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Brennkraftturbinenanlage Die Erfindung bezieht sich auf Brennkraftturbinenanlagen,
die mit voller Belastung nur über einen kleinen Prozentsatz der Betriebszeit laufen
sollen, und zwar insbesondere auf Bnennkraftturbinenanlagen dieser Art für Flugzeuge
oder für Straßen- oder Schienenfahrzeuge.
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Wenn Fahrzeuge und Flugzeuge mit Brenukraftturbinen. ausgerüstet sind,
ist es erwünscht, aber gewöhnlich schwer zu bewerkstelligen, da:ß zwischen dem Verdichter
und der Brennkammer Wider den Brennkammer nein Wärmetauscher eingeschaltet ist,
der die verdichtete Luft vorwärmt, wobei die für diesen Zweck verwendete Wärme von
den Auspuffgasen der Turbine gewonnen wird, die durch den Wärmertauscher geleitet
werden, bevor sie nach außen ab.gegeben werden.
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Bei einer derartigen an sich für Brennkraftmaschinen bekannten Einrichtung
wird die in den Verdichter eingeführte Luft durch diesen Verdichter verdichtet und
demzufolge in gewissem Maße erhitzt; sie strömt daran durch eine Seite eines Wärmetauschers
beliebiger bekannter Bauart, der z. B. aus einem Satz von Rohren bestehen kaue,
der durch eire äußeres Gehäuse hindurchgeht, durch welches die heißen Turbinengase
geleitet werden. Dabei werden :diese Gase :um die Rohre herumgeleitet, um einen
guten Wärnveaustausch zu gewährleisten. Die durch die Wärmeaustauscherrahre hindurchströmende
verdichtete
Luft wird vermöge der WäTmeleitumg durch die Rohrwandungen hindurch vorgewärmt und
strömt dann in, die Brennkammer oder -kammern, wo sie zufolge der Verbrennung des
Brennstoffes weitere Wärme aufnimmt. Die die Bmenakammern oder -kammer verlassenden
Gase gelangen dann in der Turbine zur Expansion und leisten dort Nutzarbeit; sie
verlassen .die Turbine mit einem etwas über dem Atmosphärendruck liegenden Druck.
Statt unmittelbar zum Auspuff können die heißen Abgase direkt durch Leitungen zur
anderen Seite des Wärmetaus-chers ,geleitet werden, wo sie, wie zuvor beschrieben,
um die von Luft durchströmten. Rohre herumströmen; nachdem sie dort einen großen
Teil ihrer Wärme abgegeben haben, läßt man sie auspuffen. Die so aus den Turbinenabgasen
gewonnene Wärme bringt eine nahezu gleichwertige Ersparnis an Brennstoff mit sich.
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Dieses allgemein bekannte System, die verdichtete Luft in einem Wäxmeausitawscher
vorzunehmen, ist mit gutem Erfolg für Brenakraftturbinenanlagexi bei Kraftwerkern"
und ähnlichen stationären Anlagen angewendet worden. Soll dieses Wärmetauschersystem
jedoch aud Brenakraftturbinen bei Flugzeugen oder sonstigen Fahrzeugen nach dem
Gesichtspunkt der Ersparnis von Brennstoff, Gewicht und Platz angewendet werden:,
so ergeben sich sehr beträchtlich einschränkende Bedingungen: im allgemeinen machen
das Gewicht und die Größe eines Wärmetauschers, wie er für Vollastverhältnisse benötigt
wird, seine Anwendung _dann im Wert sehr zweifelhaft.
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Gemäß der Erfindung ist zur Überwindung dieser Schwierigkeiten für
eine Brennkraftturbinenanlage der eingangs. genannten Arteine Wärmetauscheranlage
vorgesehen, die aus zwei oder mehr Sätzen oder Reihen von Wäxmeaustauschorganen
besteht und .auf der Luftseite oder auf der Auspuffseite oder vorzugsweise auf beiden
Seiten Vorrichtungen. ausweist, durch die diese Sätze .oder Reihen, entweder in
Reihenschaltung oder in Parallelschaltung zueinander in Betrieb ;gesetzt werden
können.
