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Verfahren und Vorrichtung zum Betriebe von Verpuffungsbrennkraftturbinen
Bei Verpuffungsbrennkraftturbinen wurden bisher im allgemeinen zweikränzige Curtisräder,
wenigstens im Rahmen der Verpuffungsbrennkraftturbine selbst, verwirklicht, während
man in den die Treibgase ausnutzenden Turbinen bereits zu Parsonsbeschaufelungen
übergehen konnte, nachdem es gelungen war, durch Anordnung von Druckausgleichsräumen
die durch das Herstellungsverfahren mit starken Druckschwankungen angelieferten
Treibgase in etwa in bezug auf Spannungsspitzen und Drucktäler auszugleichen. Es
wurde auch schon der theoretisch gebliebene Vorschlag gemacht, in der Verpuffungsbrennkraftturbine
selbst mehrstufige Gleichdruckräder mit einkränzigen Beschaufelungen vorzusehen.
Doch ordnete man auch in diesen Fällen in der ersten Druckstufe immer noch ein zweikränziges
Curtisrad an; jedem der Gleichdruckräder wurde außerdem ein besonderer Druckausgleichsraum
vorgeschaltet, um die im Treibmittel auftretenden Druckunterschiede jeweils vor
Beaufschlagung der Gleichdruckräder auszugleichen. Bei praktischen Ausführungen
hielt man jedoch an der Anordnung meistens zweier zweikränziger Curtisräder bei,
wobei das zweite Curtisrad die Feuergase verarbeitet, die man zunächst unter dem
Verpuffungshöchstdruck der ersten
Turbinenstufe zugeleitet hatte,
um sie hierauf unter Zwischenschaltung eines Druckausgleichsbehälters zur Beaufschlagung
des zweiten Curtisrades verwenden zu können. Dem zweiten Curtisrad wurde außerdem
eine besondere, zweite Düsenanordnung vorgeschaltet, welche Restfeuergase verarbeitete,
die über ein besonderes gesteuertes Entlassungsorgan, Auslaßventil genannt, aus
den Verpuffungskammern unter Wirkung der sie verdrängenden Ladeluft ausgeschoben
worden waren. Dagegen bezeichnete man das gesteuerte Entlassungsorgan, das die höchstgespannten
Feuergase zur ersten Turbinenstufe zu entließ, als Düsenventil.
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Es ist weiter der Vorschlag .gemacht worden, bei Verpuffungsbrennkraftturbinen,
bei denen die bei einer Verpuffung erzeugten Feuergase in mehreren Teilmengen .entlassen
wurden, die zweite Schaufelreihe der zweikränzigen Curtisräder abzuschirmen, so
daß im Bereiche der Abschirmungen die Räder einkränzig beaufsch:lagt wurden. Jedoch
erforderten es die Verhältnisse, die gleichen Räder von anderen Düsen aus, denen
besondere Düsenventile vorgeordnet waren, zweikränzig heaufschlagen zu lassen, so
daß wieder Umkehrschaufeln erforderlich wurden, die gegenüber Laufschaufeln infolge
Fehlens der Beaufschlagungspause betrieblich besonders höch beansprucht sind, so
daß das Bestreben besteht, sie vollständig in Fortfall zu bringen.
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Vorliegende Erfindung beruht demgegenüber auf der Erkenntnis, daß
der schon früher gemachte Vorschlag, die bei einer Verpuffung erzeugten Feuergase
in Teilmengen zu entlassen und mit Hilfe der mit niedrigeren Anfangsdrücken aus
den Verpuffungskammern entlassenen Teilgasmengen Gegendrücke zu erzeugen, die synchron
und mit annähernd gleicher Charakteristik verlaufen wie die Expansion von Feuergasteilmengen,
die mit höheren Anfangsdrücken zu vorgeordneten Düsen- und Beschaufelungsanordnungen
entlassen wurden, die Möglichkeit gibt, die Unterschiede in den Drücken, mit denen
diese Feuergasteilm@engen entlassen werden, der absoluten Höhe nach so zu bestimmen,
daß die durch die Differenzen dieser Drücke festgelegten Feuergasteilgefälle in
ausschließlich einkränzigen Rädern verarbeitbar werden.
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Demgemäß kennzeichnet sich das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren
zum Betriebe von Verpuffungsbrennkraftturhinen, bei dem in den Verpuffungskammern
bei Verpuffungen erzeugte Feuergasgesamtmengen in Teilmengen entlassen und letztere
verschiedenen Düsen- und Beschaufelungsanordnungen zugeführt werden, durch die Vereinigung
des Verfahrens; zu den Dehnungen der Fenergasteilmengen in den Beschaufelungen nach
letzteren, in Feuergasrichtung gesehen, synchron und mit annähernd gleicher Charakteristik
auftretende Gegendrücke zu erzeugen, mit dem Verfahren, die Unterschiede in den
Drücken, mit denen die Feuergasteilmengen aus den Verpuffungskammern entlassen werden,
der absoluten Höhe nach so zu bestimme, daß die durch die Differenzen dieser Drücke
festgelegten Feuergasteilgefälle in ausschließlich einkränzigen Rädern verarbeitbar
werden. Das Verfahren der zu den Dehnungen der Feuergasteilmengen synchronen Gegendruckabsenkung
ist für sich allein nicht Gegenstand der Erfindung.
