ihre Wärme
an das Gas- abgeben und zum anderen in der Kammer 9 vom Gas die Wärme aufnehmen.
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Die Zellenradschleuse und das sie allseitig umgebende Gehäuse schließen
in steter Folge aneinander, so da,ß der Kanal 5, durch den die kalten Gase eintreten,
und Kanal 6, durch den die heißen Gase austreten, dicht aneinander stoßen
(s. Abb. i). Die Wände des Gehäuses sind also ohne weiteres in der Lage, die von
den Zwischenwänden io der Kammer 9 aufgenommene Wärme über die relativ dicken Außenwände
an die Zwischenwände io der Kammer 8 zur Abgabe an die Gase weiterzuleiten. Sollte
die Wärmeleitung allein nicht ausreichen. so besteht immer noch die Möglichkeit,
zusätzliche Mittel zur Wärmeübertragung heranzuziehen. Es ist dabei daran gedacht,
durch Bohrungen und Röhren eine Wärmeübertragung mittels Salze, strömender Mittel
usw. anzuwenden.
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Das bei 5 eintretende Frischgas wird zunächst stufenweise den verschiedenen
Kammern 8 zugeführt, in jeder einzelnen Kammer 8 aufgeheizt und höher verdichtet.
Wegen der geringen Rufheizung zwischen den einzelnen Zellen wird nur ein kleiner
Druckunterschied entstehen, so daß die Voraussetzung zu einem Stoßwellenverdichter
erfindungsgemäß überhaupt nicht gegeben ist. Es handelt sich um eine rein isochore
Verdichtung.
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Die Umwälzung des aufzuheizenden Gases muß mechanisch aufrechterhalten
werden. Zu diesem Zweck ist der Durchmesser des Zellenrades auf der Eintrittsseite
kleiner als auf der Austrittsseite (Abb. i). Ein größerer Drucksprung entsteht erst
bei Freigabe des Kanals 7 gegenüber der Brennkammer, aber auch hier wird durch entsprechende
Wahl der Zellenbreite und der maximalen Geschwindigkeiten bewußt auf die Aufnahme
einer Stoßwelle verzichtet bzw. ihr entgegengearbeitet werden müssen. Nach Eintritt
in die Zelle 9 und entsprechendem Wärmeentzug wird das Heißgas zu einem Teil der
Öffnung 6 zugeführt, während ein anderer Teil mit der Zellenradschleuse in den Spülquerschnitt
5a zugeführt wird.
Die vom Verdichter kommende kalte Luft tritt
in den Kanal 5 ein und schiebt die noch in de: Schleuse vorhandenen Heißgase, die
unter demselben Druck stehen, durch den Kanal 511 aus. Es besteht also noch ein
erhebliches Druckgefälle, das den verschiedensten Zwecken zugeführt werden kann,
je nachdem, zu welchem Zweck die Gasturbinenanlage gedacht ist. Wenn z. B. die erfindungsgemäße
Schleuse zum Betrieb einer Flugzeuggasturbine vorgesehen ist, so können die unter
Hochdruck stehenden Gase, die den Kanal 6 verlassen, der Arbeitsturbinengruppe zugeführt
werden, d. h. der Turbine, die den Verdichter und gegebenenfalls auch einen Propeller
oder Vorverdichter antreiben, während die Gase des Kanals 5° durch eine Expansionsdüse
zur Erzeugung von Rückstoß direkt ins Freie strömen. Für den Fall, daß eine Verwertung
der kinetischen Energie im Rückstoß nicht möglich ist, läßt sich das vorhandene
Gefälle auch in einer Niederdruckstufe einer normalen Gasturbine ausnutzen, da die
Gase unter einem Druck stehen, der dem Enddruck der gesamten mechanischen Verdichtung
entspricht.