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Gasturbine Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit Wärmetauscher,
bei der Brennkammer, Turbine und Turbinenaustrittsdiffusor axial hintereinander
angeordnet sind.
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Gasturbinen mit Wärmeaustauschern sind in verschiedenen Ausführungen
bekannt; z. B. ist eine solche Turbine mit einem Axialverdichter in Verbindung mit
einem Gegenstromaustauscher mit mehreren Zügen bekannt, wobei die Brennkammern die
Fortsetzung des Wärmeaustauschers darstellen. Bei einer anderen Ausführungsform
umfassen Brennkammer und Wärmeaustauscher abwechselnd und abschnittsweise Gebläse
und Turbine.
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Bei allen solchen bekannten Gasturbinen wird der thermische Wirkungsgrad
durch Abstrahlung vermindert, ebenso wie durch die begrenzte Abmessung des Wärmeaustauschers
und die erforderlichen mehreren Züge mit dem damit verbundenen Strömungswiderstand
bzw. sogar mit einem Rückstau der austretenden Gase eine Leistungsverringerung erfolgt.
Auch die Wirksamkeit der Verdichter wird dabei durch Wärmestrahlung ungünstig beeinflußt.
Schließlich ist der Aufbau verwickelt, von teilweise schlechter Zugänglichkeit und
ungünstigem Leistungsgewicht.
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Die Erfindung vermeidet diese Nachteile dadurch, claß der Wärmetauscher
ringförmig außen um Brennkammer, Turbine und Turbinenaustrittsdiffusor herum angeordnet
ist und daß die axiale Länge des Wärmetauschers gleich oder größer als die axiale
Gesamtlänge von Brennkammer, Turbine und Turbinenaustrittsdiffusor zusammen ist.
Zweckmäßig ist der Wärmeaustauscher mit paralleler Strömungszuführung, vorzugsweise
im Gegenstrom ausgebildet. Die Brennkammern können unterteilt und auch ringförmig
und konzentrisch im Wärmeaustauscher angeordnet sein.
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Nach einer Ausführungsform bildet die Brennkammer einen kegelstumpfförmigen
Ring mit einstellbaren Spreizkörper zwischen der Außenwand der Kammer und der Innenwand
des Wärmetauschers zur Abstandshaltung und für eine freie thermische Ausdehnung.
Zwischen der inneren Wand der konzentrischen Verbrennungskammer kann dabei ein freier
Hohlraum zur Unterbringung von Kühleinrichtungen sowie auch einer Vorwärmung des
Brennstoffes vorgesehen sein. Der Verdichter sitzt dabei außerhalb, zweckmäßig an
dem vom Antrieb entfernten Ende der Turbinenwelle.
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Eine derartige Gasturbine hat eine gedrängte, zvlindrische, einfache
Bauart, wodurch einmal ein günstiges Verhältnis vom Gewicht zur Leistung bedingt
und weiterhin eine leichte Zugänglichkeit sowohl beim Betrieb als auch bei der Wartung
ermöglicht wird. Die verhältnismäßig geringe Außenfläche ist unter dem Gesichtspunkt
der Abstrahlung besonders vorteilhaft. Die Außenabstrahlung durch den Luftzug ist
ferner dadurch wesentlich herabgesetzt, daß die kälteste Fläche der Turbine und
nicht etwa die Brennkammer beaufschlagt wird.
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Die Anordnung der Brennkammer innerhalb des Wärmetauschers bedingt
andererseits eine wesentliche Verringerung der Wärmestrahlung der gesamten Einrichtung,
und es wird im wesentlichen die Wärmestrahlung der Brennkammer durch den umhüllenden
Wärmetauscher aufgenommen. In diesem unterhalten die heißen, unter einem mäßigen
Druck stehenden Gase eine hohe Temperatur und verhindern dadurch Wärmeverluste durch
Abstrahlung. Andererseits wärmen die unter geringem Druck stehenden Gase, die den
Wärmeaustauscher durchströmen, die komprimierte Luft in den Rohren vor, so daß ein
Maximum an Wärmeinhalt von den Abgasen wieder in den Kreislauf zurückgeführt wird.
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Davon abgesehen ist es noch ein wesentlicher Vorteil, daß die Abmessung
des Wärmetauschers in keiner Weise irgendwie begrenzt ist, da er ja theoretisch
jede entsprechende Länge aufweisen kann. Weiterhin ist durch die Wahl des reinen
Parallelstromprinzips eine hohe Wirksamkeit gewährleistet, wobei die räumliche Ausbildung
des Wärmetauschers die Ausschaltung von jeglichen Störungen, insbesondere eines
wesentlichen Rückstaues, ermöglicht. Durch die höhere thermische Gesamtwirksamkeit
des Wärmetauschers ist es möglich, gegenüber den bekannten Anordnungen eine höhere
Gaseinlaßtemperatur für die Turbine anzuwenden. Bei normalen üblichen Einlaßtemperaturen
ergibt sich andererseits eine wesentliche Erhöhung der Lebensdauer der Turbine.