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Als Vorteil der dadurch ermöglichtenAnord:nung ausschließlich einkränziger
Räder ist also zunächst die Vermeidung der Umkehrschaufeln zu erwähnen. Weiter führt
die Teilanwendung des bereits gemachten Vorschlages, auf den die Erfindung allein
sich nicht richtet, synchrone und mit gleicher Charakteristik wie die Expansion
verlaufende Gegendruckerzeugungen durchzuführen, zu dein Vorteil, daß in den einkränzigen
Rädern praktisch gleichbleibende Gefälle verarbeitet werden. Von praktisch gleichen
Gefällen kann man dann sprechen, wenn die maximalen Änderungen des Gefälles nach
oben höchstens 30 0/a, nach unten höchstens 15 °/a des optimalen Gefälles
betragen. Auf diese Weise kann das Rad bzw. die Radgruppe ausgesucht werden, die
mit bestem Wirkungsgrad arbeitet, .so daß damit die Verpuffungsbrennkraftturbine
in den Rang von Turbinen mit gleichmäßigem Gefälle erhoben wird, denen gegenüber
sie aber noch den Vorteil der thermisch besseren Ausnutzung der Betriebsmittel besitzt.
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Da es bereits eigenen, früheren Vorschlägen entspricht, Gegendrücke
zu den Beaufschlagungsdrücken mit zu letzteren synchronem und mit gleichartiger
Charakteristik erfolgendem Verlauf zu erzeugen, so kommt es bei Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens nur darauf an, den äquidistanten oder nahezu äquidistanten
Abstand der jeweiligen Gegendrucklinien zu den zugehörigen Expansionslinien entsprechend
zu wählen, mit anderen Worten, die Lage der Gegendrucklinien im Diagramm allgemein
unter Beachtung einer Radumfangsgeschwindigkeit von möglichst über 25o m/sec, vorzugsweise
von rund 300 m/sec zu bestimmen; bei Beachturig'dieser Vorschrift ist dann
die Lage der Gegendrucklinien eindeutig festgelegt. Als besonders geeignet hat sich
dabei die Anwendung eines Q-V-Diagramms erwiesen, welches dem üblichen Q-S-Entropiediagramm,
z. B. nach P f 1 a um, mit den prozentual a>?sgeströmten Feuergasmengen, unter Ansetzung
der Feuergasgesamtmenge je Verpuffung mit ioo°/o, als Abszissen, entspricht, während
die Ordinaten den Wärmeinhalt der Feuergase in kcal/nms angeben. Ein derartiges
Diagramm ist auch in der Zeichnung verwandt worden, um zu zeigen, wie die Gegendrucklinien
bei einer zweistufigen Turbinenanordnung zu bestimmen sind, um einkränzige Räder
mit den genannten Umfangsgeschwindigkeiten und Wirkungsgraden verwirklichen zu können.
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Entsprechend der Möglichkeit, zur Erzeugung des Gegendruckes durch
das Verpuffungsverfahren selbst hergestellte Feuergase zu verwenden, werden im allgemeinen
die in der Entnahmekammer mit einer Spannung oberhalb der Entnahmespannung erzeugten
Feuergase bis zum Zeitpunkt des Beginnes der Entnahme jeweils auf die Düsen- und
Beschaufelungsanor.dnung zur Wirkung gebracht, hinter der die Feuergase der Entnahmekammern
mit
kleineren, unterhalb der Entnahmespannung liegenden Drücken zur Erzeugung eines
während der Dehnung des beaufschlagenden Treibmittels in der Düsen- und Beschaufelungsanordnung
abgesenkten Gegendruckes benutzt werden. Date: geht man vorteilhaft von einer Versetzung
der Arbeitsspielfolge mehrerer den gleichen Düsen-und Beschaufelungsanordnungen
zugeordneten Verpuffungskammern aus, bei der während der Zeitspanne der Dehnung
aus einer Verpuffungskammer entnommener Feuergase in der Düsen- und Beschaufelungsanordnung
aus einer anderen - Verpuffungskammer entnommene Feuergase zur Herstellung des abgesenkten
Gegendruckes benutzt werden.
