DE963826C - Verfahren und Vorrichtung zum Betriebe von Verpuffungsbrennkraftturbinen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Betriebe von Verpuffungsbrennkraftturbinen

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DE963826C
DE963826C DESCH11306A DESC011306A DE963826C DE 963826 C DE963826 C DE 963826C DE SCH11306 A DESCH11306 A DE SCH11306A DE SC011306 A DESC011306 A DE SC011306A DE 963826 C DE963826 C DE 963826C
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DESCH11306A
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English (en)
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Dr-Ing E H Hans Holzwarth
August Schilling
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SCHILLING ESTATE Co
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C5/00Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion
    • F02C5/12Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion the combustion chambers having inlet or outlet valves, e.g. Holzwarth gas-turbine plants

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Zeichnung zeigt Ausführungen des Erfindungsgedankens am Beispiel von Oltreibgaserzeugern mit zwei- und dreistufigen Turbinenausbildungen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i, Verfahren zum Betriebe von Verpuffungsbrennkraftturbinen, bei dem in den Verpuffungskammern bei Verpuffungen erzeugte Feuergasgesamtmengen in Teilmengen entlassen und letztere verschiedenen Düsen- und Beschaufelungsanordnungen zugeführt werden, gekennzeichnet durch die Vereinigung des Verfahrens, zu den Dehnungen der Feuergasteilmengen 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 bestimmen, daß die durch die Differenzen dieser Drücke festgelegten Feuergasteilgefälle in ausschließlich einkränzigen Rädern verarbeitbar werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die in jeder Verpuffungskammer mit einer Verpuffung erzeugte Feuergasgesamtmenge in mindestens drei Teilgasmengen aus der Kammer entlassen und wenigstens zwei dieser Teilgasm.engen in verschiedenen, jeweils einkränzigen Beschaufelungen auf gegenüber den Anfangsdrücken niedrigere Drücke entspannt werden.
  3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Teilgasmengen mit gleichen Anfangsspannungen aus jeder der Verpuffungskammern zu verschiedenen Zeitpunkten entlassen werden. .
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlassungszeitpunkte in den verschiedenen Verpuffungskammern um die Dauer der Zeitspanne gegeneinander versetzt werden, innerhalb deren eine Teilgasmenge einer Dehnung unterworfen wird.
  5. 5. Vorrichtung zur Durchführung von Verfahren nach einem der Ansprüche i bis 4, gekennzeichnet durch eine Reihe von Verpuftungskammern, 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 Beschaufelungsanordnung, hinter der, im Feuergasweg gesehen, der Gegendruck erzeugt wird.
  6. 6. Vorrichtung nach. Anspruch 5, gekennzeichnet durch einkränzige, mit Umfangsgeschwindigkeiten von mindestens 25o m/sec umlaufende und Radwirkungsgrade von mindestens 75 °/o aufweisende Beschaufelungen auf mindestens zwei Rädern.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der den Beschaufelungen zugeordneten Düsenanordnungen mit mindestens einem Entlassungsorgan für Feuergase an den Verpuffungskammern in feuergasleitender Verbindung steht. B. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer des Treibgaserzeugers aus einer Welle mit zwei einkränzigen Rädern besteht. g. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer des Treibgaserzeugers aus einer Welle mit mehr als zwei einkränzigen Rädern besteht. io. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 his g, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Radgehäusen der ersten und zweiten Turbinenstufe eine Auffüllkammeranordnung mit Fang- und Auslaßdüsen vorgesehen ist, die mit Entlassungsorganen an den Verpuffungskammern für Feuergasteilmengen in Verbin-Jung steht, deren Anfangsspannung niedriger ist als die ursprüngliche Spannung der Feuergase, die der Düsen- und Beschaufelungsanordnung vor der Auffüllkammeranordnung zugeführt werden, in Feuergasströmungsrichtung gesehen. ii. Vorrichtung nach Anspruch io, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Düsenanordnung zwischen der zweiten und dritten Turbinenstufe vorgesehen ist, über die eine dritte Beschaufelungsanordnung feuergasbeaufschlagt ist. 12. Vorrichtung nach Anspruch io oder ii, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Zuführung von frischen Feuergasen niedrigster Anfangsspannung zu der dritten Beschaufelungsanordnung. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche io bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die FeuergaszuführungsTichtung zur dritten Beschau.felungsanordnung der Feuergaszuführungsrichtung zu den Beschaufelungsanordnungen der ersten und zweiten Turbinenstufen in axialer Richtung entgegengesetzt ist. 14. Vorrichtung nach Anspruch io, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Auffüllkammeranordnung zwischen einem Hundertstel bis fünfzehn Hundertsteln des vereinigten Rauminhalts der Verpuffungskammern beträgt, aus denen Feuergase in die erste Turbinenstufe entladen werden. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 594 656.
DESCH11306A 1951-12-24 1952-12-19 Verfahren und Vorrichtung zum Betriebe von Verpuffungsbrennkraftturbinen Expired DE963826C (de)

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