Die Anordnung des Verdichters außerhalb des Wärmetauschers ist weiterhin
ein
Vorteil, da der Verdichter nicht zusätzlich aufgewärmt und in seiner Leistung herabgesetzt
wird.
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Die gesamte thermische Wirksamkeit der Turbine ergibt andererseits
auch eine Herabsetzung des Brennstoffverbrauches.
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An Hand der Zeichnungen soll der Gegenstand der Erfindung sowie noch
weitere Einzelheiten näher erläutert werden.
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Fig. 1 stellt in teilweisem Schnitt eine Gasturbine dar; Fig. 2 ist
ein Schnitt und eine Aufsicht nach II-1I der Fig. 1; Fig. 3 zeigt in teilweisem
Schnitt eine andere Ausführungsform; Fig. 4 ist ein Schnitt nach der Linie IV-IV
der Fig. 3, und Fig. 5 zeigt eine Einzelheit der in den Fig. 3 und =1 dargestellten
Turbine, nämlich die Anordnung des Luftein- und -auslasses.
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Die Gasturbine nach den Fig. 1 und 2 besteht aus einer Turbine G,
einer Brennkammer B und einem Wärmeaustauscher D. Die beiden letztgenannten Teile
haben Ringform. Die Brennkammer B ist konzentrisch innerhalb des Wärmeaustauschers
D angeordnet, so daß der Radialschnitt, wie aus Fig. 2 ersichtlich, vier konzentrische
Ringe 11. 12, 13, 14 aufweist.
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Die Luftleitung E, welche den Wärmeaustauscher D mit der Brennkammer
B verbindet, wird einerseits durch einen konkaven, ringförmigen Deckel 22, welcher
sich zwischen einer Stirnplatte 21 des Wärmeaustauschers, im nachstehenden als rückwärtige
Stirnplatte bezeichnet, und der inneren Wand 11 der Brennkammer B erstreckt, und
andererseits durch eine Wand 18 begrenzt.
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Zwischen dem Innenmantel und Deckel 3 und einer Verlängerung 10 der
äußeren Wand 12 der Brennkammer B ist eine Abgasleitung F gebildet, die die Verbrennungsgase
nach dem Gasauslaß C führt.
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Der ringförmige Raum zwischen der inneren Wand 13 des Wärmeaustauschers
D und der äußeren Wand 12 der Brennkammer bildet den Gasauslaß C mit den Öffnungen
I, durch welche die Abgase in den Wärmeaustauscher D eintreten.
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Der Hohlraum, den die innere Wand 11 der Brennkammer umschließt, bildet
einen offenen Raum A, in welchen eine Kühlvorrichtung 16 für die Turbine eingebaut
ist und der auch zur Vorwärmung des Brennstoffes benutzt werden kann.
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An der verengten Austrittsstelle aus der Brennkammer B ist die Turbine
angeordnet. Ihre Welle 2 ist mit dem Rotor 1 des Verdichters verbunden. An dem Verdichter
sind Auslaßrohre 4 und ein gemeinsamer, ringförmiger Luftsammler 5 angeschlossen.
Dieser Luftsammler 5 ist an der vorderen Stirnplatte 8 des Wärmeaustauschers befestigt.
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Der Wärmeaustauscher D hat Ringform und umschließt die Turbine und
die Brennkammer B. Er besteht aus einem inneren schalenförmigen Mantel, der durch
die Wand 13 gebildet wird, den Stirnplatten 8 und 21 und dem äußeren -Mantel 14.
Die rückwärtige Stirnplatte 21 des Wärmeaustauschers stellt die Fortsetzung der
äußeren Wand 12 der Verbrennungskammer dar. Am anderen Ende dieser Wand 12 der Brennkammer
ragt eine Anzahl von radialen Füßen oder Abstandsstücken 23 gegen die innere Wand
13 des Wärmeaustauschers, welche die Lage der Brennkammer B innerhalb des Mantels
13 festlegen. Sie können so angeordnet sein, daß eine freie thermische Ausdehnung
ermöglicht wird. Der Wärnieäustausclier D ist von der Gegenstrombauart und ist mit
einer Reihe von Rohren 19 ausgestattet, die von den Stirnplatten 8 und 21
getragen werden und parallel zu der inneren Wand 13 des Wärmeaustauschers liegen.