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Bei der Durchführung des Verfahrens ist es zweckmäßig, der den Verpuffungskammern
als Verbrennungsluft zuzuführenden Ladeluft einen minimalen Druck von etwa 5 Atmosphären
(Überdruck) zu erteilen, um adäquate Enthalpieänderungen in den Düsen- und Beschaufelungsano@rdnungen
zu erzielen und die Spannung der Restfeuergase auf einem Wert zu halten, bei dem
das Arbeitsvermögen der erzeugten Treibgase eine wirtschaftliche Verwertung gewährleistet.
Weitere Einzelheiten der Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung der Äquidistanz
bzw. der praktisch gleichen Gefälle mögen demAusführungsbeispiel entommen werden.
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Die zur Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens
dienenden Vorrichtungen kennzeichnen sich vorzugsweise dadurch, daß sie aus einer
Reihe von Verpuffungskammern bestehen, die im Feuergasweg über Düsen mit mehreren
jeweils einkränzigen Beschaufelungsanordnungen verbunden sind, wobei Einrichtungen
zur Erzeugung .eines Gegendruckes vorgesehen sind, der sich synchron und mit derselben
Charakteristik ändert wie der Druck der Feuergase in der Düsen- und Besohaufelungsanordnung,
hinter der, im Feuergasweg gesehen, der Gegendruck erzeugt wird. Dadurch ergibt
sich die Möglichkeit, Beschaufelungen auf mindestens zwei Radanordnungen vorzusehen
und jede den Radanordnungen zugeordnete Düsenanordnung mit mindestens einem Verpuffungskammerauslaßorgan
inVerbindung zu bringen. Als eine besonders vorteilhafte Ausführungsform haben sich
dabei Läufer mit zwei einkränzigen Rädern auf der Läuferwelle erwiesen. Es besteht
naturgemäß auch die Möglichkeit, Läufer mit mehr als zwei einkränzigen Rädern auf
der Welle zu verwenden. In diesen Fällen fällt jedoch der bei der vorerwähnten Anordnung
ohne weiteres erreichbare Vorteil fort, daß die auftretenden Mitteltemperaturen
bei der heute üblichen Ausbildung der in Betracht kommenden Bauelemente zu Beanspruchungen
führen, die die verwandten Werkstoffe noch nicht an die gefährliche Kriechfestigkeitsgrenze
heranbringen. In diesen Fällen müssen also Sonderausbildungen wie verstärkte Kühlung
oder Herstellung der Bauelemente aus besonders hochwertigen Werkstoffen zur Anwendung
kommen, ohne daß diese Frage der Ausbildung hochtemperaturbeständiger Werkstoffe
und der Verhinderung der Auswirkung zu hoher Temperatur- und Wärmespannungen die
Anwendungsmöglichkeiten des Erfindungsgedankens irgendwie prinzipiell zu beeinträchtigen
vermöchte.
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Die Zeichnung zeigt Ausführungen des Erfindungsgedankens am Beispiel
von Oltreibgaserzeugern mit zwei- und dreistufigen Turbinenausbildungen.
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Fig. i zeigt einen Oltreibgaserzeuger mit zwei Turbinenstufen im senkrechten
Längsschnitt durch Turbine und eine der Verptiffungskammern, Fi.g. 2 das zugehörige
Q-V-Diagramm; Fig.3 gibt einen Öltreibgaserzeuger mit dreistufiger Turbine im schematisch
gehaltenen Längsschnitt wieder, während Fig.4 eine andere Ausführungsform der Anordnung
nach Fig. 3 in derselben Schnittdarstellung zeigt.
