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Zellenradschleuse für Gasturbinenanlager Die Erfindung betrifft eine
Zellenradschleuse für Gasturbinenanlagen mit zwei- oder mehrstufiger thermischer
Aufheizung (Verdichtung) und Wärmeentzug bei konstantem Druck (Rückführung der Arbeitstemperatur)
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.
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Bemißt man die Aufenthaltszeit der kalten eingeschleusten Gase in
den einzelnen Schleusenzellen so, daß eine wirksame Übertragung der in den Zellenwänden
aufgespeicherten Wärme auf den Zelleninhalt stattfinden kann, dann ändern sich die
Verhältnisse stark gegenüber den bisher bekannten Verfahren.
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Nach der adiabatischen Verdichtung vom Zustand p1T1 auf den Zustand
p2T2 treten die Gase in die Zellenschleuse ein; während des Aufenthaltes in der
Schleusenkammer steigt infolge Wärmeabgabe der Wände die Temperatur auf den
Wert
T3. Diese Temperatursteigerung ist bei konstantem Raum und stetig steigendem Druck
vorgenommen worden, weshalb die Beziehung besteht:
Diese Wärmemenge soll gedeckt werden aus der Wärme, die dem Gas nach Verlassen der
Schleuse in einer Brennkammer konstanten Raumes, dessen Temperatur T4 betragen soll,
zugeführt wird. Dieser Brennraum und seine zugehörige Schleuse sind so gestaltet,
daß ein konstantes Volumen zu-und abgeführt wird.
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Außerdem kann ein gewisses Volumen G' = ßG über einen Beipaß
abgeführt werden. Der Druck im Brennraum ist dann nicht nur von der Temperatur T4,
sondern auch von der Größe der über den Beipaß abgeführten Luftmenge G' abhängig.
Es gelten hier die Abhängigkeiten zwischen p4 , T4, der Teilmenge G' = ßG
und dem Anteil G, = (i - ß) G, der über die Schleuse zurückläuft.
Die auf T4 aufgeheizten Gase sollen gegen einen Widerstand (Turbine) ausgeschoben
werden, so daß bei einem Temperaturrückgang kein Druckabfall stattfindet. Auf dem
Weg zur Turbine soll den Gasen so viel Wärme entzogen werden, daß vor Eintritt in
die Turbine höchstens eine Temperatur T5 herrscht, die für die rotierenden Teile
festigkeitsmäßig keine Gefahr mehr bedeutet.
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Um eine zwei- oder mehrstufige Aufheizung durchzuführen, ist nach
der Erfindung ein Zellenradgehäuse vorgesehen, das das sich drehende Zellenrad allseitig
umgibt und das in mehrere Brennkammersektoren eingeteilt ist. Jeder Sektor besitzt
axiale bzw. radiale Gasein- und -auslaßöffnungen. Jedem Brennkammersektor ist in
bereits vorgeschlagener Weise mindestens eine Wärmetauscherkammer zugeordnet. Die
Wärmetauscherkammern liegen in Gasströmungsrichtung vor den Anschlüssen von und
zur Brennkammer. Die Wärmetauscherkammer besitzt Einbauten, deren Wände an der dem
Zellenrad zugekehrten Seite von dem durch die Zellenradkammern in die Wärmetauscherkammer
geförderten Frischgas bestrichen werden, während die andere Seite dieser Einbauten
Kanäle oder Teile davon bilden, die von den Heißgasen, die aus der Brennkammer kommen,
etwa im Gegenstrom bestrichen werden. Die Brennkammer hat eine direkte Verbindung
zu der ihr zugeordneten Wärmetauscherkammer.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in zwei Ausführungsbeispielen
dargestellt, und zwar zeigt Abb. i eine Zellenradschleuse mit axialen Casein- und
-austrittsöffnungen als Schnitt nach Linie I-I der Abb. 2, Abb. 2 einen Schnitt
nach Linie II-II der Abb. i, Abb. 3 einen Schnitt nach Linie III-III der Abb. 2,
Abb. q. einen Schnitt nach Linie IV .IV der Abb. 2, Abb. 5 einen Schnitt nach Linie
V-V der Abb. 2, Abb. 6 ein Schema des Gasweges bei einem anderen Ausführungsbeispiel
als Schnitt nach Linie VI-VI der Abb. 7 mit radialen Gasein- und -austrittsöffnungen
und Abb. 7 einen Schnitt nach Linie VII-VII der Abb. 6.
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In den Abb. i bis 5 ist eine Zellenradschleuse bzw. deren Gehäuse
q. mit .axialem Ein- und Austritt a und g der Arbeitsgase dargestellt. Dieses Gehäuse
4 besteht aus einem am Umfang die Zellenradschleuse vollständig umschließenden Ring
z und einer Reihe von seitlich und über diesem Ring angeordneten Räumen
b, e, lt, v. Die Abb.2 zeigt das Zellenradgehäuse in Umfangsrichtung geschnitten.