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Wärmebauscheranlagen, die die vorgenannten Umschaltmöglichkeiten in
besonderer Form geben, sind an sich, z. B. bei Trocknvngsanlagen, als mit Kreuzstrom
;arbeitende Plattenlufterhitzer bekannt, bei denen zur Regelung der Warmlufftemperatuuren
die letzte Gruppe der Wärme,austauschkörper auf der Seite des. Lufteintritts an
die vorgeschaltete Gruppe und gleichzeitig an eine zweite regelbare Zuführung der
vor dem Lufterhitzer gegabelten Frischluftleitung @angeschlossen ist.- Die Erfindung
besteht in der Anwendung einer solchen bekannten Wärmetauscherbauart zu Regelzwecken
bei einer Gasturbinen@anlage der eingangs genannten Art.
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Dabei ist die Anordnung so getroffen, saß, wenn die Turbinenanlage
. unter normalen Teillastlaufbedingungen arbeitet, die Sätze von Wärmeaustauschorganen
in Reihe miteinander verwendet werden können, während sie für Vollastbetrieb in
Parallelschaltung zueinander benutzbar sind. Der Wärmeaustauscher besitzt derartige
Größe, saß er bei Reihenschaltung der Sätze von Wärmeaustauschorganen mit dem günstigsten
Wirkungsgrad für einen. vorgegebenen verringerten. Durchsatz arbeitet, der bei den
normalen Teillastlaufbedingungen vorliegt; dennoch können die Sätze ih Paxallels.chaltung
für Vollastbetrveb oder in der Nähe von Vollast derart verwendet werden, daß der
Wäxietauscher einen .erhöhten Durchsatz au£zunehrcnen vermag.
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Durch @die Anwendung der geseämtem Wärmetavschenanlage kann diese
viel kleiner als sonst mit beträchtlicher Ersparnis an Gewicht und RausnbedaTf beimessen
werden, was besonders für Luftfahrzeuge und sonstige Fahrzeuge von 'Bedeutung ist.
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Die Vorrichtung zur Schaltung der Sätze von Wärmeaustauschorganen
in Rdihen oder parallel zueinander besteht vorzugsweise aus ventilgesteuerten Kanälen;
diese Ventile können dafür eingerichtet sein, sich selbsttätig und fortschreitend
nach Maßgäbe der Zunahme -der Belastung über die normale Belastung zu öffnen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hard der
Zeichnungen bieschrieben, und zwar zeigt Fig. i schematisch einen Querschnitt eines
Wärmetauschers, wobei insbesondere die Einzelheiten seiner Luftseite und der angeschlossenen,
-Kanäle und Regelventile dargestellt sind, Fig. z ;einen der Fig. i ähnlichen Schnitt,
jedoch mit .den Ventilen in anderen Stellungen, Fig.3 :einen. Querschnitt nach einer
im rechten Winkel zur Schnittebene' der Fig. i und z verl nffenden Ebene, wobei
insbesondere die Einzelheiten der Auspuffseite des Wärmetauschers und die zugehörigen
Kanäle und Regelventile dargestellt sind, und Fig. q. einen der Fig. 3 ähnlichen
Schnitt, jedoch mit .den Ventilen in anderen Stellungen.
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. Gemäß Fig. i und a besitzt der Wärmetauscher zwei Bänke oder Sätze
bzw. Reihen io und i i von Wärmeaustau.schrohren, und zwar sind die Sätze nebeneinander
angeordnet und durch eine Trennwand 12 voneinander getrennt. Von einer (nicht gezeichneten)
Verdichterturbine herkommende v&-dichtete Luft wird dieser Luftseite des Wärmetauschers
durch die Hauptleitung 13 zugeführt, die unmittelbar an der Vorderseite des Wärmetauschers@
in zwei Teilleitungen 1 ¢ und 15 aufgeteilt ist, _ wie deutlich ,aus: F b. z hervorgeht;
die Aufteilung wird durch .einen. Vorsprung 16 -der Trennwand i z bewerkstelligt.
Die Teilleitung 14 speist den Satz von Rohren io in. jedem Zeitpunkt, jedoch ist
ein schwenkbares. Absperrventil 17 so vorgesehen, saß es aus der in Fig. i gezeigten
Stellung, in .der e s die Teilleitung 15 von der Hauptleitung 13 .absperrt,
in die in Fig. z gezeigte .Stellung gebracht werden. kann, in der die Teilleitung
15 zur Leitung 13 hin geöffnet ist und den Satz i i der Wärmeaus,tauschrohre speist.