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In Fig. i bezeichnet i eine der Verpuffungskammern, die zur Erzeugung
der Feuergase dienen. Sie sind in üblicher Weise mit Ladelufteinlaßventilen 2 ausgerüstet,
die in ihrem Inneren die Brennstoffeinspritzventile 3 aufnehmen. Eine Ladeluftzuführungsleitung
4 versorgt die Ladelufteinlaßorgane 2 der Verpuffungskammern mit Ladeluft, während
Brennstoffleitungen 5 zu einer nicht gezeichneten Brennstoffpumpe führen. Die vorzugsweise
hydraulische Steuerung .der Ventile 2 ist bei 6 angedeutet. Die Verpuffungskammern
sind weiter mit nicht gezeichneten Zündeinrichtungen üblicher Bauart versehen. Düsenventile
7 entlassen eine höchstgespannte Feuergasteilmenge auf die Düsenanordnung I, die
der umlaufenden Beschaufelung 8 des Rades 9 der ersten Turbinenstufe vorgeordnet
ist. Eine Auffangdüsenanordnung io nimmt die in der ersten Turbinenstufe I, 8, 9
teilweise abgearbeiteten Feuergase auf und führt sie einer Auffüllkammer i i zu,
die infolge ihres geringen Rauminhaltes zwischen den Turbinenstufen unterbringbar
ist. Außer den Düsenventilen 7 sind weitere Düsenventile 12 vorgesehen, über die
niedrigergespannte Feuergasteilmengen auf die Düsenanordnung II zur Wirkung gebracht
werden, wobei die Düsenventile 12 mit der Auffüllkammer ii in unmittelbarer Verbindung
stehen können; sie könnten auch unmittelbar auf die Düsenanordnung II mit Umgehung
der Auf füllkammer i i arbeiten oder sowohl mit der Auffüllkammer i i als auch mit
besonderen Düsen vor der Beschaufelung 13 verbunden sein. Die Düsenanordnung
II ist also der Beschaufelung 13 des Rades i4 der zweiten Turbinenstufe 1I,
13, 14 vorgeordnet. Eine Fangdüsenano.rdnung 15 nimmt die Feuergase auf, die die
zweite Turbinenstufe durchströmt haben, und leitet sie in einen Stutzen 16 über,
der offen in die Treibgasentnahmeleitung 17 ausmündet. In derselben Querschnittsebene
mündet auch ein Rohrstück 18 aus, das die Restfeuergase aufnimmt und zur Treibgasentnahmeleitung
17 zu entläßt, die über das geöffnete Auslaßventil i9 aus der Verpuffungskammer
i entlassen werden.
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Das Arbeitsverfahren, naoh welchem der in Fig. i dargestellte Treibgaserzeuger
arbeitet, ist
im Q-V-Diagramm der Fig. 2 zu erkennen. In diesem
Diagramm sind die Feuergasgefälle auf der von A ausgehenden Ordinatenachse zu erkennen,
die ausgeströmten Feuergasmengen in Hundertteil-en der je Verpuffung und Kammer
erzeugten Feuergasgesamtmenge auf der Abszissenachse. Das Druck- und Temperaturliniennetz
ist nur angedeutet und gilt nur für die von A ausgehende Doppellinie. Diese Doppellinie
veranschaulicht die Zustandsbedingungen während der Expansion. Diese Änderungen
erscheinen im Q-S-Diagramm als vertikale adiabatische Linien, aber nur in der idealen
Maschine, in der während der Expansion keine Entropieänderungen, also keine Wärmeverluste
in den Wandungen auftreten und keine Wärmeabgabe durch Reibung am Laufrad, und an
den Schaufeln stattfinden. Für die ausgeführte Maschine treffen beide Voraussetzungen
nicht zu. Doch zeigen sorgfältige Untersuchungen über den Wärmeübergang auf der
Gasseite feuergasberührter ' Wandungen und Berechnungen der Ventilationsverluste
an Schaufelrädern und Schaufeln, daß bei sorgfältig ausgeführten Anlagen die in
Betracht kommenden Betriebsverfahren praktisch zur Gleichheit von abgegebener und
aufgenommener Wärme führen. Es ist daher berechtigt, von adiabatischen Zustandsänderungen
und demgemäß von vertikalen Linien im Q-S-Diagramm und damit im Q-V-Diagramm auszugehen.
Der Punkt A entspricht dabei dem höchsten, in den Verpuffungskammern auftretenden
Verpuffungshöchstdruck, der sich ausbildet, nachdem die Ladung der Verpuffungskammern
mit zündfähigem Gemisch beendet und die Zündung dieses Gemisches bewirkt worden
sind. Dieser Verpuffungshöchstdruck wird üblicherweise mit p1 bezeiclin,et und beträgt
im Falle des Ausführungsbeispiels 64 ata bei einer Temperatur der Feuergase von
192o° C. Das durch die Doppellinie gekennzeichnete Gefälle ist also durch den Abstand
des Punktes A vom Koordinatenanfangspunkt o gekennzeichnet, dessen Zustand durch
die Atmosphärenlinie von i,o44 ata bei einer Feuergastemperatur von 567° C gegeben
ist. Dieses hohe Erstgefälle von 522 kcal/nm3 kann von keinem Einzelrad oder keiner
einzelnen Radgruppe, gleichgültig welcher Ausbildung, mit hohem Radwirkungsgrad
ausgenutzt werden, während das erfindungsgemäß durch die Turbinenausbildung nach
Fig. i gelungen ist, und zwar durch. die bereits erörterten baulichen Maßnahmen
verfahrens- und vorrichtungstechnischer Art, die sich im Diagramm der Fig. 2 wie
folgt zu erkennen geben: Wie das Diagramm der Fig. 2 zeigt, ist auf der von
A ausgehenden Expansionslinie 2o der Punkt b'
verzeichnet, in dem sich
das Düsenventil 7 schließt, das im Punkt A zur Entlassung einer Feuergasteilmenge
geöffnet worden war, deren Anfangszustand durch den Punkt A gekennzeichnet war.