Die Luft gelangt vom Verdichter durch eine Öffnung a in die Kammern d des Zellenrades
i, durchströmt dann, nachdem sie von dem Zellenrad i der ersten Schleusenkammer
b zugeführt wurde, infolge der Einwirkung des gebläseartig gestalteten Zellenrades
i die Kammer b. Die die einzelnen Kammern b voneinander trennenden Wände c sind
seitlich des Zellenrades i so breit, daß der direkte Übertritt der Luft von einer
Kammer b in die nächste Kammer b beim Vorbeistreichen der Zellenkammer
d an den die Kammer b
tragenden Wänden c nicht stattfinden kann. Es
wird dadurch die . thermische Verdichtung infolge der Aufheizung durch die Wände
c in so viele Stufen unterteilt, wie Kammern b vorhanden sind. An die letzte Kammer
b schließt sich dann der Brennraum e mit der Eintrittsöffnung r und der Auslaßöffnung
q an. Diese Brennkammer e ist die letzte Stufe der thermischen Verdichtung.
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Beim Austritt aus der Kammer e (Abb. q.) teilt sich der Gasstrom q,
und zwar in einen Teil 5, der mit konstantem Druck über die Öffnung f einer Arbeitsmaschine
zugeführt wird und dessen Anteil am Gesamtgewicht G gemessen gleich ßG ist. Dieser
Teilstrom läuft also zwischen den Wandungen c durch die Räume v teilweise im Gegenstrom
zu dem Frischluftstrom p in den Kammern b" und gibt auf diese Weise einen Teil seiner
fühlbaren Wärme an den Frischluftstrom p ab.
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Der andere Teil 6 des Gasstromes, dessen Anteil am Gesamtgewicht G
gemessen gleich (i-ß) G ist, wird einer Austrittsöffnung g zugeführt, nachdem er
durch die Kammern h und die Schleusenradkammern d durchgetreten ist. Diese in Abb.
5 dargestellten, der Brennkammer e nachgeschalteten Wärmetauscherkammern h haben
den Zweck, dafür Sorge zu tragen, daß ein Teil der in dem Anteil (i - ß)
G enthaltenen Wärme die Wände i des Schleusenradkörpers i aufheizt,
damit diese mit möglichst hoher Temperatur ihren Wärmeinhalt an das bei a in die
Kammern d des Zellenrades i eintretende Frischgas abgeben können.
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In den Abb.6 und 7 ist ein Schema des Gasweges bei einer Zellenradschleuse
beschrieben, bei der die Ein- und Austrittsöffnungen im wesentlichen
radial
angeordnet sind. Diese Anordnung bedingt einen hohlen Zellenradkörper 7. Vom Gebläse
8 führt eine Leitung 9 über die Öffnung io in die Kammer i i des im Innern der Aussparung
des Zellenrades 7 gelegenen Gehäuses. Aus diesem Raum i i tritt das Frischgas über
die Öffnung 12 radial in die Kammern d des Zellenrades ein. Bei Drehung des Zellenrades
werden die Kammern d des Zellenrades jeweils in Verbindung mit den Kammern b des
Gehäuses 4 gebracht, und das Gas nimmt dort über die Wände c, die mit Wärmeübertragungsmitteln
s ausgerüstet sind, Wärme auf. Die von den warmen Gasen durchströmten Kammern b
sind so angeordnet, daß ihre das Zellenrad seitlich begrenzenden Wände den Übertritt
des Kammerinhaltes einer Zellenradkammer d zu einer anderen Kammer d verhindern.
Es wird dadurch erreicht, daß die thermische Verdichtung in so viel Teilprozesse
aufgespalten wird, als Kammern b mit einer Brennkammer e zusammengeschaltet sind.
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Der gesamte Frischluftstrom p, der durch die Kammern d des Zellenrades
und die Kammern b der Zellenradschleuse geführt wurde, tritt bei y radial aus den
Kammern d des Zellenrades in die Brennkammer c ein. Es strömt also das gesamte Gewicht
G durch die Brennkammer e bis zu dem Querschnitt q. Dort teilt sich diese Menge
in eine Teilmenge ß G und eine Teilmenge (i - ß) G. Die Teilmenge
ß G wird durch die Leitung k den Kammern h zugeführt und verläßt über den
Austrittsquerschnitt f das Aufheizsystem, um bei konstantem Druck einer Arbeitsmaschine
zugeführt zu werden. Die andere Menge (i -ß) G tritt über die Öffnung 13
in den Innenraum 14 der Zellenradschleuse und über die Öffnung 15 radial in die
Zellenradkammern d ein. Nach Mitnahme durch die Zellenradkammern d gelangen die
Gase vor die Austrittsöffnung 16, während sie auf der. Innenseite noch durch die
Wände des Raumes i z abgeschlossen sind. Diese Gasmenge (i - ß)
G verläßt also bei 16 die Zellenradkammern d mit fallendem Druck. Ihr Arbeitsvermögen
kann zum Rückstoßantrieb direkt oder aber auch über eine Niederdruckarbeitsmaschine
noch ausgenutzt werden.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ausbildung des Zellenradgehäuses wird
eine zwei- oder mehrstufige Aufheizung bei konstantem Volumen durchgeführt und dann
der erwärmten und mehrstufig auf höheren Druck gebrachten Luft nach Erreichen der
zulässigen Höchsttemperatur bei konstantem Druck Wärme entzogen, so daß das Gas
zur Arbeitsleistung in einer Turbine od. dgl. verwendbar ist. Die dem -Gas entzogene
Wärme ist der Größe nach gleich der Wärmemenge, die dem Gas nach der Vorverdichtung
zugeführt wurde.