Diese Rohre leiten die verdichtete Luft vom Sammler 5 zur Luftzuleitung E, welche
aus dem konkaven äußeren Deckel 22 und der Wand 18 gebildet wird und die Luft der
Brennkammer zuführt, die ebenfalls Ringform aufweist.
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Im Längsschnitt erkennt man, daß der erste Teil der Kammer B sich
konisch erweitert, während der zweite, der Hauptteil der Kammer, eine sich konisch
verengende Form aufweist, beide Teile in Richtung der Strömung betrachtet. In die
konkave, ringförmige Wand 22 sind Brenner 20 derart eingebaut, daß ihre Achsen mit
den Svmmetrieachseii der Längsschnitte der BrennkaminerP bei jedem der Brenner zusammenfallen.
Ein gegebenenfalls mit Löchern versehenes Flammrohr 17 ist innerhalb der Brennkammer
so angeordnet, daß noch genügend freier Raum für die Zufuhr von Sekundärluft offen
bleibt. In dem verengten Auslaß der Bremikammer sind Leitschaufeln 9 vorge-,#ehen,
die unmittelbar zu den Laufschaufeln 7 des Turbinenrades führen.
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Die beiden Endabdeckungen 3 und 22 der Maschine sind folgendermaßen
ausgeführt: An einem Ende sind die Brennkammer B und der Wärmeaustauscher D miteinander
durch die konkave, ringförmige Abschlußplatte 22 verbunden, die zusammen mit der
Wand 18 die Luftleitung E bildet. Die innere Wand 11 der Brennkammer und die Stirnplatte
21 des Wärmeaustauschers sind dadurch aneinander angeschlossen. Am anderen Ende
der Gasturbine ist die Abdeckung 3 angebracht, welche Ringform besitzt und zusammen
mit der Verlängerung 10 der äußeren Wand 12 der Brennkammer den Auslaß oder Diffusor
F bildet. Sie ist an der äußeren Wand 13 des Wärmeaustauschers befestigt. Diese
Abdeckung 3 läßt auch die Welle 2 durchtreten. Die Turbine selbst besteht aus einem
Läufer 6, der auf der in der Abdeckung 3 gelagerten Welle 2 befestigt ist. Der Deckel
3 ist so weit verlängert, daß er einerseits, wie bereits erwähnt, die Abdeckung
des Turbinengehäuses und der Abgasleitung F bildet, andererseits aber eine Wand
des Verdichters darstellt. Der rückwärtige Teil des Turbinengehäuses wird durch
eine Fortsetzung der inneren Wand 11 der Brennkammer gebildet. Die Zutrittsöffnung
in der 'Titte dieser Verlängerung ist durch die Platte 15 abgedeckt, durch welche
die Kühlvorrichtung, beispielsweise ein Kühlrohr 16 hindurchgeht. Der Läufer 6 der
Turbine weist in der Mitte eine Ausnehmung auf, die eine Zutrittsöffnung bildet.
Die Schaufeln 7 und die Läuferscheibe 6 sind an den Hohlraum derart angeschlossen,
daß beide Teile wirksam durch Luft gekühlt werden können. Die Kühleinrichtung der
Turbine besteht somit aus dem Rohr 16, das den Verdichter mit dein Hohlraum im Zentrum
des Läufers verbindet.
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Beim Betrieb der Gasturbine wird atmosphärische Luft vom Verdichter
angesaugt und vor dein Durchtritt durch die Rohre 4 in den Sammler 5 des Wärmeaustauschers
D verdichtet. Aus dein Sammler 5 strömt die Luft durch die Rohre 19 des Wärmeaustauschers
nach rückwärts, gelangt in den Luftkanal E und von da in die Brennkammer. Während
des Durchströmen durch die Rohre des Wärmeaustauschers nimmt die verdichtete Luft
infolge des Wärrneaustauschers mit den Abgasen erhöhte Temperatur an.
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In der BrennkaminerB mischt sich die vorgewärmte verdichtete Luft
an der Eintrittsstelle mit dem feinverteilten, versprühten Brennstoff, der dauernd
eingespritzt
wird. Die so gebildete brennbare Mischung wird durch
einen Funken entzündet.
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An der Eintrittsstelle in die Brennkammer B wird ein Teil der vorgewärmten,
verdichteten Luft, die sogenannte Sekundärluft, in den Raum zwischen dem Flammrohr
17 und der inneren Wand 11 der Brennkammer und von da durch die Löcher in das Flammrohr
17 geführt, um eine vollständige Verbrennung sicherzustellen.