Im Zeitpunkt B öffnet sich das Düsenventil 12, während alle anderen Ventile der
Verpuffungskammer geschlossen sind und bleiben, wobei eine Feuergasteilmenge entlassen
wird, deren Anfangszustand mit einem Zwischendruck p2 von 27,7 ata und einer Temperatur
von i4oo° C an Hand des Punktes L' zu erkennen ist. Diese bereits gemäß dem Anfangsdruck
p2 niedriger gespannte Feuergasteilmenge erfährt eine Dehnung, die längs des Expansionslinienabschnittes
B bis C der Expansionslinie 2o verläuft. Denn im Punkt C schließt sich bereits wieder
das Düsenventil 12 und es öffnen sich gleichzeitig Auslaßventil ig und Ladelufteinlaßventil
2. Die noch in der Verpuffungskammer i befindlichen Restfeuergase werden also verdrängt,
und zwar von einem dem Punkt C entsprechenden Zeitpunkt ab, so daß ihr Anfangszustand
hierbei durch den zum Punkt C zugehörigen Ladeluftdruck p. von 12 ata und durch
eine Temperatur von i ioo° C gegeben ist, wobei die beiden Temperaturwerte von 1400°
bzw. i ioo° auf die Radkammern der Räder 9 und 14 bezogen sind. In einem dem Punkt
E des Diagramms entsprechenden Zeitpunkt schließen sich die Ventile 2 und i9 gleichzeitig.
Vorher hatte noch während der Verdrängung der Restfeuergase durch die sich infolge
Anordnung der Venturidüse 21 und des Diffusors 22 der Verpuffungskammer t kolbenartig
vorschiebende Ladeluft der Stempel der zugehörigen Brennstoffpumpe seinen Förderhub
vollführt, so daß Brennstoff über Leitung 5 und Ventil 3 in den noch in Bewegung
befindlichen Luftkolben eingespritzt worden war. Der Bewegungszustand dieses Kolbens
hatte also für Verteilung des Brennstoffes über die gesamte Kammerlänge beigetragen,
so daß in einem dem Zeitpunkt E entsprechenden Zeitpunkt die gesamte Kammer i von
einem homogenen, hochzündfähigen Gemisch erfüllt ist, womit die Kammer zur Durchführung
eines neuen, in gleicher Weise ablaufenden Arbeitsspieles vorbereitet ist. Die kurz
darauf eingeleitete Zündung führt also nach Durchführung des Verpuff ungsvorgangs
wieder zu einem Zustand der Feuergase in der Verpuffungskammer, der dem Punkt A
der Fig. 2 entspricht.
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Nun besteht die Anlage der Fig. i nicht nur aus der Verpuffungskamm-er
i, sondern weiteren, nicht gezeichneten Verpuffungskammern, deren Arbeitsspiele
gegenüber dem dargestellten Arbeitsspiel der Verpuffungskammer i zeitlich versetzt
sind. Die Versetzung ist dabei so gewählt, daß während der Beaufschlagungszeit der
ersten Turbinenstufe I, 9 durch eine Feuergasteilmenge vom Anfangszustand A der
Fig. 2 eine andere Verpuffungskammer über das Düsenventil 12 die Auffüllkammer i
i mit einer Feuergasteilmenge versorgt, deren Anfangszustand durch einen dem Punkt
B der Fig. 2 entsprechenden Punkt in dem dieser zweiten Kammer zugeordneten, nicht
gezeichneten Q-V-Diagramm gegeben sein würde. Diese Versorgung der Auf füllkammer
i i mit einer Feuergasteilmenge vom Anfangszustand B führt in Verbindung mit dem
Umstand, daß die Auf füllkammer i i gleichzeitig Feuergase über die Auffangdüsenanordnung
io erhält, die bereits in der ersten Turbinenstufe I, 8, 9 einen Teil ihres Arbeitsvermögens
abgegeben hatten, zur Erzeugung eines Innendruckes in der Auffüllkammer i i und
damit eines Gegendruckes in bezug auf die vorgeordnete erste
Turbinenstufe,
dessen Verlauf durch die strichpunktierte Linie 23 in Fig. i gekennzeichnet ist.