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Gemäß Fig. i schließt 'das Ventil 17 die- Teilleitung 15 von der Zufuhr
verdichteter Luft ab, die demzufolge gezwungen wird, durch die Leitung 14 und den
Satz io der Wärmetauscherrohre hinduTchzugtehen; dabei geht die Luft durch die Bohrunggen
der
Rohre und strömt von diesen in ,einen Überführungskanal 18, der beiden Sätzen io
und II gemeinsam ist. Zwischen dem Überführungskanal 18 und einem anschließenden
Auslaßkanal i9 ist ein zweites schwenkbares Absperrventil 2o vorgesehen, das in
Fig. i in seiner Schließstellung gezeigt ist und dabei die Leitungen 18 und i9 voneinander
trennt. Der von dem Satz io der Wärmetauscherrohre austretende Luftstroui wird daher
gezwungen, in umgekehrter Richtung durch den zweiten Satz i i der Wärmetauscherrohre
hindurchzugehen, wonach er in die Leitung 15 austritt. Diese Leitung 15 ist von
der Hauptleitung 13 durch das Ventil 17 getrennt, das in dieser Schließstellung
die Leitung 15 nach einem weiteren Austrittskanal21 hin öffnet. Die Auslaßleitungen
19 und 21 führen beide zur Hauptspeiseleitung 22, die den Luftstrom selbst-, verständlich
zu der (nicht gezeichneten) BreTinkammer der Leistungsturbine führt, wobei der aus
dem Satz i i der Wärmetauscherrohre austretende vorgewärmte Luftstrom durch die
Leitungen 15 und 21 in. die Hauptspeiseleitung'22 führt. Der Verlauf der Luftströmung
ist in Fig. i durch Pfeile angedeutet, und es ist ersichtlich, .daß die Strömung
gezwungen ist, durch die Sätze i o und i i in Reihenschaltung hintereinander durchzugehen.
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Gemäß Fig. 2 befinden sich beide Ventile 17 und 20 in ihrer Offenstellun:g,
und während das Ventil 17 die Teilleitung 15 zur Hauptleitung 13 hin öffnet, trennt
es zugleich die Leitungen 15 und 21 voneinander. Beeide Leitungen 14 und 15 stehen
nun für den in, der Hauptleitung 13 strömenden Luftstrom offen, so daß dieser unterteilt
wird und die Teilströme durch die Sätze io und i i des Wärmetauschers parallel zueinander
hindurchgehen, sich im überführungskanal18 miteinander vereinigen, durch das offene
Ventil 2o hindurch in die Auslaßleitung i9 übertreten und in die Hauptspeiseleitung
22 eintreten. Der Verlauf der Luftströmung ist in Fig. 2 durch Pfeile bezeichnet.
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Fig. 3 und 4. zeigen die Auspuffseite des gleichen Wärmetauschers.
Es ist ersichtlich, daß die Anordnung, im Prinzip derjenigen nach Fig. i und 2 gleicht.
Die Hauptleitung 23 führt verbrannte Gase von der (nicht gezeichneten) Leistungsturbine
zur Auspuffseite des Wärmetauschers; die Sätze io und i i sind in Fig. 3 in Reihenschaltung
zueinander dargestellt und der Verlauf der Gasströmung ist durch Pfeile bezeichnet.
Die Hauptleitung 23 teilt sich in, zwei Teilleitungen 24 und 25; die Leitung 24
steht gegen die Hauptleitung 23 stets offen, während die Leitung 25 einen Gasstrom
nur zum Satz i i führt; diese, Leitung kann von der Hauptleitung 23 durch ein schwenkbares
Absperrventil 26 abgesperrt werden. Die Teilleitung 24 führt zu einem Überführungskanal
27, der beiden -Sätzen i o und i i gemeinsam ist und gegen die Leitung 24 durch
ein weiteres. schwenkbares Absperrventil 28
beschlossen werden kann.
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In Fig.3 befindet sich das Ventil 26 in Ofbensroellung und.
das andere Ventil 28 in Schließstellung, so daß der üb@erführungskana127 von dem
Gasstram .abgesperrt ist, der daher nur in die Teil-Leitung 25 eintreten und von
dieser durch den Satz 11 der Wärmetauscherrohre hindurch und in den Übtrführungskana127
tritt; von hier strömt er in umgekehrter Richtung durch den anderen Satz i o dien
Wärm@etaus.cherrohre und ,aus diesen in die Hauptauspuffleitung 29.