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Die Verbrennung findet in der Brennkammer unter konstantem Druck statt,
und die Verbrennungsprodukte werden durch die Leitschaufeln 9 gerichtet und teilweise
entspannt, so daß sie unter Druckabfall auf die Schaufeln 7 der Turbine auftreffen,
wo ihre kinetische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Ein Teil der
sich daraus ergebenden Kraft an der Welle wird dazu benutzt, den Rotor 1 des Verdichters
anzutreiben. Der Rest stellt die Nutzleistung der Turbine dar. Die niedrig gespannten
Gase, die von den Turbinenschaufeln 7 durch den Diffusor F abströmen, gelangen durch
den Raum C in den Wärmeaustauscher D, wo sie den größten Teil ihres Wärmeinhaltes
an die verdichtete Luft abgeben, welche durch die Rohre 19 fließt. Auf diese Weise
wird die Wärme der Abgase im Kreislauf wieder verwendet. Nach dem Durchströmen des
Wärmeaustauschers, in dem die Verbrennungsgase die größtmögliche Wärmemenge an die
verdichtete Frischluft abgeben, werden sie durch das Rohr K ins Freie abgelassen.
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Die in den Fig. 3, 4 und 5 der Zeichnungen dargestellte Gasturbine
arbeitet in der gleichen Weise. Die Bezugszeichen und Buchstaben, welche beiden
Ausführungsformen gemeinsam sind, betreffen ähnliche Bestandteile.
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Bei der zweiten Ausführungsform besteht die Maschine aus einem Radialverdichter
H mit dem Rotor 1 und den Austrittsrohren 4, die nach einer keilförmigen Eintrittsöffnung
I. des ringförmigen Wärmeaustauschers D führen. Der Wärmeaustauscher wird von den
konzentrischen Wänden 13 und 14 umschlossen. Drei Rippen 25 im Turbinengehäuse dienen
dazu, die Lage der Turbine innerhalb der ringförmigen Wand 13 festzulegen. Diese
Rippen können einstellbar sein. Eine Mehrzahl von gebogenen Rohren 31 ist zwischen
den Wänden 13 und 14 des Wärmeaustauschers D ringförmig eingebaut und verbindet
die Einlaßöffnung L mit dem gleichfalls keilförmigen Auslaß 31, der seinerseits
durch die Luftleitung E mit der Brennkammer B in Verbindung steht. Das Gemisch von
Luft aus dem Verdichter H zusammen mit feinverteiltem Brennstoff aus den Brennern
20 wird in der Brennkammer B entzündet, und die Verbrennungsprodukte strömen durch
einen ringförmigen Raum X nach der mehrstufigen Turbine G. Der Läufer 6 der Hochdruckstufe
treibt mittels der Welle 2 den Rotor 1 des Verdichters an, während der Turbinenläufer
28 mit seinen hinter festen Leitschaufeln 26 angeordneten Laufschaufeln 27, die
Welle 30 antreibt, welche von dem Mantel 29 umschlossen ist. Von der Turbine
strömen die Gase durch die Abgasleitung F und den Kanal C in den Einlaß I des Wärmeaustauschers.
Aus dem Einlaß I, der von einer Wand 24 abgedeckt wird, strömen die Gase außen an
den gebogenen Rohren 31 vorbei, indem sie in einem Kreis den Wärmeaustauscher D
durchlaufen, im Gegenstrom zu der in den Rohren 31 fließenden Luft. Die Wärme der
Abgase wird dabei durch die Rohre 31 hindurch an die Luft abgegeben, welche auf
diese Weise vorgewärmt wird.
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Die gleichen Grundsätze können auch bei anderen Arten von Gasturbinen
verwirklicht werden, z. B. bei Gasturbinen mit einer oder mehreren Rohrbrennkanrmern,
bei ein- oder mehrstufigen Turbinen mit Gegen-, Gleich- und Ouerstromwärmeaustauschern,
bei offenem, halbgeschlossenem und geschlossenem Kreislauf und unter Benutzung verschiedener
wellen für die komprimierte Luft und von verschiedenen Brennstoffen.
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Die Brennkammern können in verschiedener Weise in den Wärmeäustauscher
eingebaut werden. Sie können konzentrisch angeordnet oder einzeln oder in Kombination
rund um die Achse der Turbine verteilt sein. Sie können auch einzeln, konzentrisch
oder unterteilt in einem Wärmeaustauscher eingebettet sein, der selbst in Abschnitte
unterteilt ist, so daß alle diese getrennten Teile des Wärmeaustauschers mit ihren
zugehörigen Brennkammern eine geschlossene, gedrängte und ausgeglichene Einheit
bilden.