Man erkennt, daß infolge der angegebenen zeitlichen Versetzung der Arbeitsspiele
dieser Gegendruckverlauf 23 zunächst synchron zum Expansionslinienabschnitt
A bis B erfolgt. Man erkennt weiter, daß die Linien 20 und 23 in dem
durch die Arbeitsfläche IQ gekennzeichneten Diagrammabschnitt bis auf die unbeachtliche
Auffüllphase völlig aequidistant, insgesamt also nahezu aequidistant verlaufen,
wobei man es in der Hand hat, die Abweichungen im Bereich 24 durch Verkleinerung
der Kammer i i und durch Vergrößerung der in oie Kammer i i über Ventile 12 unmittelbar
aus der Verpuffungskammer überzuführenden Feueräasteilmengen beliebig weitgehend
zu verringern bzw. praktisch verschwinden zu lassen. Um die Auffüllphase 24 vernachlässigbar
klein zu halten, wird man den Rauminhalt der Auffüllkammer i i zwischen einem Hundertstel
bis fünfzehn Hundertsteln, vorzugsweise innerhalb des ersten Drittels dieses Intervalls,
des Rauminhaltes aller der Auffüllkammer zugeordneten bzw. an ihrer Speisung mit
Feuergasen beteiligten Kammern halten, wie dies früheren Vorschlägen entspricht.
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Die Fläche IQ stellt dabei gleichzeitig das Arbeitsvermögen der über
die Düsenanordnung I in der ersten Turbinenstufe I, 8, 9 zur Wirkung gebrachten
Feuergasteilmenge dar.
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Wie Fig.2 entnommen werden kann, wird die Fläche IQ in. Q-V-Diagramm
durch die Linie 2o bestimmt, die der Dehnung der ursprünglich höchstgespannten Feuergasteilmenge
entspricht, während Linie 23 durch den in der Auffüllkammer i i herrschenden Gegendruck
gegeben ist; weitere Bestimmungsgrößen sind die durch die Punkte A und B verlaufenden
Ordinaten. Der Horizontalabstand zwischen diesen entspricht der betrachteten Feuergasteilmenge;
sie beträgt 48,5% der insgesamt bei einer Verpuffung erzeugten Feuergasmenge. Man
erkennt schließlich, daß der Abstand der Linien 2o und 23, mit anderen Worten, die
Lage der Gegendrucklini.e 23 in bezug auf den Expansionslinienabschnitt
A bis B so gewählt ist, daß in der ersten Turbinenstufe eine einkränzige
Beschaufelung 8 mit Wirkungsgraden zwischen 75 und 85% verwirklichbar war. Wollte
man die Gegendrucklinie 23 nach oben verschieben, so brauchte man den dem Punkt
B im Diagramm entsprechenden Schließzeitpunkt der Ventile 7 und damit den Eröffnungszeitpunkt
der Ventile 12 zeitlich nur vorzuverlegen, da in diesem Falle die der Gegendrucklinie
23 entsprechende und für ihre Lage im Diagramm und ihre Gestaltung ursächliche Teilexpansion
B bis C bei einem höheren Zwischendruck als dem Werte p2 der Fig. 2 beginnen würde;
außerdem würde sich die Feuergasteilmenge vom Ausmaß 52 infolge gleichbleibender
Lage des Punktes C vergrößern; die zeitliche Nachverlegung der Steuerzeitpunkte
wäre ein Mittel zur Senkung der Linie 23 im Diagramm. Jedoch stellt die eingezeichnete
Lage der Gegendruckliinie bzw. der gewählte Zwischendruck von p2 =:27,7 ata
das Optimum für die in. Fig. 2 zum Ausdruck kommenden Verhältnisse dar.
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Was für die erste Turbinenstufe ausgeführt wurde, gilt sinngemäß auch
für die zweite Turbinenstufe. Die Fläche Ib entspricht dem disponiblen Arbeitsvermögen
der Feuergasteilmenge (q-8,50/0), die aus der ersten Turbinenstufe.I, 8, g entlassen
worden war, innerhalb der zweiten Turbinenstufe 1I, 13, 14. Die Fläche II stellt
das disponible Arbeitsvermögen der Feuergasteilmenge (250/0) -dar, die über Düsenventil
12 entlassen wird. Fläche Ib ist begrenzt durch den in der Auffüllkammer i i auftretenden
Gegendruck 23, weiter durch die Linie 24 des Gegendruckes in den Räumen 15, 16,
17. Die seitliche Begrenzung erfolgt durch Ordinaten, die durch die Punkte
A und B gehen.
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Die Fläche II ist begrenzt durch die Expansion der zweiten Feuergasteilmenge
(250/0) gemäß Linie B-C und die Linie, die dem im Raume 15, 17 auftretenden Gegendruck
entspricht, während die Ordinaten, die die Fläche 1I begrenzen, durch die Punkte
B und C gehen. Da die Linien B-C und- 23 annähernd die gleiche Charakteristik
aufweisen, kann man, wie früher gezeigt, die 25%ige Feuer gasteilmenge mit der Teilexpansion
B-C mit der 48,5 14-Menge mit der Teilexpansion A-B in der Kammer i i vereinigen
und mit ihr Düsen- und Beschaufelungsanordnung II versorgen. So entstehen äquidistante
Verläufe der Linien 23 und 24 für Fläche Il, und B-C und 24 für Fläche II. Zur Umsetzung
dieses Arbeitsvermögens eignen sich einkränzige Räder mit Umfangsgeschwindigkeiten
von 300 m/se-c und Radwirkungsgraden zwischen 75 und 85,1/o.