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Gemäß Fig. 4 befinden sich die beiden Ventile in umgekehrter Stellung
wie in Fig. 3; das erste Ventil ist geschlossen und sperrt die Leitung 25 von denn
eimtrömenden Gasstrom ab, während es zugleich die Leitung 25 gegen die Hawp.tauspurffleitung
29 öffne t. Das andere Ventil 28 befindet sich in Offiensbellung, in der .es den
Überführungskanal 27
mit der 24 in Verbindung bringt, durch die der gesamte
ankommende Gasstrom hindurchgeht. Der Gasstrom teilt sich in dem überführungskanal
27 in zwei Teile, die parallel zueinander durch die Sätze io und i i hindurchströnmen,
wonach sie sich in d:ex Hauptauspuffleitung 29 vereinigen-.
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Bei der Brennkraftturbinenanlage; die die vorstehend beschriebene
Wärmetauscheranl.age enthält, ist der Wärmetauscher bei Reihenschaltung seiner Sätze
oder Reihen von Wärm@eaustauschorganen für den Durchsatz bei normalen Laufbedingungen
unter Teillast mit dem günstigsten Wirkungsgradeingerichtet. Für Betriebsbedingungen
unter Vollast, oder mehr nach Volllast zu, werden die Sätze durch völliges Öffnen
der Ventile 17, 20, 26 und 28 in Parallelschaltung verwendet. Es ist ersichtlich,
daß. auf diese Weise .die Größe des für irgendeine Anlage benötigten Wärmetauschers
sehr viel geringer gehalten werden kann als. sie bisher erforderlich war, wobei
zugleich an Raum und. an Gewicht gespart wird.
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Statt die Auspuffseite des Wärmnetauschers parallel zu schalten, wenn
seine Luftseiten @so geschaltet sind, wobei sich ein Verlust an Wärmeaustauschwirkung
ergibt, kann es mehr zu =empfehlen sein, die Austauschseiten in Reihenschaltung
zu belassen und zu diesem Zweck -einen entsprechend größeren Durchtrittsraum .auf
jeder dieser Auspuffseiten vorzusehen.. Auf diese Weinre wird ein günstigeres
Maß von Wärmeaustausch auch sogar bei Vollast erzielt, und zwar 'mit einem
verhältnismäßig kleinen Wärmetauscher, während dennoch -ein angemessen geringer
Druckabfall sowohl auf der Luftseite als auf der Austauschseite des Wärmetauschers
aufrechterhalten wird; es ergibt sich dabei keine Abnahme des Wirkungsgrades bis
zu der vorgegebenen Teilbelastung und rein brauchbarer Wärmeaustausch bis zur Vollbelastung.
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Zusätzlich kann die Erfindung in Fällen angewendet werden, in, denen
es zweckmäßiger ist, die Sätze oder Reihen von Wärmeaustausrchorganen an der Auspuffseite
des Wärmetauschers in Parallelschaltung zu belassen und :nur die Einlaßsätze von
Reihenschaltung auf Parall@elbietrieb umzuscha<lben-, wenn die Belastung sich
von Teillast zu Vollast ändert. Bei .einer Wärmetauscheranlage mit mehreren Reihen
oder Sätzen von Wärmeaustauschorganren können unterschiedliche Grade des Wärmeaustausches
durch geeignete Reihen- und P,arallelanordnung bzw. -schalturig der Sätze vorgesehen
werden,
um den vollen Wirkungsgrad des Wärmetauschers bis zu der vorgegebenen Teilbelastung
und eine allmähliche Abstufung des Wärmeaustausc4es bis zu Volllast vorzusehen,
wenn die Luftseiten aller Sätze parallel geschaltet sind.
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Die die Reihen.- und/o:der Parallelschaltung regelnden: Ventile der
Sätze von Wärmeaustausichorganen des Wärmetauschers können vorzugeweise bei jeder
beliebigen: Aus£ührungsfiorm der Erfindung selbsttätig nach Maßgabe der Änderungen.
der Belastungsbedngugige#r gesteuert werden, z. B. durch an sich bete Verbindung
mechanischer Ventilsteuervorrichtungen mit den Regelvorrichtungen für den Turbinenbrenustoffzufluß.
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