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Während in der Auffüllkammer i i bzw. in der Düsenanordnung II ein
derartiger Expansionslinienverlauf eintritt, hatte eine dritte, bisher nicht betrachtete
Verpuffungskammer über ihr geöffnetes Auslaßventil ig Restfeuergase mit :26,511/o
der Feuergasgesamtmenge in die Treibgasentnahmeleitung 17 gesandt. Der Anfangszustand
dieser Restfeuergasteilmenge ist durch den Punkt C, d. h. durch einen Druck p0 und
eine Temperatur von 1 ioo° C sowie durch einen entsprechenden Wärmeinhalt entsprechend
der korrigierten Lage des Punktes C in bezug auf die Ordinatenachse gegeben. Der
Endzustand entspricht dem Punkt E. Der Verlauf der Linie C-E kann wieder durch Verschiebung
der dem Punkt C der Fig. 2 entsprechenden Steuerzeitpunkt (Schließungszeitpunkt
der Ventile 12, Eröffnungszeitpunkt der Ventile ig) beliebig in Verbindung mit entsprechenden
Änderungen des Ladeluftdruckes geändert werden, stellt aber für die Verhältnisse
der Fig. 2 ein Bestmaß dar.
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Da das Diagramm der Fig. 2 in der Abszissenachse keine Zeiten, sondern
Peuergasvolumina wiedergibt, erscheint die Arbeitsfläche II neben den Flächen I"
und Il,. In Wirklichkeit verlaufen die betrachteten Vorgänge sämtlich synchron,
so daß man die unter dem Expansionslinienabschnitt B bis C liegende Diagrammfläche
II in die unter denn Expansionslinienabschnitt A bis B liegende Dia-.
grammfläche bis zur annähernd zu erreichenden
Deckung der Linien
23 und B-C verschoben denken muß, wenn man sich über die gleichzeitig geleisteten
Arbeiten ein Bild machen möchte.
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Fig. 2 zeigt in der Fläche III das disponible Arbeitsvermögen der
Feuergase, die in die Treibgasentnahmeleitung 17 eintreten. Ihre Menge beträgt iooo/o.
Ihre Energie, die durch das Expansionsgefälle ab Linie C-E und Gegendrucklinie gegeben
ist, kann auch in einer dritten Radanordnung, vorzugsweise kleineren Läuferdurchmessers,
ausgenutzt werden.
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Wenn auch die bei Durchführung des Verfahrens nach Fig. 2 auftretenden
Mitteltemperaturen, wie das aus den Temperaturlinien der Fig. 2 erkennbar ist, mit
rund 1d.00° in der ersten Turbinenstufe noch zu völlig beherrschbaren Laufschaufelbeanspruchungen
führen, so muß doch die Kühlung dieser Schaufeln, der Räder und der Welle sehr sorgfältig
durchgeführt werden, um im genügenden Abstand von der Kriechfestigkeitsgrenze der
verwandten Werkstoffe bleiben und um ohne gefährliche Beanspruchungen die durch
Fig. 2 veranschaulichten Betriebsverhältnisse mit Sicherheit und mit ausreichender
Lebensdauer der beanspruchten Bauteile beherrschen zu können.
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Abweichende Ausführungsformen sind in den Fig. 3 und d. veranschaulicht.
Gleichbezeichnete 'feile entsprechen dabei denen des Ausführungsbeispiels nach Fig.
i. Es besteht jedoch der Unterschied, daß den Auslaßventilen 1g eine besondere Düsenanordnung
III zugeordnet ist, die in Verbindung mit dem Rad 49 und der einkränzigen Beschaufelung
5o eine dritte Turbinenstufe bildet Eine gleichartige dritte Turbinenstufe ist bei
dem Ausführungsbeispiel nach Fig. .4 in einer abweichenden baulichen Anordnung verwirklicht
worden, bei der außer der ersten Auffüllkammeranordnung ii eine zweite Auffüllkammeranordnung
51 vorgesehen ist, aus der die in den Turbinenstufen I, 8, g und 1I, 13, 14 abgearbeiteten
Feuergase zusammen mit den Feuergasen verarbeitet werden, die über das geöffnete
Auslaßorgan ig entlassen wurden.
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Die gesamten teilexpandierten Feuergase werden der Entnahmeleitung
17 zugeführt. Die vom Auslaßventil ig entlassene Feuergasteilmenge, die nach Fig.
q. der Düsenanordnung III zugeführt wird, kann auch in die Auffüllkammeranordnung
51 eingeführt werden, wie dies in Fig. i für das Düsenventil 12 in Verbindung mit
der Auffüllkammeranordnung i i gezeigt worden war. In beiden Fällen aber bewirkt
die entlassene Feuergasteilmenge das Entstehen eines Gegendruckes in bezug auf die
im Feuergasweg vorgeordnete Turbinenstufe, der sich synchron zu der Spannung der
Feuergase ändert, ,velche der Beaufschlagung dieser Turbinenstufe dienen, und der
weiter dieselbe Charakteristik besitzt wie die Expansion der Feuergase in dieser
Turbinenstufe, so daß in derselben annähernd gleiche Enthalpiegefälle zur Verarbeitung
kommen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 bewirken die Restfeuergase der dritten
Turbinenstufe III, d.9, 5o ebenfalls das-Auftreten eines entsprechenden Gegendruckes,
allerdings in einem etwas geringeren Ausmaß, so daß auch hier das der Beschaufelung
13 zugewiesene Enthalpiegefälle als annähernd konstant angesehen werden kann.
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Aus den oben gegebenen Darlegungen erhellt, daß erfindungsgemäß eine
außerordentlich einfache Turbinenausbildung mit einkränzigen Laufrädern in jeder
Turbinenstufe geschaffen werden kann, so daß jede Notwendigkeit zur Anordnung stationärer
Umkehrschaufeln zwischen umlaufenden Schaufelreihen fortfällt. Damit fallen die
Kosten dieser Umkehrschaufeln weg und damit auch das Problem, diese Umkehrschaufeln
hinreichend kühlen zu müssen. Durch die Aufteilung des Enthalpiegesamtgefälles in
Enthalpi.eteilgefälle wird weiter eine Reduzierung des Ausmaßes an Geschwindigkeitsänderungen
bewirkt, das die Feuergase in den einzelnen Stufen bei Abarbeitung der Gesamtmenge
aufweisen würden, so daß sich auch dadurch ein erhöhter Radwirkungsgrad ergibt.
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Es war weiter darauf hingewiesen worden, dafä' durch Zuordnung mehrerer
Verpuffun.gskammern zu einem einzigen Läufer, wobei vier Verpuffungskammern bzw.
vier Gruppen von Verpuffungskammern zu bevorzugen sind, indem bei gruppenweiser
Anordnung die Kammern mit jeweils übereinstimmendem Arbeitsspiel betätigt werden,
dio Möglichkeit einer Versetzung der Arbeitsspiele in den einzelnen Kammern bzw.
Kammergruppen dahin besteht, daß die Laufräder kontinuierlich be. aufschlagt werden.
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Werden drei Turbinenstufen oder eine noch größere Anzahl von Turbinenstufen
angeordnet, wie dies die Fig. 3 und .1 veranschaulichen, so kamt es vorkommen, daß
die in der letzten Stufe oder in den letzten Stufen auftretenden Druckgefälle der
Restfeuergase, die durch die Auslaßventile ig entlassen werden, während gleichzeitig
Ladeluft in di: Verpuff ungskammern eindringt, nicht ausreicht. um zu Umfangsgeschwindigkeiten
der Turbinenbeschaufelung von 250 m/sec zu kommen.
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Um zu verhindern, daß in diesen Fällen der oder die Läufer dieser
Stufe oder Stufen als Bremsen wirkt bzw. wirken, ist es ohne weiteres möglich, den
Durchmesser der Beschaufelung 5o und der gegebenenfalls folgenden Beschaufelungen
kleiner zu halten als den Durchmesser der Beschaufelungen der vorhergehenden Stufen.
Dadurch ist bei geringerer absoluter Geschwindigkeit der Feuergase in den Düsenanordnungen
vorher ohne weiteres zu erreichen, daß die Restfeuergase in der letzten Turbinenstufe
oder in den letzten Turbinenstufen ihre volle Wirksamkeit entfalten. Derartige Möglichkeiten
kommen insbesondere dann in Betracht, wenn die Treibgase über Leitung 17 mit verhältnismäßig
hoher Spannung angeliefert werden müssen.
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Die Steuerung der beschriebenen Ein- und Auslaßorgane, die in Form
von Ventilen veranschaulicht worden sind, an deren Stelle aber auch ohne weiteres
Schieber, membrangesteuerte Aus- und Einlässe od. dgl. treten können, kann auf die
verschiedenste Weise vorgenommen werden, etwa me -chanisch, pneumatisch, hydraulisch,
elektrisch,
magnetisch, elektromagnetisch, hydromechanisch, hydroelektrisch,
pneumomechanisch, pneumoelektrisch oder in sonstwie geeigneter Weise. Derartsge
Steuerungen und Vorrichtungen zur Regelung der gesteuerten Vorgänge sind bekannt
und sind nicht Gegenstand der Erfindung.